使用超聲檢查識別、分組和尺寸確定轉(zhuǎn)子組件中的埋藏缺陷的系統(tǒng)和方法
【專利說明】使用超聲檢查識別、分組和尺寸確定轉(zhuǎn)子組件中的埋藏缺 陷的系統(tǒng)和方法
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請基于35U.S.C. § 119(e)要求2013年1月17日提交的、名稱為"使用超聲 檢查識別、分組和尺寸確定轉(zhuǎn)子組件中的埋藏缺陷的系統(tǒng)和方法（SYSTEM AND METHODS FOR IDENTIFICATION, GROUPING, AND SIZING OF EMBEDDED FLAWS IN ROTOR COMPONENTS USING ULTRASONIC INSPECTIONS) "的美國臨時(shí)申請第61/753, 620號的權(quán)益，上述申請通過引用完 整地合并于本文中并且本申請要求上述申請的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及在渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)中使用的轉(zhuǎn)子的非破壞性檢驗(yàn)，并且更特別地，涉 及轉(zhuǎn)子的超聲檢查的方法，其使用轉(zhuǎn)子中的任何埋藏缺陷的切片內(nèi)和切片間識別、分組和 尺寸確定。
【背景技術(shù)】
[0004] 轉(zhuǎn)子是渦輪機(jī)或發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件。轉(zhuǎn)子的可靠性是渦輪機(jī)操作器（如電氣 設(shè)施）的關(guān)注重點(diǎn)。為了促進(jìn)操作安全性并且防止?jié)撛诠收?，定期地?zhí)行非破壞性檢驗(yàn) ("NDE"）以檢查轉(zhuǎn)子的完整性并且估計(jì)系統(tǒng)完整性的狀態(tài)。一種類型的NDE包括使用超 聲技術(shù)來檢測轉(zhuǎn)子中的缺陷或缺損。
[0005] 在超聲檢查中，諸如材料不連續(xù)的任何缺陷或缺損的指示通過超聲探頭的使用被 檢測并且作為數(shù)字信息被報(bào)告。然后評價(jià)數(shù)字信息以確定缺陷或缺損的尺寸和形狀。執(zhí)行 評價(jià)不是輕松的任務(wù)并且涉及工程專業(yè)知識以及經(jīng)驗(yàn)。然而，即使有該專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)，評 價(jià)也是耗時(shí)的過程。另外，做許多假設(shè)并且加入安全系數(shù)以做出轉(zhuǎn)子完整性的代表性評估。 因此，許多超聲檢查系統(tǒng)關(guān)于數(shù)據(jù)分析是高度保守的以便減小風(fēng)險(xiǎn)。這導(dǎo)致不精確的缺陷 尺寸估計(jì)和壽命預(yù)測。近年來，設(shè)備壽命延長已變?yōu)橹匾木S護(hù)服務(wù)方面，原因是電氣設(shè)施 中的大量轉(zhuǎn)子臨近到達(dá)它們的初始設(shè)計(jì)壽命的極限。由于更換轉(zhuǎn)子的相當(dāng)大成本，因此期 望延長轉(zhuǎn)子的工作壽命。為了可靠地預(yù)測轉(zhuǎn)子的安全工作壽命，需要以高度的精度估計(jì)缺 陷或缺損的位置和尺寸。因此，用于轉(zhuǎn)子的超聲檢查的更精確和用戶友好的方法是期望的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 定期地執(zhí)行超聲非破壞性檢驗(yàn)（NDE)以檢查在渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)中使用的轉(zhuǎn)子以 便防止災(zāi)難性故障。開發(fā)用于缺陷識別、分組和尺寸確定的方法和軟件系統(tǒng)以用于在渦輪 機(jī)和發(fā)電機(jī)中使用的轉(zhuǎn)子的疲勞壽命評估。方法包括提供多個(gè)轉(zhuǎn)子切片的超聲數(shù)據(jù)并且提 供超聲數(shù)據(jù)的體積重建。方法也包括基于體積重建提供轉(zhuǎn)子中的缺陷指示的切片內(nèi)識別、 分組和尺寸確定。此外，方法包括基于切片內(nèi)缺陷指示提供缺陷指示的切片間識別、分組和 尺寸確定并且提供缺陷位置和尺寸信息。方法可以在相控陣列和A掃描超聲檢查兩者中使 用。
【附圖說明】
[0007] 圖1描繪根據(jù)本發(fā)明的用于重建和缺陷識別、分組和尺寸確定的方法。
[0008] 圖2描繪已歸一化的示例性A掃描數(shù)據(jù)集。
[0009] 圖3A描繪重建之前具有灰度彩色圖的歸一化數(shù)據(jù)。
[0010] 圖3B描繪重建之后用灰度彩色圖顯示的歸一化數(shù)據(jù)。
[0011] 圖3C描繪圖3B中的被選擇感興趣區(qū)域。
[0012] 圖4描繪用于采集數(shù)據(jù)的掃描操作期間的相控陣列探頭的掃描路徑。
[0013] 圖5示出掃描具有實(shí)心轉(zhuǎn)子軸線的實(shí)心轉(zhuǎn)子的相控陣列探頭的側(cè)視圖。
[0014] 圖6A和6B描繪所有數(shù)據(jù)已融合之后的測試件繪制和重建結(jié)果。
[0015] 圖7A-7F示出未融合數(shù)據(jù)的例子。
[0016] 圖8A-8E描繪均具有2mm的直徑的第一和第二平底鉆孔的重建結(jié)果。
[0017] 圖9描繪具有注釋感興趣區(qū)域的示例性體積圖像。
[0018] 圖10描繪在執(zhí)行切片內(nèi)分組之后形成命中點(diǎn)簇的多個(gè)命中點(diǎn)。
[0019] 圖11顯示根據(jù)本發(fā)明的直線分組包絡(luò)。
[0020] 圖12顯示來自直線分組包絡(luò)的徑向和軸向范圍。
[0021] 圖13是描繪數(shù)據(jù)管理界面、2D重建和可視化界面以及3D重建和可視化界面的圖 形用戶界面（"⑶I"）的總圖。
[0022] 圖14描繪用于數(shù)據(jù)管理的⑶I界面。
[0023] 圖15顯示2D配置和重建面板。
[0024] 圖16顯示允許選擇通道和可視化模式的2D重建界面。
[0025] 圖17在掃描位置選擇模式下描繪2D重建界面。
[0026] 圖18示出用于缺陷識別和切片內(nèi)分組的2D重建界面。
[0027] 圖19示出輸出界面。
[0028] 圖20描繪包括3D重建工具、可視化和操作工具、CAD模型工具、切片間分組和輸 出工具、旋轉(zhuǎn)、不透明度和閾值確定工具、可視化控制工具以及用于內(nèi)部可視化的切割工具 的總體3D⑶I界面。
[0029] 圖21描繪計(jì)算機(jī)的高級方塊圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 在詳細(xì)地解釋本發(fā)明的任何實(shí)施例之前，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明在其應(yīng)用上不限于在以 下描述中敘述或在以下圖中示出的部件的構(gòu)造和布置的細(xì)節(jié)。本發(fā)明能夠具有其它實(shí)施 例，并且能夠以各種方式實(shí)施或?qū)崿F(xiàn)。在本文中使用的術(shù)語"計(jì)算機(jī)"、"計(jì)算機(jī)系統(tǒng)"或"月艮 務(wù)器"應(yīng)當(dāng)廣義地解釋為包括能夠接收、傳輸和/或使用信息的任何裝置，非限制地包括處 理器，微處理器或類似裝置，個(gè)人計(jì)算機(jī)，如膝上型、掌上PC、桌上型，工作站，或文字處理 器，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，大型機(jī)，具有存儲器和存儲裝置的有線或無線電子設(shè)備，如電話，交互式電 視，如適合于連接到互聯(lián)網(wǎng)的電視或適合與電視一起使用的電子設(shè)備，蜂窩電話，個(gè)人數(shù)字 助理，電子尋呼機(jī)，數(shù)字式手表等。此外，該實(shí)施例的計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或系統(tǒng)可以在通信 網(wǎng)絡(luò)（如互聯(lián)網(wǎng)、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)或外聯(lián)網(wǎng)）上與其它系統(tǒng)通信地操作，或者可以作為獨(dú)立系統(tǒng)、虛 擬私用網(wǎng)絡(luò)和任何其它互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)操作。在下面的描述中，相似的參考數(shù)字和標(biāo)記用于描 述圖1-21的若干視圖中的相同、相似或相應(yīng)的部分。
[0031] 引言
[0032] 轉(zhuǎn)子是機(jī)械裝置的旋轉(zhuǎn)部件。轉(zhuǎn)子一般包括軸，軸具有從軸徑向地延伸的多個(gè)葉 片。典型地，工作流體可以移動或由轉(zhuǎn)子葉片移動。這些類型的應(yīng)用中的軸可以連接到發(fā) 電裝置，如發(fā)電機(jī)。
[0033] 本發(fā)明涉及使用超聲進(jìn)行轉(zhuǎn)子的自動非破壞性檢驗(yàn)的可視化和分析方法和裝置。 數(shù)字圖像常常由一個(gè)或多個(gè)物體（或形狀）的數(shù)字表示組成。在本文中常常關(guān)于識別和操 作物體描述物體的數(shù)字表示。這樣的操作是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲器和/或其它電路/硬件 中實(shí)現(xiàn)的虛擬操作。因此，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的實(shí)施例可以在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)使用存儲在計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)執(zhí)行。在超聲轉(zhuǎn)子檢查中，捕獲大量數(shù)據(jù)。操作這些數(shù)據(jù)以產(chǎn)生三維表示 以便傳送全面的3D信息使用戶能夠高效地和可靠地分析數(shù)據(jù)。在本文中描述本發(fā)明的實(shí) 施例以提供可視化和分析方法和裝置的理解。
[0034] 在作為非破壞性檢驗(yàn)（"NDE"）的一部分執(zhí)行的超聲檢查中，諸如材料不連續(xù)的任 何缺陷或缺損的指示通過超聲探頭的使用被檢測并且作為數(shù)字信息被報(bào)告。然后評價(jià)數(shù)字 信息以確定缺陷或缺損的尺寸和形狀。執(zhí)行評價(jià)不是輕松的任務(wù)并且涉及工程專業(yè)知識以 及經(jīng)驗(yàn)。然而，即使有該專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)，評價(jià)也是耗時(shí)的過程。另外，做許多假設(shè)并且加 入安全系數(shù)以做出轉(zhuǎn)子完整性的代表性評估。數(shù)據(jù)分析和評價(jià)的困難在于若干方面。這些 方面包括數(shù)字信息對于人工解釋來說是非常復(fù)雜的和大強(qiáng)度的。另外，噪聲和無關(guān)信號可 能引起不確定性。此外，空間信息難以分析。
[0035] 由于測試塊的多種多樣的可能形狀，超聲檢查數(shù)據(jù)不能容易地編碼正在分析的目 標(biāo)測試塊的幾何信息。特別地，分析這樣的數(shù)據(jù)的用戶（如工程師、技術(shù)人員和其他人）必 須通過將數(shù)據(jù)虛擬地映射到測試塊的基礎(chǔ)幾何形狀推斷指定指示的位置。對于具有簡單幾 何配置的物體，虛擬映射可能效果很好并且提供相對精確的結(jié)果。然而，對于復(fù)雜的幾何形 狀（如渦輪機(jī)葉片），虛擬映射可能是困難的和不精確的。改善來自超聲檢查數(shù)據(jù)的缺陷識 別和尺寸確定精度是NDE工業(yè)的重要關(guān)注點(diǎn)?？煽康娜毕葑R別和精確的缺陷尺寸確定是基 于條件的維護(hù)和壽命周期成本減小的關(guān)鍵點(diǎn)。確定缺陷的尺寸的不確定性可以通過安全系 數(shù)的使用進(jìn)行處理。然而，安全系數(shù)的使用有時(shí)會過于保守，因此增加壽命周期成本。用于 缺陷識別、尺寸確定和形狀估計(jì)方法的技術(shù)是距離增益尺寸確定（"DGS"）及其變型。DGS 是基于回波幅度的方法，其使用超聲信號的幅度進(jìn)行缺陷估計(jì)并且對于小于收發(fā)器波束尺 寸的缺陷是可接受的。另一方法被稱為飛行時(shí)間衍射（"T0FD"）方法，其用于估計(jì)缺陷的 尖端位置。然后進(jìn)一步研究該信息以估計(jì)缺陷的近似形狀。對于大缺陷TOFD可以產(chǎn)生相 對精確的結(jié)果，但是形狀信息很有限。
[0036] 超聲檢查通過使用具有單或雙元件晶體的超聲換能器進(jìn)行，其僅僅具有一個(gè)固定 聚焦法則并且僅僅在被稱為ID A掃描的模式下捕獲數(shù)據(jù)。在檢查期間，使用超聲探頭布置， 其中探頭手動地或由掃描儀自動地圍繞感興趣的區(qū)域移動。然而，受檢查的缺陷僅僅由較 少的A掃描信號命中，即使使用多個(gè)探頭。由A掃描傳送的信息對于表征缺陷的性質(zhì)是相 對有限的。
[0037] 相控陣列超聲技術(shù)通過在被稱為2D B掃描的模式下捕獲反射信號提供缺陷的更 多信息。在該技術(shù)中，使用具有包括晶體元件的陣列的相控陣列超聲換能器布置的相控陣 列探頭，其中每個(gè)元件獨(dú)立于其它元件被驅(qū)動。通過在驅(qū)動陣列時(shí)使用預(yù)定延遲模式，可以 實(shí)現(xiàn)不同的聚焦法則。相比于使用用于A掃描的探頭布置，當(dāng)使用相控陣列探頭時(shí)，缺陷由 明顯更多的超聲波束并且從不同方向被命中。這提供關(guān)于缺陷的更多信息，允許不太保守 的缺陷分析和更精確的缺陷尺寸估計(jì)。相控陣列探頭在轉(zhuǎn)子的實(shí)心部分的檢查方面具有優(yōu) 勢。在實(shí)心轉(zhuǎn)子檢查中，一些感興趣的區(qū)域由于附連的渦輪機(jī)葉片而難以接近。相控陣列 探頭可以通過針對不同深度和不同入射角生成可控聚焦法則靈活地捕獲這些區(qū)