1. 汽機葉片接合區之在役檢測技術開發
蕭祝螽 吳永豪
工業材料研究所 工業技術研究院
摘 要
低壓汽機盤緣區常因高應力與溼熱的作用而發生應力腐蝕破裂，雖然電廠在定期維
修期間早已視情況採用不同的非破壞檢測法來執行在役檢測(In-service Inspection,
ISI)，但是由於汽機的安全顧慮高，且盤緣區的檢測受到結構上的空間限制，現行的檢
測法還是需要進一步改進以提高檢測的可靠度。
有鑑於此，我們分別開發了掃描器輔助式的超音波檢測法與自動化渦電流檢測法。
從實物模擬上及現場實測的檢測結果顯示，超音波法可檢出盤緣區直徑2mm之平底洞、
1mm深之凹槽和3mm長之真實端面裂縫，由於超音波檢測用之掃描器及探頭在設計上考
慮了足夠的彈性，因此可以同時涵蓋6R和7R兩級盤緣上內外側缺陷的檢測需求。另一
方面，自動化渦電流檢測法所用之掃描裝置則以汽機本身的結構為軌道與定位依據，實
驗證實葉根處1mm以下之真實端面裂縫可以檢出，而檢測一支葉片所需的時間僅約5秒
左右。
一、前 言
汽機(steam turbine)是電廠中的核心設備之一，其主結構包含許多交錯排列的定子
(stator)和轉子(rotor)，可以將來自反應器的高壓/高溫蒸汽作連續的膨脹減壓以將熱能轉
換成機械能來帶動發電機。由於轉子的轉速極高，離心力大，再加上振動、疲勞、腐蝕、
材料劣化等影響，很容易在一些特定的部位，例如盤緣(disk rim)與葉根(blade root)處產
生裂縫，甚至引起斷裂，造成意外災害或跳機而減低發電效率，因而導致為數可觀的營
運損失，所以，如何適當地採用非破壞檢測技術以定期確認機件的完整性，便是確保汽
機安全運轉以及避免不必要的組件替換之必要手段。
對於盤緣及葉根之檢測，目前國內常用的方法包括：磁粒檢測法(MT)、液滲檢測法
(PT)以及渦電流檢測法(ET)等，雖然渦電流檢測法的靈敏度較前兩者為高[1,2]，且表面
清潔度度的要求較不高，但由於待測區的汽機葉盤間隙狹窄，檢測人員必須手持長柄式
的渦電流探頭在葉根附近掃描，其困難度不難想像，不但易因人為疏失而漏檢，並且檢
測結果之重現性不高，因此我們發展自動化渦電流檢測系統來解決此缺失，而渦電流檢
測法僅能檢測極近表面之裂縫，為了在不拆卸葉片的情況下檢出內藏式的裂縫，於是我
們也同時發展超音波檢測法(UT)來配合檢測渦電流檢測法不易檢出之裂縫。
二、盤緣及葉片根部裂縫之超音波檢測法
最初，我們主要是希望藉超音波檢測法來檢出鋸齒狀區域間之內藏式裂縫，然而，
事後我們證實此法亦可檢出渦電流及磁粒檢測法所能檢出之外露式裂縫。欲使用超音波
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2. 法來檢測盤緣區的裂縫通常須考慮以下三點：
(1)鄰近輪盤或葉片空間上之限制。
(2)掃描面一般具有變化的曲率。
(3)由於汽機盤緣區域或葉片根部之幾何形狀複雜，因此超音波之訊號不易分辨。
以往國內外的電廠運轉經驗顯示：汽機盤緣區域(亦稱之為disk rim, steeple, fir tree
或dovetail)易產生應力腐蝕破裂(Stress Corrosion Cracking, SCC)，而其破裂型式則視輪盤
之幾何結構而定。依據國外的統計，在西屋式低壓汽機盤緣上發生之裂縫可依位置和方
向分為三類(如圖1所示)，大部份(95%)的裂縫屬於I型和II型[3-5]，這三種類型的裂縫如
下所述：
(1) I型裂縫—又稱為“Steeple裂縫”或“Side-Of-the-Groove, SOG”，位於鋸齒狀區域。
(2)II型裂縫—又稱為“Rim裂縫”或“Bottom-Of-the-Groove, BOG”，位於Steeple之底部。
(3)III型裂縫—位於Steeple底部之中間。
III 型裂縫 II 型裂縫
I 型裂縫
盤緣區域
葉片根部
圖1 西屋式低壓汽機盤緣上發生之裂縫可依位置和方向分為三類
實物模擬及人工缺陷製作
本 計 畫 係利 用 除 役 之 低 壓 汽 機3 號 輪 盤 ( 包 含6R及 7R兩 級 ) 製作一個實物模擬
(mock-up)，此輪盤以一個支撐架立起並且可以自由轉動(見圖2)，如此便可以模擬現場
的檢測狀況。
輪盤上除了已知7道外露於端面之使用中裂縫外，我們亦在盤緣區製作了一系列直
徑分別為2mm、4mm的平底洞以及深度約1mm的凹槽(見圖3)藉以模擬內藏式裂縫。而自
輪盤上移除的葉片我們則在葉根處不同的鋸齒狀位置製作了5mm長，深度分別為1、2、
3、5mm之放電加工缺陷(見圖4)。
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3. Notch
FBH
圖2 已架起之低壓汽機3號輪盤(含6R和7R
兩級)與超音波檢測法測試
Notch
FBH
進汽側
出汽側
圖3 在6R(上)及7R(下)盤緣製作平底洞及
凹槽之位置
圖4 西屋式汽機葉片外形示意圖，根部區
域的字母、數字標示係用來輔助說明
人工缺陷的位置
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4. 數位式超音波檢測系統
我們採用英國AEA科技公司之Microplus超音波檢測系統來作數據收集與分析，在此
研究中B-scan影像之顯示選擇整波模式，因整波訊號比RF訊號具有較佳的對比。數據之
收集利用掃描器上之編碼器(encoder)來同步建立B-scan影像 每隔0.2mm取得一串A-scan
，
訊號。
探頭
對於盤緣裂縫之檢測我們採用雙晶聚焦式探頭，其頻率5MHz，折射角34°，橫波，
焦距各為50mm、75mm、110mm，可視欲檢測之範圍來選擇適當的探頭，並且，我們將
焦距110mm之探頭表面加工成凸面以匹配輪盤上之凹面。另一方面，葉根之檢測我們則
選用折射角70°，頻率5MHz之橫波探頭。
徒手式掃描器
對於盤緣裂縫之檢測我們採用一個輕型的掃描器(見圖5)，此掃描器可和輪盤之幾何
形狀相匹配，並且利用其上之編碼器來定位，應用之範圍包含盤緣上之所有須掃描之區
域，另外採用蓄電池、幫浦和唧水桶來提供水浴耦合。
圖5 應用於西屋式汽機盤緣檢測之徒手式掃描器
實驗結果及現場實測驗證
對於盤緣裂縫之檢測首先我們是利用實物模擬上之平底洞、凹槽及真實裂縫來評
估，所有的缺陷顯示都可在B-scan影像中清楚地看出來，見圖6，當靈敏度設定在可檢出
3mm長之裂縫時，亦可看出幾何反射之訊號，頂部區域所反射之訊號可以用音波之行進
時間來和裂縫訊號加以分辨出來，而中間鋸齒狀區域所反射之訊號則有可能干擾真實裂
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5. 縫之分辨，裂縫訊號有時可由稍微扭轉探頭改變其傾角(skew angle)來提高。當完成掃描
器最後之設計以及參數設定後，我們便在核能電廠之汽機上進行在役檢測驗證，結果顯
示徒手式掃描器在此試驗中確實可行，之後便依此評估結果來撰寫檢測程序。
對於葉片根部的檢測，因裂縫主要發生在凹面，所以探頭須在葉片之凸面上掃描。
根據圖7中切面編號67之結構來看，希望音束之範圍涵蓋70°~80°之間，而K.K. KB-A
5MHz/0.25″ 70°探頭之降6dB的音束範圍約介於64°~74°之間，能量主軸略微偏低，因此
當探頭稍上仰時，有時反而較利於檢測。由圖7中可看出編號67橫切面上鋸齒狀區域之
凹槽(L×D=5mm×5mm)位置，此切面上深2mm之凹槽利用此法亦可從B-scan影像中看出
凹槽之反射訊號，此處在實際檢測時會遭遇之主要困難為葉片間之間隙僅約11mm左
右。當檢測區域靠近葉片兩側端面時，波行路徑會變得更為複雜，在此情況下，大部份
欲檢測區域都超出音束的有效擴展範圍，且在某些掃描位置發生重複反射的現象，使得
檢測困難度增加，但是，在位於葉根彎向內出汽側的頂部滑槽內深5mm之凹槽仍可被檢
出(見圖8)，此區的裂縫檢測需求最迫切，但檢測分析難度較高，應格外仔細分辨訊號。
A A
B
E E
Notch A A
FBH C D
E
Bottom
Serration
Crack
圖7 編號67橫切面之結構及超音波檢測
Top B-scan影像，可清楚地看出從不同鋸
齒狀區域上凹槽所反射之訊號
圖6 實物模擬上平底洞、凹槽（上圖/7R)
和 真 實 裂 縫 ( 下 圖 /6R) 之 顯 示 可 在
B-scan影像中清楚地看出來
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6. Notch 18
Notch
圖8 凹槽訊號清楚地顯示在B-scan (上)及A-scan (下)中
三、葉片根部之渦電流檢測法
對於葉片根部裂縫之在役檢測，通常使用磁粒檢測法或徒手式渦電流檢測法，然
而，由於輪盤間之間隙相當狹窄，僅允許檢測人員在一段距離來觀察MT之結果或者伸
長手臂使用渦電流探頭來進行掃描，因此，MT將易漏檢靠近幾何形狀複雜或緊密且微
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7. 小之裂縫，使得MT和ET的結果經常不一致，所以，材料所研發一套自動化渦電流檢測
系統來輔助葉片根部裂縫的在役檢測，一旦實施此技術則檢測可靠度預期將可因降低人
為誤差而提高。
實物模擬及人工缺陷製作
在此研究初期我們是利用葉片上之自然裂縫來評估探頭的基本要求和測試條件，此
裂縫之長度約13mm，頗為緊密，不易用肉眼看出，但可用螢光磁粒檢測法輕易地看出
來。再者，我們在幾片葉片上利用放電加工的方式在鋸齒狀區域端面上製作了不同長度
的凹槽，凹槽之寬度皆為0.15mm，長度最短為0.3mm，最長則為2.5mm，這些葉片在探
頭設計期間用來評估探頭之性能，最後安裝在如圖9所示之實物模擬上，其中葉盤之尺
寸與西屋式低壓汽機L-2級一致，此實物模擬在掃描器設計階段用來評估掃描器之性
能，因無法經常到現場進行實驗，所以實物模擬提供了相當的簡便性。在實物模擬上之
葉片可以相互易位，藉此可在實驗室中研究檢測可靠度。
圖9 由汽機葉片所組成之實物模擬
可攜式渦電流檢測系統及探頭
針對本案的檢測需求，我們選用德國Rohmann公司的ELOTEST-B1渦電流系統，所
使用表面探頭之線圈採差異式，線圈直徑約2mm，公稱頻率為2MHz。另外，我們亦用
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8. 筆式探頭來研究裂縫訊號、邊緣及離距效應之特徵，自動掃描用探頭之線圈型式及規格
和徒手式探頭相同，但是外型及尺寸須配合自動掃描器的型式來設計。
自動化掃描器
我們設計一輕型之掃描器可利用輪盤結構來當作軌道(見圖10)，掃描器可用單手輕
易地架設在輪盤間，此特性頗為重要，因為輪盤間之間隙僅可讓工程師伸長手臂來裝置
掃描器。掃描器是利用步進馬達來驅動，空壓缸則擔任探頭掃描的往返運動。
當沿著輪盤圓周方向移動時，掃描器可藉由控制器來使其自動停在各葉片適當的位
置，然後利用探頭在葉根之三個根槽共切線方向作掃描，如果有需要的話，檢測人員可
在相同位置重驗以確認裂縫之有無，探頭係經由特殊設計以配合掃描器。
圖10 葉根檢測所採用之自動化掃描器
實驗結果和現場實測驗證
我們分別利用手動及自動檢測方式來評估含有自然裂縫與放電加工凹槽之葉片，圖
11(a)顯示出裂縫、邊緣和離距之阻抗特性，其中裂縫和離距間之相位差約34°，凹槽和
離距間有更佳的相位差，雖然裂縫和凹槽之相位不同，但凹槽仍有模擬裂縫的價值。在
我們的測試當中，探頭頻率2MHz可得到裂縫和離距間較佳的相位差，為了瞭解邊緣效
應，我們在真實裂縫附近不同的位置連續掃描幾道，見圖11(b)，從圖右之阻抗圖可看出
邊緣效應的影響，瘦長的裂縫訊號逐漸地變胖，最後，當線圈中心掃過鋸齒狀區域時阻
抗面便被邊緣效應訊號所佔據，而這也就是檢測極限的所在。在現場實測時可依輪盤之
間距來修改掃描器，每當掃描器完成一段掃描時(約包含30至40個葉片)，可用動力輥輪
(power roller)來旋轉輪盤，掃描每個葉片僅需幾秒鐘的時間，定位精確度是此技術中最
重要的特徵之一，已證實可檢出長1mm以下之裂縫。
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9. 圖11(a) 利用絕對式探頭所得到裂縫、邊緣和離距之阻抗反應
探頭：UNIWEST US-686
頻率：2.0 MHz
增益 X/Y：15/15 dB
相位：183 deg.
圖11(b) 評估邊緣效應所採用之掃描路徑(左圖)，裂縫訊號與邊緣效應之影響(右圖)
四、結論
徒手式超音波檢測法和自動化渦電流檢測法已證實在實物模擬和現場實測皆可
行，盤緣端面上長3mm至6mm之裂縫可清楚地顯示在超音波B-scan影像當中，並且可用
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10. 單一的掃描器來檢測西屋式3號輪盤6R/7R級上之所有接合區域，而自動化渦電流檢測法
則可檢出外露於端面長1mm以下之裂縫，如果需要較高的檢測可靠度或評估壽命的話，
這兩種方法可相輔相成以作精確的判定。
另一方面，對於葉根處之隱藏式裂縫，實驗結果顯示我們可利用葉片的凸面來作為
掃描面，位於葉根凹面中央區域之D×L=2mm×5mm凹槽可被檢出，而在實際應用時探頭
之高度必須小於11mm以便嵌入葉片間之間隙中，對於靠近出汽側邊緣區域則可檢出
D×L=5mm×5mm大小之凹槽，以往最常被發現的裂縫是位於這個區域，因此列為必要的
檢查區，此處因間隙較大，所以在執行掃描時困難度較低，但因幾何形狀不利音波之故
會造成訊號之分辨不易。
誌 謝
本計畫之研發經費由台電公司所贊助，同時感謝電力修護處工作同仁之協助。
五、參考文獻
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Associates, Inc., EPRI CS-3675, Project RP 1266-24, Final Report, Nov. 1984.
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Examination of Low-pressure Turbine Disk Rims,” Materials Evaluation, Vol. 41, No.
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