白鶴灘水輪機座環(huán)焊縫的無損檢測工藝技術(shù)

趙 亮，初冬清，王 磊，關(guān) 帥，井水益

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

白鶴灘水輪機組座環(huán)按照四瓣進(jìn)行裝焊，座環(huán)整體重量505 t，特殊瓣重量約145 t，其他瓣重量約120 t，座環(huán)高3.96 m，最大外圓直徑尺寸20.5 m。座環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 白鶴灘水輪機座環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

首臺座環(huán)從2016年4月26日開始投料生產(chǎn)，歷時1年半。從總體要求到設(shè)計、原材料、焊接工藝、后期加工[1]，質(zhì)檢人員嚴(yán)格把控、精益求精。尺寸公差范圍比現(xiàn)行國家設(shè)計、制造標(biāo)準(zhǔn)縮小了一半，產(chǎn)品無損檢測質(zhì)量控制比圖紙標(biāo)準(zhǔn)、工藝要求更加嚴(yán)苛。

為保證座環(huán)質(zhì)量[2]，外表尺寸需要達(dá)到精準(zhǔn)，部件間焊接及工件坡口質(zhì)量需要多種無損檢測方法進(jìn)行檢測。

1 巨型座環(huán)質(zhì)量風(fēng)險分析

座環(huán)由環(huán)板、固定導(dǎo)葉、過渡段、下圍板、基礎(chǔ)法蘭、下法蘭及錐段等部件焊接組成，它既是機組的基礎(chǔ)埋件，又是機組通流部件的組成部分。

座環(huán)上、下環(huán)板材料采用SXQ500D-Z35，厚度260 mm，針對性開發(fā)的500 MPa級大厚度高強Z向抗撕裂鋼板[3]，具有良好的強韌性及均質(zhì)性匹配，機械性能好的特點。

固定導(dǎo)葉材料采用ASTM A668 Class E，普通瓣厚度15～236 mm、特殊瓣厚度15～267 mm。其體積大、重量重，為變厚度的弧面形態(tài)的鍛件用鋼。

過渡段材料主要采用SX610CF，屬于低裂紋高強度敏感性鋼，具備較高強度和低溫沖擊韌性；其他材料采用Q345B。

上、下環(huán)板大厚度的對接焊縫；固定導(dǎo)葉與環(huán)板、過渡段與環(huán)板不同材質(zhì)進(jìn)行組焊且呈一定角度的T型焊縫；過渡段呈一定角度的對接焊縫；下圍板與下環(huán)板、下法蘭、基礎(chǔ)法蘭進(jìn)行組焊的三條T型焊縫；錐段與下法蘭同材質(zhì)帶有一定角度的T型焊縫。針對上述焊縫，若焊接工藝操作不當(dāng)，在其內(nèi)部易形成夾渣、氣孔、未熔合和裂紋類等焊接缺陷。

由于運輸?shù)某叽缫?，座環(huán)分為四瓣，最后在白鶴灘水電站現(xiàn)場進(jìn)行組裝焊接成型。四瓣分瓣座環(huán)焊縫采用大鈍邊非全焊透的方式進(jìn)行焊接(如圖2所示)。針對以上結(jié)構(gòu)分析，焊接過程中，大鈍邊非全焊透坡口附近極易產(chǎn)生線性缺陷。

圖2 分瓣座環(huán)截面示意圖

要保證座環(huán)各個工序焊縫缺陷的有效檢出，滿足精品座環(huán)質(zhì)量[4]要求：坡口滲透檢測時，需使用靈敏度較高的滲透劑；精磨后，部分焊縫的磁粉檢測需使用靈敏度較高的濕法熒光磁懸液；焊縫超聲波檢測時，需使用不同晶片尺寸、不同K值的探頭從不同方位進(jìn)行全方位的掃查。

2 無損檢測工藝基本參數(shù)

2.1 人員資格

無損檢測人員資格應(yīng)符合國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 9712《無損檢測人員資格鑒定與認(rèn)證》的相關(guān)要求，且應(yīng)符合以下要求之一：

(1) 持有中國機械工程學(xué)會無損檢測學(xué)會Ⅱ級及以上資格證書；

(2) 持有國家勞動人事部門頒發(fā)的鍋爐壓力容器無損檢測Ⅱ級及以上資格證書；

(3) 持有ASNT Level Ⅱ級及以上資格證書。

2.2 檢測時機與方法標(biāo)準(zhǔn)

有無損檢測要求的焊縫，應(yīng)在焊接完成24 h后進(jìn)行檢測，無損檢測標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程要求如下：

(1) 滲透檢測(PT) 符合ASME/Ⅷ-APP8標(biāo)準(zhǔn)要求，規(guī)程滿足ASME/Ⅴ-6相關(guān)要求；

(2) 磁粉檢測(MT) 符合ASME/Ⅷ-APP6標(biāo)準(zhǔn)要求，規(guī)程滿足ASME/Ⅴ-7相關(guān)要求；

(3) 超聲波檢測(UT) 符合ASME/Ⅷ-APP12標(biāo)準(zhǔn)要求，規(guī)程滿足ASME/Ⅴ-4相關(guān)要求；

(4) 衍射時差法超聲檢測(TOFD) 符合DL/T 330《水電水利工程金屬結(jié)構(gòu)及設(shè)備焊接接頭衍射時差法超聲檢測》合格等級Ⅱ級的要求。

2.3 超聲波檢測參數(shù)選取

(1) 儀器和探頭選取

采用A型脈沖反射式超聲檢測儀，其工作頻率按-3dB測量應(yīng)至少包括0.5～10 MHz頻率范圍，各性能的測試條件和指標(biāo)要求應(yīng)滿足相應(yīng)要求。

推薦使用探頭如下：2.5P20D、B2S、2.5P13x 13K1/K2、2.5P20X22A45/A60、WB45-2、WB60-2等。

(2) 靈敏度確定

標(biāo)準(zhǔn)試塊：IIW試塊；

對比試塊：ASME-1#～7#系列試塊，如表1。

表1 對比試塊表 單位：mm

2.4 其他檢測參數(shù)選取

(1) 磁粉檢測參數(shù)選取

磁粉儀器MP-A 2L等型號的交流儀器，靈敏度試片A1：30/100型標(biāo)準(zhǔn)試片或磁場指示器。

(2) 液體滲透檢測參數(shù)選取

滲透液型號：H-ST系列、DPT-5系列等同組滲透液，靈敏度試塊B型試塊。

3 分瓣座環(huán)焊縫無損檢測工藝

3.1 上、下環(huán)板拼焊焊縫無損檢測工藝

上、下環(huán)板260 mm拼焊焊縫需進(jìn)行清根后的PT檢測、焊態(tài)表面的MT檢測、100%UT斜探頭檢測(如圖3所示)及TOFD檢測(如圖4所示)。需要注意的是，由于環(huán)板拼焊為大厚度工件焊縫，需在焊接工序焊縫焊滿至2/3處增加一道UT檢測，以防止造成不必要的焊接缺陷返修。

圖3 上、下環(huán)板焊縫UT、MT視圖

圖4 上、下環(huán)板焊縫TOFD視圖

3.2 固定導(dǎo)葉與環(huán)板焊縫無損檢測工藝

固定導(dǎo)葉與環(huán)板T型焊縫需在焊后的2/3焊縫工序(如圖5所示)進(jìn)行UT與PT檢測，平口焊態(tài)工序、打磨成圓R工序、退火后工序需進(jìn)行100%UT檢測(如圖6所示)，退火后打磨工序進(jìn)行MT檢測，在對座環(huán)分瓣面進(jìn)行打磨工序時，要求各個分瓣面處的焊縫應(yīng)打磨平順，過流面焊縫打磨光滑至Ra6.3。

圖5 葉片與環(huán)板2/3焊縫UT視圖

圖6 葉片與環(huán)板焊縫UT視圖

(1) 焊后2/3焊縫工序的無損檢測

固定導(dǎo)葉與環(huán)板焊接至2/3焊縫時，需停止施焊對其進(jìn)行UT和PT檢測。目的是防止由于焊接工藝操作不當(dāng)，清根焊縫未清除干凈，造成大厚度鋼鍛件K型坡口中間位置產(chǎn)生焊接缺陷，給后續(xù)焊接返修增加不必要的工作量。因此在此道工序處增加一遍檢測工序，利用直探頭從環(huán)板母材面的有效施焊面積內(nèi)進(jìn)行全覆蓋掃查，檢測是否產(chǎn)生不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的面積型缺陷；利用斜探頭從焊縫兩側(cè)進(jìn)行全位置掃查，使得K型坡口中間位置橫向缺陷與縱向缺陷完全檢出。為保證接下來施加焊接的穩(wěn)定性，也需在此道工序焊縫處進(jìn)行PT檢測，防止由于清根不當(dāng)引起夾渣、未熔合等焊接缺陷，確保此道工序的焊接質(zhì)量。

(2) 焊后平口焊態(tài)工序的超聲波檢測

固定導(dǎo)葉與環(huán)板焊縫焊角形成前，即焊縫焊后平口焊態(tài)工序經(jīng)過消氫處理后，用多種角度探頭對焊縫進(jìn)行全面檢測。采用直探頭從環(huán)板母材面的有效焊縫面積內(nèi)進(jìn)行全覆蓋掃查，檢測是否產(chǎn)生不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的面積型缺陷。采用斜探頭從焊縫兩側(cè)進(jìn)行全位置掃查，確保焊縫內(nèi)部無危害性缺陷的存在。

此工序存在危害性缺陷的可能性較高，需無損檢測人員精細(xì)檢測。值得關(guān)注的部位是環(huán)板與固定導(dǎo)葉排水口處100 mm范圍內(nèi)，非常容易出現(xiàn)危害性缺陷(裂紋、未熔合等)，原因是此處工件結(jié)構(gòu)和位置所致。此外，由于固定導(dǎo)葉為變厚度的弧面形態(tài)結(jié)構(gòu)，在此曲面結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的檢測，特別考驗檢測人員對不同探頭類型選取的檢測工藝要求。

(3) 焊后打磨圓R工序的超聲波檢測

焊后打磨圓R工序的超聲波檢測是在滿足焊后過渡焊態(tài)工序檢測工藝的前提下進(jìn)行的。值得注意的是利用不同類型斜探頭在一側(cè)進(jìn)行檢測時，需重點關(guān)注另一側(cè)圓滑過渡處內(nèi)部的缺陷。此道檢測工序進(jìn)行直探頭的超聲縱波檢測時，也需重點關(guān)注焊縫過渡區(qū)域的檢測。

3.3 分瓣座環(huán)焊縫無損檢測工藝

(1) 相關(guān)焊縫焊后工序的超聲波檢測

過渡段焊縫是呈一定角度的對接焊縫，超聲波檢測采用斜探頭從焊縫兩側(cè)進(jìn)行全位置掃查。由于過渡段焊縫結(jié)構(gòu)所致，UT檢測過流面焊縫側(cè)表面盲區(qū)較大，進(jìn)行MT檢測可確保焊縫表面及其近表面的質(zhì)量。

過渡段與環(huán)板焊縫是呈一定角度的T型縫，超聲波檢測需在過渡段兩側(cè)采用斜探頭進(jìn)行焊縫的全位置掃查。

下圍板與下環(huán)板、下法蘭為兩條T型縫，超聲波檢測需分別在下圍板兩側(cè)、下法蘭兩側(cè)采用斜探頭進(jìn)行焊縫的全位置掃查。

錐段與下法蘭是呈一定角度的T型縫，超聲波檢測需在錐段兩側(cè)采用斜探頭進(jìn)行焊縫的全位置掃查。

(2) 分瓣座環(huán)退火后焊縫的無損檢測

分瓣座環(huán)退火后工序需對座環(huán)進(jìn)行最終的焊縫UT和MT檢測，UT檢測探頭的工藝選取參照退火前，值得關(guān)注的是所有焊縫退火后的MT檢測，特別是固定導(dǎo)葉與環(huán)板焊縫需進(jìn)行100%MT檢測，確保表面及近表面無裂紋、咬邊等線性缺陷的存在。

3.4 巨型座環(huán)工地現(xiàn)場焊縫無損檢測工藝

分瓣座環(huán)整體退火后焊縫無損檢測合格后，需對座環(huán)分瓣面各個坡口進(jìn)行100%PT檢測，以防四瓣座環(huán)吊裝至工地現(xiàn)場進(jìn)行組裝與掛裝蝸殼時存在坡口質(zhì)量問題。圖2中，坡口為帶有大鈍邊結(jié)構(gòu)，黑色實線代表焊接位置。

四瓣座環(huán)采用定位塊連接，滿足工件組裝平整度要求后，按照焊接工藝守則進(jìn)行焊接，焊接完成后對分瓣間焊縫進(jìn)行UT及MT檢測。由于分瓣座環(huán)坡口間為帶有鈍邊的結(jié)構(gòu)形式，UT檢測選擇斜探頭進(jìn)行全位置掃查，其中2.5P13x13K1/K2兩種斜探頭對掃查面鈍邊以上施焊部位進(jìn)行全位置掃查，2.5P20X22A45/A60或WB45-2、WB60-2兩種斜探頭對掃查面鈍邊以下施焊部位進(jìn)行全位置掃查。由于UT檢測存在盲區(qū)影響，需以MT檢測進(jìn)行輔助檢測表面及近表面焊接缺陷，以確保工地焊縫質(zhì)量達(dá)到精品要求。

4 結(jié)論

白鶴灘水電站右岸座環(huán)無損檢測工藝，通過了首臺座環(huán)生產(chǎn)的全過程的實踐檢驗。檢測結(jié)果滿足了白鶴灘精品機組的要求，充分證明了其無損檢測工藝能夠滿足座環(huán)質(zhì)量的需要，同時也表明在不同工序上所確定的不同檢測方案是合理的，能夠達(dá)到對缺陷的完全檢出。

在業(yè)主、監(jiān)理方的共同見證下，哈電白鶴灘百萬機組首臺座環(huán)順利通過驗收。