汽輪機組焊接轉(zhuǎn)子焊縫無損檢測技術(shù)的探析

王佰昱

摘要：汽輪機轉(zhuǎn)子是發(fā)電機組核心部件，目前汽輪機轉(zhuǎn)子主要分為：整鍛轉(zhuǎn)子、套轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子和焊接轉(zhuǎn)子。焊接轉(zhuǎn)子因在制作過程中會采用大量焊接工藝而得名。本文將根據(jù)焊接轉(zhuǎn)子的技術(shù)特征，介紹目前焊接轉(zhuǎn)子焊縫的檢測技術(shù)發(fā)展情況和未來發(fā)展趨勢。

Abstract： Steam turbine rotor is the core component of generator set. At present， steam turbine rotor is mainly divided into： integral forging rotor， sleeve rotor and welding rotor. The welding rotor is named after a large number of welding processes used in the manufacturing process. In this paper， according to the technical characteristics of the welded rotor， the development situation and future development trend of welding rotor weld inspection technology are introduced.

關(guān)鍵詞： 汽輪機轉(zhuǎn)子;焊接轉(zhuǎn)子;無損檢測

Key words： turbine rotor;welded rotor;NDT

中圖分類號：TM621.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0147-02

1? 汽輪機組焊接轉(zhuǎn)子的發(fā)展

火力發(fā)電依靠煤燃燒加熱產(chǎn)生的高溫高壓水蒸氣推動汽輪機組的轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動來帶動發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動進行發(fā)電。汽輪機轉(zhuǎn)子需在高溫高壓的環(huán)境下進行高速轉(zhuǎn)動，對汽輪機轉(zhuǎn)子材質(zhì)，鍛造水平有著極高的要求。目前汽輪機轉(zhuǎn)子按照制作方法分為：整鍛轉(zhuǎn)子、套裝轉(zhuǎn)子和焊接轉(zhuǎn)子。整鍛轉(zhuǎn)子就是整體鍛造，汽輪機轉(zhuǎn)子重量一般都在幾十上百噸，這種大型設(shè)備的整體鍛造對鍛造設(shè)備、鍛造技術(shù)都有著非常高的要求;套裝轉(zhuǎn)子是通過熱套工藝將轉(zhuǎn)子和輪盤裝配在一起的轉(zhuǎn)子，不過這種工藝制作的套轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子在高溫高壓的工作環(huán)境下葉輪軸套易松動;焊接轉(zhuǎn)子是將轉(zhuǎn)子分段鍛造，鍛造完成后進行焊接，焊接轉(zhuǎn)子與整鍛轉(zhuǎn)子相比，鍛造難度小，于套轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子比又相對穩(wěn)定，而且焊接轉(zhuǎn)子的空腔結(jié)構(gòu)，質(zhì)量相對較輕，發(fā)電效率更高，熱能損耗低[3]。

1930年，世界上第一根焊接轉(zhuǎn)子由ALSTOM制作完成。第一根焊接轉(zhuǎn)子制作完成后因其相對簡單的制作工藝，焊接轉(zhuǎn)子在世界各地的機組得到了廣泛的應(yīng)用。世界各國在對焊接轉(zhuǎn)子廣泛應(yīng)用的同時，也在不斷進行焊接轉(zhuǎn)子新技術(shù)的探索和革新。20世紀(jì)60年代，德國西門子公司（Siemens，Germany）利用CrMoV + NiCrMoV鋼作為焊機轉(zhuǎn)子構(gòu)件的原材料為Westalen發(fā)電廠設(shè)計制作了一根175 MW的焊接轉(zhuǎn)子[1]。這次焊接轉(zhuǎn)子首先在坡口上采用了與以往大不相同的窄間隙U型坡口設(shè)計，焊接工藝上也擯棄了原先大量人工電弧焊，采用自動氬弧焊（TIG）工藝方法。這種新的焊接轉(zhuǎn)子焊接工藝的出現(xiàn)，大大緩解了之前焊接轉(zhuǎn)子制作過程中存在的制作效率低，經(jīng)濟效益差等諸多問題，將焊接轉(zhuǎn)子的發(fā)展帶入了一個新的臺階。隨著材料技術(shù)的不斷發(fā)展，同種鋼和異種鋼被應(yīng)用到焊接轉(zhuǎn)子中，意大利（Italy）的汽輪機轉(zhuǎn)子制作公司利用引進ABB的焊接技術(shù)進行現(xiàn)代化的焊接轉(zhuǎn)子制作，這種焊接制作技術(shù)仍是目前主要制作技術(shù)。

近年來，公眾環(huán)境保護意識的不斷提高，淘汰污染大容量小發(fā)展參數(shù)高，裝機容量大的火力發(fā)電機組已成為目前發(fā)展趨勢。我國從20世紀(jì)50年代就開始進行焊接轉(zhuǎn)子的制造和研究，經(jīng)過60多年的發(fā)展，我國在焊接轉(zhuǎn)子領(lǐng)域有著極強的技術(shù)積累。目前，高參數(shù)、高容量的發(fā)電機組整鍛汽輪機轉(zhuǎn)子鍛造技術(shù)要求高，造價昂貴，針對我國現(xiàn)狀，焊接轉(zhuǎn)子又回到人們視野中來。

2? 汽輪機組焊接轉(zhuǎn)子焊接技術(shù)和無損檢測

2.1 轉(zhuǎn)子材料

在汽輪機組轉(zhuǎn)子發(fā)展早期，汽輪機轉(zhuǎn)子鍛造件主要材料為17CrMo1V。鍛造件強度較低，韌性差，在轉(zhuǎn)子高速運轉(zhuǎn)中存在較大缺陷。隨著鍛造、冶煉技術(shù)的不斷發(fā)展，對鍛造件中微量元素P、Cr、Ni、Sb的控制越來越細致，質(zhì)量越來越高的材料開始應(yīng)用到轉(zhuǎn)子鍛造中。轉(zhuǎn)子材料的不斷升級，焊接轉(zhuǎn)子的焊接工藝也需要不斷升級。目前，焊接轉(zhuǎn)子不同鍛造件在焊接前均需要進行調(diào)質(zhì)處理，通過這種調(diào)質(zhì)處理來保證材料的力學(xué)性能和抗應(yīng)力腐蝕性能都能達到要求，但在焊接接頭方面，因為這種處理導(dǎo)致的材質(zhì)各區(qū)域的各項性能不均勻，容易在焊接過程中對整個區(qū)域造成質(zhì)量缺陷，焊接成為了焊接轉(zhuǎn)子質(zhì)量控制的關(guān)健[2]。

2.2 焊接工藝

2.2.1 焊接坡口

焊接坡口的設(shè)計是保證焊接質(zhì)量的第一步，坡口的設(shè)計要充分考慮焊接過程中收縮應(yīng)力分布和效率。焊接轉(zhuǎn)子是由小的轉(zhuǎn)子鍛造件一件件焊接而成，內(nèi)部會形成型腔，焊接完成后發(fā)面不能進行清根，所以需要采用單面焊雙面成型的工藝。為了達到工藝要求，保證根部焊縫融透，減少根部應(yīng)力，焊接轉(zhuǎn)子早期均采用上寬下窄的坡口設(shè)計。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展進步，自動化窄間隙方式越來越被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域。自動化窄間隙顧名思義其焊接坡口非常窄，類似于“U”型結(jié)構(gòu)，整個坡口寬度遠遠小于原先上寬下窄的坡口，這樣不僅減少焊接面積，降低問題發(fā)生率的同時也減少了焊接工作量，提高了經(jīng)濟效益[4]。

2.2.2 焊接工藝

在現(xiàn)有技術(shù)條件下，焊接轉(zhuǎn)子主要有以下幾種方法：

①全部采用焊條電弧焊;

②打底用氬弧焊，再用埋弧焊蓋面;

③焊條電弧焊打底，埋弧焊蓋面。

焊條電弧焊主要有人工操作完成，這種人工焊接受人工因素影響大，質(zhì)量情況難以把控，生產(chǎn)效率相對較低，勞動強度相對較大。而隨著技術(shù)發(fā)展，采用機器進行的氬弧焊和埋弧焊的焊接質(zhì)量已經(jīng)能滿足轉(zhuǎn)子質(zhì)量要求，而且焊接效率高，經(jīng)濟效益也明顯優(yōu)于人工，因此一般選擇第二種方式進行焊接轉(zhuǎn)子的焊接。

2.2.3 焊接轉(zhuǎn)子質(zhì)量控制

焊接技術(shù)經(jīng)過長時間發(fā)展，焊接質(zhì)量控制體系已經(jīng)相當(dāng)成熟，目前普遍的焊接質(zhì)量管理模式中，焊接轉(zhuǎn)子質(zhì)量控制主要從焊接前的把控，焊接過程中的檢查，焊接后檢測三個方面進行焊接質(zhì)量把控。

焊接前，需要對“人、機、料、法、環(huán)”這四個環(huán)節(jié)進行全方面把控?！叭恕笔菍附硬僮魅藛T、焊接檢測人員資格技能進行考核和認(rèn)定，保證各個環(huán)節(jié)操作人員具備作業(yè)能力和資格;“機”是對焊接作業(yè)和檢測過程中的機器進行檢查，相關(guān)檢測設(shè)備檢測能力進行校驗，保證參與焊接的機器設(shè)備無故障，無誤差;“料”是對焊接部件材質(zhì)、焊條型號等材料進行核對，保證部件材質(zhì)符合規(guī)定，焊條規(guī)格的選擇無問題;“法”是焊接前對焊接方法的推敲和認(rèn)證，焊接過程中各種情況都有相應(yīng)的預(yù)案;“環(huán)”是對作業(yè)環(huán)境的要求，焊接部件是否已處于可以作業(yè)的狀態(tài)，外部環(huán)境能否滿足作業(yè)需求[2]。

焊接時，要實時進行監(jiān)督檢查。監(jiān)督操作人員是否按照焊接前已經(jīng)認(rèn)證過的焊接方法進行作業(yè)，焊接作業(yè)環(huán)境是否符合要求，對焊條等焊接材料存放環(huán)境進行檢查，保證存放環(huán)境符合要求。對焊接過程中發(fā)生的問題第一時間了解，并根據(jù)實際情況出具解決方案。

焊接完成后，整個焊接質(zhì)量控制就進入最后環(huán)節(jié)，焊縫的檢測。目前，焊縫的檢測方式大都采用對焊縫和材料沒有損傷的無損檢測方式。焊縫檢測方式的選擇主要跟焊件材料、構(gòu)造件用途和技術(shù)要求有關(guān)，焊縫檢測成為了焊接質(zhì)量控制最后一環(huán)。

2.3 焊接轉(zhuǎn)子焊縫無損檢測

無損檢測是指在不破壞被檢測對象使用性能和內(nèi)部組織的前提下，根據(jù)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)引起的熱、聲、光、電、磁等反應(yīng)的變化，以物理或化學(xué)方法為手段，借助現(xiàn)代化的技術(shù)和設(shè)備器材，對試件內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)及缺陷及其變化進行檢查和測試的方法。根據(jù)檢測深度，無損檢測可分為：表面檢測、近表面檢測和內(nèi)部檢測。焊接轉(zhuǎn)子檢測根據(jù)實際情況進行檢測方式選擇[3]。

表面檢測是針對材料表面的損傷進行檢測，主要檢測方式為液體滲透檢測（PT），通過對材料涂抹具備較強滲透力的檢測試劑，將材料表面存在的一些缺項顯現(xiàn)出來。這種檢測方式方便，應(yīng)用范圍廣，但是該檢測方式對一些封閉型材料無作用，同時對材料內(nèi)部的缺陷也無檢測能力。

近表面檢測是對材料表面、近表面損傷進行檢測，主要檢測方式有磁粉檢測（MT），熱像/紅外（TIR）檢測等。磁粉檢測（MT）利用材料缺陷磁場不全會產(chǎn)生聚集效應(yīng)，將缺陷放大，并用磁痕這種可見方式呈現(xiàn)出來，但是磁粉檢測主要適用于具有磁性的材料。熱像/紅外（TIR）檢測主要是根據(jù)材料缺陷區(qū)域與無缺陷區(qū)域熱傳導(dǎo)能力不同，加熱過程中不同區(qū)域溫度不一樣的特性，將材料存在缺陷部分顯現(xiàn)出來，不過熱像/紅外（TIR）檢測設(shè)備昂貴，對檢測材料導(dǎo)熱性有一定要求，適用性不強。

內(nèi)部檢測是對材料內(nèi)部缺陷進行檢測的一種方式，主要檢測方法有：射線照相檢驗（RT）、超聲檢測（UT）[1]。射線照相檢驗（RT）是利用射線在缺陷區(qū)域和正常區(qū)域穿透性能不同對檢測材料進行檢測。但射線對人體輻射傷害，且穿透能力有限，使其不能大規(guī)模的使用，因此，射線照相檢驗（RT）應(yīng)用范圍受到制約。超聲檢測（UT）通過對檢測材料發(fā)射超聲波，利用缺陷位置對超聲波傳播路徑及能量的改變，以檢查出材料中的缺陷區(qū)域及當(dāng)量尺寸。目前，由于超聲波技術(shù)的快速發(fā)展，超聲檢測（UT）在無損檢測中發(fā)揮著越來越重要的作用。

2.4 焊接轉(zhuǎn)子檢測的發(fā)展方向

隨著現(xiàn)在超聲成像技術(shù)的發(fā)展，能用直觀立體三維成像呈現(xiàn)檢測內(nèi)容的超聲檢測方式將會是焊接檢測的發(fā)展趨勢。超聲波技術(shù)發(fā)展，超聲成像技術(shù)的應(yīng)用，將大大改善目前無損檢測技術(shù)中存在的：檢測環(huán)境制約，檢測問題不明朗，對檢測構(gòu)件檢測前表面光滑度有要求等各方面不足和缺陷。此外，超聲波技術(shù)、超聲成像技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將極大推進相關(guān)設(shè)備智能化、自動化發(fā)展速度，自動化、智能化設(shè)備的應(yīng)用也將大大提高檢測效率。

3? 結(jié)語

汽輪機組作為火力發(fā)電的核心構(gòu)件，其發(fā)展一直受到了公眾關(guān)注，我國也一直努力在進行汽輪機組設(shè)備國產(chǎn)化。汽輪機焊接轉(zhuǎn)子是汽輪機轉(zhuǎn)子的重要組成部分，焊接轉(zhuǎn)子的高經(jīng)濟性、低能耗等特質(zhì)讓焊接轉(zhuǎn)子成為目前火電設(shè)備發(fā)展的一個重要方向，本文對焊接轉(zhuǎn)子發(fā)展歷程分析，焊接技術(shù)的介紹，焊接轉(zhuǎn)子無損檢測技術(shù)分析和展望，對焊接轉(zhuǎn)子檢測技術(shù)發(fā)展和研究有重要的參考價值。

參考文獻：

[1]吳海峰，李勃，熊建坤，牛靖，曹天蘭，張建勛，楊林，徐健，許德星.汽輪機12Cr/30Cr2Ni4MoV異質(zhì)焊接轉(zhuǎn)子接頭組織與韌性研究[J].電焊機，2020，50（02）：35-40.

[2]單春蕾，劉曉睿，嚴(yán)海，童忠貴.PAUT在核電焊接轉(zhuǎn)子在役檢查中的應(yīng)用研究[J].無損探傷，2019，43（04）：13-16.

[3]雷陳，熊建坤，冷進明.大型汽輪機焊接轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力及變形分析[J].電焊機，2018，48（09）：66-70.

[4]孫立江，杜必強，蔡文河，劉建屏，馬延會，郝金松，張坤.汽輪機組焊接轉(zhuǎn)子焊縫無損檢測技術(shù)研究綜述[J].華北電力技術(shù)，2016（08）：62-66.