烏東德水電站蝸殼800 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼焊縫的無損檢測(cè)

蔡正洪,殷學(xué)成,方 芳

(中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司,湖北 宜昌 443133)

0 前 言

烏東德水電站蝸殼是中國(guó)首次將800 MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用于制造水輪發(fā)電機(jī)組蝸殼的成功案例。制造安裝過程中，安裝難度大、焊接工藝要求高，目前尚無成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒。為確保焊縫質(zhì)量，一方面烏東德水電站參建各方精心研究焊接工藝，強(qiáng)化焊接全過程管理，針對(duì)蝸殼焊縫建立了全方位焊接質(zhì)量追溯制度，從源頭抓好焊縫質(zhì)量；另一方面高度重視焊縫的無損檢測(cè)，提高焊縫無損檢測(cè)比例，增加無損檢測(cè)方法，不留檢測(cè)死角。蝸殼焊縫施工單位需進(jìn)行100%TOFD探傷、100%超聲探傷、100%磁粉探傷，監(jiān)理和第三方檢測(cè)在施工單位檢測(cè)合格后進(jìn)行30%的無損檢測(cè)抽檢。本文對(duì)烏東德水電站蝸殼800 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼無損檢測(cè)要求、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)難點(diǎn)及改進(jìn)建議進(jìn)行全面總結(jié)，為今后類似工程施工提供借鑒。

1 蝸殼參數(shù)

烏東德水電站左右岸各安裝6臺(tái)862.1 MW機(jī)組，左岸蝸殼管節(jié)板厚27～68 mm，過渡板板厚70～115 mm，焊縫拼裝采用過流面對(duì)齊，右岸蝸殼管節(jié)板厚24～68 mm，過渡板板厚50～110 mm，焊縫拼裝采用板厚中心對(duì)齊，焊縫內(nèi)外表面余高磨平。

2 蝸殼焊縫的無損檢測(cè)

施工單位針對(duì)蝸殼焊縫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，報(bào)送無損探傷工藝，經(jīng)過參建各方試驗(yàn)驗(yàn)證，并由烏東德水電站工程建設(shè)部組織無損檢測(cè)專家多次會(huì)議討論，通過首臺(tái)機(jī)組蝸殼焊縫檢測(cè)總結(jié)完善后，制定了最終的無損檢測(cè)工藝。焊縫無損檢測(cè)程序?yàn)椋篢OFD→UT→MT。下面對(duì)3種無損檢測(cè)方法及改進(jìn)建議進(jìn)行介紹。

2.1 TOFD檢測(cè)

2.1.1蝸殼焊縫TOFD檢測(cè)要求

焊縫TOFD檢測(cè)采用NB/T 47013.10-2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》[1]，檢測(cè)技術(shù)B級(jí)，焊縫質(zhì)量等級(jí)Ⅰ級(jí)。探頭頻率5 MHz，直徑為6 mm，楔塊角度選用70°、60°或45°。板厚≤45 mm時(shí)，進(jìn)行單面不分區(qū)非平行掃查，共1次掃查；45 mm<板厚<50 mm時(shí)，進(jìn)行單面不分區(qū)非平行掃查和偏置非平行掃查，共3次掃查；50 mm≤板厚≤68 mm時(shí)，進(jìn)行單面2個(gè)分區(qū)非平行掃查和2次偏置非平行掃查，共4次掃查?？紤]現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)條件，橫向缺陷檢測(cè)由常規(guī)超聲檢測(cè)完成，發(fā)現(xiàn)橫向缺陷必要時(shí)進(jìn)行平行掃查[2]。

2.1.2蝸殼焊縫TOFD現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)難點(diǎn)

(1) 耦合效果差，主要有以下幾個(gè)原因： 一是蝸殼拼裝壓縫時(shí)造成探傷面凹凸不平；二是探傷面打磨不平整；三是打磨后產(chǎn)生的細(xì)小砂粒，特別是蝸殼底部過流面區(qū)域細(xì)小砂粒難以清理干凈。

(2) 單通道TOFD儀器進(jìn)行分區(qū)檢測(cè)時(shí)，采集數(shù)據(jù)走偏或板厚變化大，時(shí)間窗口極易發(fā)生改變，易造成分區(qū)覆蓋不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3) 焊縫余高磨平后，不能準(zhǔn)確找出焊縫中心線，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)不正確，從而造成焊縫缺陷漏檢或錯(cuò)判。

(4) 蝸殼蝶邊焊縫因板厚差大，為保證圖譜數(shù)據(jù)不丟失，需要將十字縫部位圓滑過渡。

2.1.3蝸殼焊縫TOFD檢測(cè)改進(jìn)建議

(1) 為保證焊縫探傷面的平整度，建議用電動(dòng)鋼絲刷或拋光片打磨。

(2) 對(duì)于50 mm≤板厚≤68 mm的蝸殼焊縫，特別是蝸殼焊縫頂部、底部區(qū)域及蝶邊焊縫，建議按三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TGPS.J《金屬結(jié)構(gòu)及機(jī)電設(shè)備超聲衍射時(shí)差法檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》[3]進(jìn)行雙面掃查，不做分區(qū)掃查。主要好處有：① 可以觀察缺陷在底面縱波反射與底面橫波反射之間的特征，給缺陷定性提供更多的判定依據(jù)；② 在缺陷較多的蝸殼底面和頂部區(qū)域，可減少缺陷漏檢；③ 可以減少單面掃查時(shí)掃查面盲區(qū)。

(3) 單面分區(qū)掃查時(shí)，優(yōu)先選用帶多通道TOFD儀器。若采用單通道TOFD儀器應(yīng)適當(dāng)將分區(qū)窗口設(shè)置加大，以避免分區(qū)檢測(cè)不能按標(biāo)準(zhǔn)要求覆蓋。

(4) 蝸殼合攏焊縫和蝶邊焊縫由于焊接應(yīng)力大，容易產(chǎn)生裂紋類缺陷， TOFD檢測(cè)宜做雙面掃查。

(5) 為改善耦合，提高圖譜采集質(zhì)量和效率，建議用水耦合，特別是砂粒較多的部位。

(6) 為掃查定位準(zhǔn)確，避免掃查位置偏移導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，造成缺陷漏檢或錯(cuò)判，TOFD檢測(cè)宜安排在焊縫余高打磨前進(jìn)行。

2.1.4蝸殼焊縫TOFD檢測(cè)實(shí)例分析

(1) 12號(hào)機(jī)蝸殼11/12管節(jié)環(huán)縫TOFD探傷發(fā)現(xiàn)2處條狀缺陷，長(zhǎng)度分別為38 mm 和97 mm，深度35～38 mm，缺陷圖譜見圖1。缺陷漏檢的原因:① 施工單位檢測(cè)人員在數(shù)據(jù)采集過程中對(duì)TOFD儀器上的圖譜未仔細(xì)觀察；② 采集完成后未在電腦上對(duì)圖譜進(jìn)行判讀。為避免此類錯(cuò)誤再次發(fā)生，要求TOFD圖譜判讀須在電腦上完成且由2個(gè)持證人員獨(dú)立進(jìn)行。

圖1 缺陷圖譜圖

圖2 缺陷圖譜圖

(2) 8號(hào)機(jī)蝸殼壓力鋼管與蝸殼環(huán)縫TOFD探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)1處長(zhǎng)度11 mm深8 mm的表面開口缺陷，缺陷圖譜見圖2。由于該缺陷只是引起直通波減弱未完全斷開，施工單位檢測(cè)人員未認(rèn)真分析TOFD探傷中直通波沿檢測(cè)面最短路徑傳輸，加之打磨并未完全將焊縫余高磨平，磁粉檢測(cè)未能發(fā)現(xiàn)這類表面開口缺陷，誤判為點(diǎn)狀缺陷而漏檢，缺陷返修照片見圖3。

圖3 缺陷返修照片

(3) 4號(hào)機(jī)蝸殼大舌板與蝸殼焊縫TOFD探傷發(fā)現(xiàn)1處長(zhǎng)度94 mm深58 mm的條狀缺陷，缺陷圖譜見圖4～6。施工單位焊縫對(duì)中掃描圖譜與圖6一致，由此判斷施工單位TOFD數(shù)據(jù)采集時(shí)因焊縫中心定位偏離，導(dǎo)致圖譜數(shù)據(jù)不正確，將條狀缺陷判定為點(diǎn)狀缺陷導(dǎo)致了缺陷漏檢。

圖4 焊縫對(duì)中掃查圖譜

圖5 焊縫左偏掃圖譜

圖6 焊縫右偏掃圖譜

2.2 超聲檢測(cè)

2.2.1蝸殼焊縫超聲檢測(cè)要求

焊縫超聲檢測(cè)采用ASME BPVC-Ⅴ-2017 《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范》國(guó)際性規(guī)范中焊縫超聲波檢驗(yàn)方法[4]。焊縫質(zhì)量符合ASME BPVC-Ⅷ-2017《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范》中強(qiáng)制性附錄12 焊縫的超聲波檢驗(yàn)[5]。焊縫超聲需做雙面雙側(cè)雙探頭檢測(cè)，橫向缺陷檢測(cè)選用平行或斜平行掃查。探頭頻率2～2.5 MHz，K值(或角度)K2.5、K2、K1(70°、60°、45°)。

2.2.2蝸殼焊縫超聲檢測(cè)難點(diǎn)

(1) 焊縫超聲檢測(cè)難點(diǎn)是蝸殼管節(jié)與過渡板的蝶邊焊縫、蝸殼管節(jié)與大舌板焊縫，焊縫兩側(cè)板厚差大，差值達(dá)50 mm，且過渡板、大舌板均有厚度削薄過渡區(qū)，削薄寬度50mm左右且打磨不平整，探頭移動(dòng)寬度受限，焊縫全覆蓋檢測(cè)困難[6]。

(2) 蝸殼焊縫余高打磨后凹凸不平，橫向缺陷超聲平行掃查時(shí)耦合效果差，斜平行掃查檢出率低，容易造成缺陷漏檢。

2.2.3蝸殼焊縫超聲檢測(cè)改進(jìn)建議

(1) 對(duì)ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范中超聲檢測(cè)比較普遍的理解是采用直射法檢測(cè)，而不用1次反射法檢測(cè)。但由于焊縫缺陷方向的原因，部分缺陷的1次反射法比直射法(包括另1個(gè)檢測(cè)面直射法)波高。為減少缺陷漏檢，在蝸殼焊縫超聲檢測(cè)時(shí)，條件具備時(shí)宜增加1次反射法檢測(cè)。

(2) 蝸殼焊縫橫向缺陷檢測(cè)最好安排在焊縫余高磨平后選用平行掃查，焊縫超聲探傷評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)將合格標(biāo)準(zhǔn)提高6 dB。

2.3 磁粉檢測(cè)

2.3.1蝸殼焊縫磁粉檢測(cè)要求

蝸殼焊縫磁粉檢測(cè)采用ASME BPVC-Ⅴ-2017 《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范》國(guó)際性規(guī)范中磁粉檢驗(yàn)。焊縫質(zhì)量符合ASME BPVC-Ⅷ-2017《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范》中強(qiáng)制性附錄6 磁粉檢測(cè)法。焊縫余高打磨平整后，采用交叉磁軛或交流電磁軛連續(xù)法，根據(jù)焊縫探傷面與磁軛面接觸情況優(yōu)先選擇交叉磁軛法。磁粉用非熒光，磁懸液可用磁粉配制或磁懸液噴灌。為了更好觀察磁痕顯示，可在焊縫表面噴涂反差增強(qiáng)劑[7]。

2.3.2蝸殼焊縫磁粉檢測(cè)需要注意的問題

焊縫外觀檢測(cè)及修補(bǔ)應(yīng)在磁粉探傷之前完成，在左、右岸蝸殼焊縫施工單位磁粉檢測(cè)完成后均有焊縫外觀檢查不合格修補(bǔ)現(xiàn)象，第三方抽檢時(shí)在補(bǔ)焊部位發(fā)現(xiàn)深度1～2 mm淺表橫向裂紋。

3 結(jié) 語

經(jīng)過1 a的努力，2018年底完成全部12臺(tái)機(jī)組蝸殼焊縫的無損檢測(cè)。與三峽、向家壩、溪洛渡水電站相比，烏東德水電站蝸殼焊縫主要是增加了TOFD檢測(cè)比例，由局部抽檢提高100%檢測(cè)。采用800 MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼板的蝸殼焊縫無損檢測(cè)一檢合格率均大于98%，TOFD圖譜除在蝸殼底部和頂部仰焊區(qū)域未超標(biāo)點(diǎn)狀較多外均只有很少的點(diǎn)狀缺陷。3種無損檢測(cè)方法相互補(bǔ)充相互驗(yàn)證，確保蝸殼焊縫質(zhì)量。