1 000 MW水輪機蝸殼焊縫的TOFD檢測技術應用

趙 亮，薛興月，王 磊，關 帥，井水益，初冬清

(哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040)

0 引言

白鶴灘水電站裝機總容量世界第二，在建規(guī)模、單機容量世界第一，右岸地下廠房布置的8臺單機容量1 000 MW的水輪發(fā)電機組由哈爾濱電機廠有限責任公司承建，是世界水電發(fā)展史上首次采用1 000 MW的水輪機組。1 000 MW機組為中高水頭、中低轉速、巨型混流式水輪發(fā)電機組，不僅運行水頭高、水頭變幅范圍廣，而且結構外形尺寸巨大，其中水頭高達200多米，機組所要承受的荷載更大、運行條件更加嚴苛。

大型水電站機組蝸殼焊縫的無損檢測常采用超聲波檢測(UT)和射線檢測(RT)。然而，常規(guī)超聲波檢測結果不能直觀保存、缺陷特征評價信息受人員主觀因素影響較大；射線檢測工作量大、工期長，對環(huán)境具有輻射作用還有檢測靈敏度相對較低、局部空間受限等缺點。近年來，衍射時差法超聲檢測(TOFD)[1]由于不受缺欠指向性的限制、檢測結果更為直觀、檢測精度高于常規(guī)超聲檢測精度且可進行數(shù)字化存儲，無射線輻射、檢測速度快、缺欠深度測量準確等優(yōu)勢。TOFD發(fā)展速度極快，在各個行業(yè)取得了廣泛的應用。

1 1 000 MW水輪機組蝸殼簡介

蝸殼是混流式水輪機組埋入部分的引水部件，與引水壓力鋼管和尾水管相連，位于水輪機最外層，從四周包圍著座環(huán)，并與座環(huán)的上、下過渡板相連接，水流以較小的水頭損失，均勻對稱地引向導水機構，形成環(huán)流后再進入轉輪，保證轉輪工作時始終浸入水中。蝸殼裝配結構示意圖如圖1所示。

圖1 蝸殼結構示意圖

白鶴灘水電站右岸機組蝸殼最大直徑8.6 m，總重615.2 t，由30節(jié)管節(jié)現(xiàn)場拼焊而成，管節(jié)板材厚度t=43～97 mm，蝸殼制作材料采用800 MPa級高強鋼材質[2]，是行業(yè)內首次將800 MPa級低合金高強鋼大批量應用于1 000 MW級混流式水輪機組制造中。

800 MPa級高強鋼含碳量相當大，具有焊接裂紋敏感系數(shù)高，低溫沖擊性能要求高，焊接難度大等特點。

2 蝸殼無損檢測技術方法介紹

2.1 檢測時機與方法標準

蝸殼焊縫應在焊接完成48 h后進行檢測，所有焊縫進行100%UT無損檢測，加100%MT或PT無損檢測，對所有的縱縫(不等厚對接接頭)及T形焊縫進行100%TOFD無損檢測。無損檢測驗收標準如下：

(1) 超聲波檢測(UT)GB/T 11345《焊縫無損檢測 超聲檢測 技術、檢測等級和評定》，檢測等級B級，合格等級Ⅰ級。

(2) 磁粉檢測(MT)NB/T 47013.4《承壓設備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》，合格等級Ⅱ級。

(3) 滲透檢測(PT)NB/T 47013.5《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》，合格等級Ⅱ級。

(4) 衍射時差法超聲檢測(TOFD)DL/T 330《水電水利工程金屬結構及設備焊接接頭衍射時差法超聲檢測》或NB/T 47013.10《承壓設備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測》，合格等級Ⅱ級。

2．2 衍射時差法超聲檢測(TOFD)技術簡介

衍射時差法超聲檢測(TOFD)，是采用一發(fā)一收探頭對工作模式、主要利用缺陷端點的衍射波信號探測和測定缺陷位置及尺寸的一種超聲檢測方法。TOFD檢測原理示意圖如圖2所示。

圖2 TOFD檢測原理示意圖

TOFD檢測較常規(guī)超聲檢測方法而言，除可顯示A型脈沖波形外，還可以得到D掃描圖像，檢測結果更為直觀；TOFD檢測還可對缺陷的深度、高度及長度進行精確測量。

TOFD檢測底面盲區(qū)分為焊縫中心底面盲區(qū)和軸偏離盲區(qū)。根據(jù)相關標準，焊縫中心底面盲區(qū)高度一般要求≤1 mm。對蝸殼焊縫進行檢測時，可通過不同位置、多次掃查來解決軸偏離盲區(qū)的問題。

基于TOFD檢測的優(yōu)點，對蝸殼所有縱向焊縫及T形焊縫，特別是對焊接具有不同厚度的焊縫[3]檢測效果俱佳。

3 蝸殼焊縫TOFD檢測技術分析

3．1 蝸殼焊縫結構情況

蝸殼相關焊縫超聲波檢測(UT)及磁粉檢測(MT)/滲透檢測(PT)的無損檢測常規(guī)技術現(xiàn)具有比較成熟的經驗。對于等厚度工件對接焊縫TOFD的檢測技術及操作工藝規(guī)程也已具備相對成熟的經驗，而對于不等厚厚度差較大的工件對接接頭焊縫的TOFD檢測技術，其相應的作業(yè)指導書及操作工藝規(guī)程還沒有相對成熟的依據(jù)。白鶴灘水電站蝸殼焊縫節(jié)數(shù)的對接接頭絕大多數(shù)采用的是不等厚厚度差較大的對接接頭焊接方式。蝸殼焊縫典型焊接接頭厚度差統(tǒng)計數(shù)值如表1所示。下面著重介紹衍射時差法超聲檢測(TOFD)檢測技術在1 000 MW水輪機蝸殼所有縱向焊縫及T形焊縫上的應用。

表1 蝸殼焊縫典型焊接接頭厚度差統(tǒng)計表 單位：mm

據(jù)統(tǒng)計，座環(huán)蝸殼縱縫共有142條，而存在厚度差的焊縫高達138條，不等厚厚度差焊縫占比高達97.18%。由表1蝸殼焊縫典型焊接接頭厚度差統(tǒng)計表可以看出，蝸殼進口第一節(jié)與座環(huán)過渡段第一節(jié)對接接頭厚度差最大高達23 mm、最小為6 mm(蝸殼與座環(huán)過渡段縱向焊縫焊接示意圖如圖3所示)；單節(jié)蝸殼間厚度差最大高達21 mm、最小為5 mm(蝸殼單節(jié)縱向焊縫焊接示意圖如圖4所示)。

圖3 蝸殼與座環(huán)過渡段縱向焊縫

圖4 蝸殼單節(jié)縱向焊縫

3．2 蝸殼不等厚縱縫TOFD檢測技術

(1) 對比試塊

依據(jù)圖紙要求，座環(huán)蝸殼縱縫為單面削邊處理的對接接頭，且母材不等厚厚度差≥5 mm。相關標準規(guī)定：焊縫兩側母材公稱厚度不同時，取薄側公稱厚度值。而蝸殼管節(jié)板材厚度t=43～97 mm、座環(huán)過渡段板材厚度T=49～120 mm，蝸殼各管節(jié)縱縫曲率半徑遠≥150 mm，所以采用平面對比試塊即可進行檢測校準。平面對比試塊的制作要求應符合相同厚度和結構形式，分別在兩側檢測區(qū)域邊界線和焊縫中心線設置直徑2 mm、長度60 mm的側孔，側孔深度均位于表面下4 mm處。當25 mm

圖5 單面削邊處理的不等厚對接接頭對比試塊

(2) 掃查方法

單面削邊處理且一面平齊的不等厚對接接頭，母材不等厚厚度差≥5 mm時，應采用圖5要求的對比試塊進行檢測工藝的設置。應至少進行兩次非平行掃查，如圖6(a)、6(b)所示和一次偏置非平行掃查如圖6(c)所示，及表面盲區(qū)的補充檢測，即超聲波檢測、磁粉檢測。

圖6 單面削邊處理的不等厚縱向焊縫掃查方法

(3) PCS的設置[4]

不等厚對接接頭單面削邊側作為掃查面時，厚板削邊面/平面、薄板平面位置上探頭相對于聚焦點是不對稱的，厚板側超聲波信號傳播距離長，薄板側超聲波信號傳播距離短。第一通道探頭位置存在兩種情況，一種情況兩探頭均位于厚板平面與薄板平面上，如圖7(a)所示，則：

另一種情況厚板側探頭位于厚板削邊面上、薄板側探頭位于薄板平面上[5]，且厚板削邊側的探頭存在折射角，相對于探頭位于平面時發(fā)生了變化，如圖7(b)所示，則：

第二通道探頭位置由于工件厚度所致，PCS值較大，其位置均位于厚板平面與薄板平面上，如圖7所示，則：

圖7 不等厚對接接頭單面削邊側檢測示意圖

不等厚對接接頭兩平面?zhèn)茸鳛閽卟槊鏁r，厚板、薄板兩平面?zhèn)任恢猛ǖ郎系奶筋^相對聚焦點是對稱的，且超聲波信號傳播距離相等，如圖8所示，則：

圖8 不等厚對接接頭兩平面?zhèn)葯z測示意圖

(4) 靈敏度的設置

由于蝸殼縱縫不等厚厚度差≥5 mm，所以均需在單面削邊處理的不等厚對接接頭的對比試塊上設置各通道的檢測靈敏度，將各通道A掃描時間窗口內，各反射體產生的最弱衍射信號波幅，設置為滿屏高度的40%～80%，作為靈敏度。

4 結論

衍射時差法超聲(TOFD)檢測技術在白鶴灘水電站1 000 MW級大型水輪機蝸殼縱向焊縫上的應用，特別是不同厚度差結構形式的不等厚對接接頭的檢測應用，表明在水電行業(yè)上應用TOFD檢測技術已具備相當成熟的經驗，可為水電等其他行業(yè)提供不等厚對接接頭完整焊縫的TOFD檢測理論依據(jù)。最終得到的TOFD圖譜檢測數(shù)據(jù)可為長期跟蹤蝸殼焊縫質量提供保證，可檢測出常規(guī)超聲難以檢出的與檢測面垂直或傾斜角度接近入射角的面積型缺陷。但值得注意的是，由于不等厚對接接頭母材較厚側的初始底面盲區(qū)較大，除在較厚工件側增加偏置非平行掃查外，還需增加超聲波檢測(UT)、磁粉檢測(MT)/滲透檢測(PT)，對表面及其近表面進行適當?shù)难a充檢測。