使用超聲檢查識別、分組和尺寸確定轉子組件中的埋藏缺陷的系統和方法
【專利說明】使用超聲檢查識別、分組和尺寸確定轉子組件中的埋藏缺 陷的系統和方法
[0001] 相關申請的交叉引用
[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、分組和尺寸確定轉子組件中的埋藏缺陷的系統和方法（SYSTEM AND METHODS FOR IDENTIFICATION, GROUPING, AND SIZING OF EMBEDDED FLAWS IN ROTOR COMPONENTS USING ULTRASONIC INSPECTIONS) "的美國臨時申請第61/753, 620號的權益，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先權。
技術領域
[0003] 本發明涉及在渦輪機和發電機中使用的轉子的非破壞性檢驗，并且更特別地，涉 及轉子的超聲檢查的方法，其使用轉子中的任何埋藏缺陷的切片內和切片間識別、分組和 尺寸確定。
【背景技術】
[0004] 轉子是渦輪機或發電機的旋轉部件。轉子的可靠性是渦輪機操作器（如電氣 設施）的關注重點。為了促進操作安全性并且防止潛在故障，定期地執行非破壞性檢驗 ("NDE"）以檢查轉子的完整性并且估計系統完整性的狀態。一種類型的NDE包括使用超 聲技術來檢測轉子中的缺陷或缺損。
[0005] 在超聲檢查中，諸如材料不連續的任何缺陷或缺損的指示通過超聲探頭的使用被 檢測并且作為數字信息被報告。然后評價數字信息以確定缺陷或缺損的尺寸和形狀。執行 評價不是輕松的任務并且涉及工程專業知識以及經驗。然而，即使有該專業知識和經驗，評 價也是耗時的過程。另外，做許多假設并且加入安全系數以做出轉子完整性的代表性評估。 因此，許多超聲檢查系統關于數據分析是高度保守的以便減小風險。這導致不精確的缺陷 尺寸估計和壽命預測。近年來，設備壽命延長已變為重要的維護服務方面，原因是電氣設施 中的大量轉子臨近到達它們的初始設計壽命的極限。由于更換轉子的相當大成本，因此期 望延長轉子的工作壽命。為了可靠地預測轉子的安全工作壽命，需要以高度的精度估計缺 陷或缺損的位置和尺寸。因此，用于轉子的超聲檢查的更精確和用戶友好的方法是期望的。
【發明內容】
[0006] 定期地執行超聲非破壞性檢驗（NDE)以檢查在渦輪機和發電機中使用的轉子以 便防止災難性故障。開發用于缺陷識別、分組和尺寸確定的方法和軟件系統以用于在渦輪 機和發電機中使用的轉子的疲勞壽命評估。方法包括提供多個轉子切片的超聲數據并且提 供超聲數據的體積重建。方法也包括基于體積重建提供轉子中的缺陷指示的切片內識別、 分組和尺寸確定。此外，方法包括基于切片內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描繪根據本發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掃描數據集。
[0009] 圖3A描繪重建之前具有灰度彩色圖的歸一化數據。
[0010] 圖3B描繪重建之后用灰度彩色圖顯示的歸一化數據。
[0011] 圖3C描繪圖3B中的被選擇感興趣區域。
[0012] 圖4描繪用于采集數據的掃描操作期間的相控陣列探頭的掃描路徑。
[0013] 圖5示出掃描具有實心轉子軸線的實心轉子的相控陣列探頭的側視圖。
[0014] 圖6A和6B描繪所有數據已融合之后的測試件繪制和重建結果。
[0015] 圖7A-7F示出未融合數據的例子。
[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果。
[0017] 圖9描繪具有注釋感興趣區域的示例性體積圖像。
[0018] 圖10描繪在執行切片內分組之后形成命中點簇的多個命中點。
[0019] 圖11顯示根據本發明的直線分組包絡。
[0020] 圖12顯示來自直線分組包絡的徑向和軸向范圍。
[0021] 圖13是描繪數據管理界面、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描繪用于數據管理的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、不透明度和閾值確定工具、可視化控制工具以及用于內部可視化的切割工具 的總體3D⑶I界面。
[0029] 圖21描繪計算機的高級方塊圖。
【具體實施方式】
[0030] 在詳細地解釋本發明的任何實施例之前，應當理解本發明在其應用上不限于在以 下描述中敘述或在以下圖中示出的部件的構造和布置的細節。本發明能夠具有其它實施 例，并且能夠以各種方式實施或實現。在本文中使用的術語"計算機"、"計算機系統"或"月艮 務器"應當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，個人計算機，如膝上型、掌上PC、桌上型，工作站，或文字處理 器，網絡服務器，大型機，具有存儲器和存儲裝置的有線或無線電子設備，如電話，交互式電 視，如適合于連接到互聯網的電視或適合與電視一起使用的電子設備，蜂窩電話，個人數字 助理，電子尋呼機，數字式手表等。此外，該實施例的計算機、計算機系統或系統可以在通信 網絡（如互聯網、內聯網或外聯網）上與其它系統通信地操作，或者可以作為獨立系統、虛 擬私用網絡和任何其它互聯網系統操作。在下面的描述中，相似的參考數字和標記用于描 述圖1-21的若干視圖中的相同、相似或相應的部分。
[0031] 引言
[0032] 轉子是機械裝置的旋轉部件。轉子一般包括軸，軸具有從軸徑向地延伸的多個葉 片。典型地，工作流體可以移動或由轉子葉片移動。這些類型的應用中的軸可以連接到發 電裝置，如發電機。
[0033] 本發明涉及使用超聲進行轉子的自動非破壞性檢驗的可視化和分析方法和裝置。 數字圖像常常由一個或多個物體（或形狀）的數字表示組成。在本文中常常關于識別和操 作物體描述物體的數字表示。這樣的操作是在計算機系統的存儲器和/或其它電路/硬件 中實現的虛擬操作。因此，應當理解本發明的實施例可以在計算機系統內使用存儲在計算 機系統內的數據執行。在超聲轉子檢查中，捕獲大量數據。操作這些數據以產生三維表示 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據。在本文中描述本發明的實 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（"NDE"）的一部分執行的超聲檢查中，諸如材料不連續的任 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字信息被報告。然后評價數字 信息以確定缺陷或缺損的尺寸和形狀。執行評價不是輕松的任務并且涉及工程專業知識以 及經驗。然而，即使有該專業知識和經驗，評價也是耗時的過程。另外，做許多假設并且加 入安全系數以做出轉子完整性的代表性評估。數據分析和評價的困難在于若干方面。這些 方面包括數字信息對于人工解釋來說是非常復雜的和大強度的。另外，噪聲和無關信號可 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，超聲檢查數據不能容易地編碼正在分析的目 標測試塊的幾何信息。特別地，分析這樣的數據的用戶（如工程師、技術人員和其他人）必 須通過將數據虛擬地映射到測試塊的基礎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果。然而，對于復雜的幾何形 狀（如渦輪機葉片），虛擬映射可能是困難的和不精確的。改善來自超聲檢查數據的缺陷識 別和尺寸確定精度是NDE工業的重要關注點。可靠的缺陷識別和精確的缺陷尺寸確定是基 于條件的維護和壽命周期成本減小的關鍵點。確定缺陷的尺寸的不確定性可以通過安全系 數的使用進行處理。然而，安全系數的使用有時會過于保守，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方法的技術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行缺陷估計并且對于小于收發器波束尺 寸的缺陷是可接受的。另一方法被稱為飛行時間衍射（"T0FD"）方法，其用于估計缺陷的 尖端位置。然后進一步研究該信息以估計缺陷的近似形狀。對于大缺陷TOFD可以產生相 對精確的結果，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行，其僅僅具有一個固定 聚焦法則并且僅僅在被稱為ID A掃描的模式下捕獲數據。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，即使使用多個探頭。由A掃描傳送的信息對于表征缺陷的性質是相 對有限的。
[0037] 相控陣列超聲技術通過在被稱為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，其中每個元件獨立于其它元件被驅動。通過在驅動陣列時使用預定延遲模式，可以 實現不同的聚焦法則。相比于使用用于A掃描的探頭布置，當使用相控陣列探頭時，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。相控陣列探頭在轉子的實心部分的檢查方面具有優 勢。在實心轉子檢查中，一些感興趣的區域由于附連的渦輪機葉片而難以接近。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