汽輪發(fā)電機水接頭釬焊縫超聲檢測方法

張 巍

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

0 引言

大功率汽輪發(fā)電機運行時伴隨大電流的輸出，定子線圈會產(chǎn)生較大熱量，因此多采用水內(nèi)冷結(jié)構(gòu)作為定子線圈的冷卻方式。水接頭是水冷型汽輪發(fā)電機定子中常用的水路元件，通常使用不銹鋼引水管與銅接頭釬焊的結(jié)構(gòu)。由于該部件在機組運行過程中需要連通水路并承受一定的水壓，水接頭須具有足夠的剛度和強度，但又要具有良好的導(dǎo)電性，又要保證不滲漏，才能確保整臺機組安全運行[1]。因此，對水接頭釬焊質(zhì)量進(jìn)行檢測并使其達(dá)到設(shè)計要求，是保證發(fā)電機正常運行的關(guān)鍵因素之一。

水接頭釬焊屬于異種金屬連接，焊縫為圓形，外形尺寸不規(guī)則并帶有螺紋。由于結(jié)構(gòu)的特殊性，導(dǎo)致沒有通用的檢測方法和驗收標(biāo)準(zhǔn)，制造企業(yè)往往會根據(jù)自身的設(shè)計要求和技術(shù)能力制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以滿足產(chǎn)品檢驗和外部審核的需要。目前行業(yè)內(nèi)常采用單晶探頭內(nèi)部水浸超聲檢測，其特點是操作簡單，對設(shè)備及探頭要求不高。不足之處是缺陷信號緊鄰鋼管內(nèi)壁反射信號，有時難以區(qū)分(見圖1)，故該檢測方法效率不高。隨著自動化與超聲技術(shù)融合發(fā)展，有研究人員開發(fā)出了自動化掃查裝置，提高了信號的穩(wěn)定性和檢測效率[2]，但對于超聲技術(shù)而言本質(zhì)上并沒有改變。本文嘗試采用雙晶橫波探頭檢測水接頭釬焊縫，并以百萬千瓦汽輪發(fā)電機水接頭為例，論證該方法的準(zhǔn)確性和實用性。

圖1 單晶探頭檢測波形

1 檢測原理

檢測異種金屬焊縫時，超聲波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)，會由于介質(zhì)不同，聲阻抗也不同，而在界面處發(fā)生聲反射，兩介質(zhì)聲阻抗相差越大，反射率就越高，反之就越低。由于釬料主要包含銀和銅兩種元素，故焊接接頭在聲束方向上是“鋼-銀銅合金-銅”結(jié)構(gòu)。由于不銹鋼管與焊料的聲阻抗接近，因此當(dāng)界面結(jié)合良好時，約有90%聲能可以穿過釬焊層進(jìn)入銅層[3-4]。當(dāng)界面結(jié)合不良時，結(jié)合面上的空隙或空氣導(dǎo)致其聲阻抗有較大變化，從而在界面產(chǎn)生較強的聲脈沖反射。正是基于上述原理對接頭進(jìn)行超聲波檢測，根據(jù)缺陷反射回波聲壓的高低、位置及與界面波的比值來確定反射體的性質(zhì)、大小及位置，進(jìn)而判斷釬焊接頭的質(zhì)量。

擬檢測的水接頭如圖2所示，焊接方式為爐內(nèi)真空釬焊。關(guān)鍵尺寸為不銹鋼管內(nèi)徑、壁厚及嵌入銅接頭中的深度，上述尺寸分別為：13.0 mm、3.0 mm和13.0 mm。

圖2 水接頭

采用橫波雙晶檢測方法的優(yōu)點在于，不僅能發(fā)現(xiàn)單探頭檢測的缺陷類型，還能發(fā)現(xiàn)其他多種角度的缺陷，難點在于探頭的加工和裝配技術(shù)。受不銹鋼管內(nèi)徑所限，探頭的直徑不能超過12.0 mm，同時還要精確計算兩個晶片在聲束方向的焦點位置。與單晶探頭檢測最大的不同之處在于，屏蔽了水層信號的干擾，將探頭焦點定位于焊縫位置，只要超聲信號出現(xiàn)在界面處且超過一定幅值，必為缺陷，有助于缺陷的識別和評定。其聚焦原理如圖3所示。

圖3 雙晶探頭聲束聚焦原理

雙晶探頭聲束具有聚焦作用，當(dāng)焦點處于焊縫時其靈敏度與分辨力最高。已知不銹鋼管的壁厚，可以確定探頭的直徑。探頭與鋼管之間的水層厚度不宜過大，因為探頭的直徑變小會使其制作難度增加，精度下降。最后需要確定探頭晶片的尺寸及裝配角度，這是決定雙晶探頭聚焦點的關(guān)鍵性因素。綜合考慮以上多種參數(shù)，確定探頭的直徑為11.8 mm，晶片尺寸3 mm×4 mm，聲束與入射點切線的夾角為10°。在保證裝配精度的條件下，探頭焦點處于不銹鋼管外壁附近。實際上，聲束并不是聚成一點的，而是有一定幾何尺寸的柱狀，焦柱的長度及直徑越小，探頭檢測靈敏度越高。

2 校準(zhǔn)與試驗

檢測之前應(yīng)對水接頭進(jìn)行外觀檢查，要求工件外觀光潔、顏色均勻，焊縫飽滿且無肉眼可見缺陷。按照工藝文件要求，缺陷當(dāng)量尺寸達(dá)到φ3 mm時視為黏合不良，不良點大于4個評定為不合格。

2．1 靈敏度校準(zhǔn)

一般而言，靈敏度的校準(zhǔn)需要借助標(biāo)準(zhǔn)試塊，但是標(biāo)準(zhǔn)試塊的種類有限，大多數(shù)情況下需要針對檢測對象制備專用的對比試塊。對于水接頭來說，可以不銹鋼水管的未嵌入銅接頭部分的外壁反射信號為依據(jù)，調(diào)節(jié)該信號幅值至屏幕高度100%位置，如圖4所示。在該靈敏度條件下，如果在B1位置沒有發(fā)現(xiàn)缺陷信號，可以認(rèn)為焊縫中沒有明顯缺陷。

圖4 靈敏度校準(zhǔn)

2．2 人工缺陷試驗

人工反射體用于標(biāo)定系統(tǒng)靈敏度，使系統(tǒng)能夠滿足水接頭技術(shù)要求。由于通用探傷方法尚無法測定缺陷的真實尺寸，因此，常用“當(dāng)量尺寸”表示缺陷大小。在相同檢測條件下，如果缺陷反射回波聲壓與某種人工反射體的回波聲壓相同，即兩者的反射波高相等時，反射體的尺寸即為缺陷的當(dāng)量尺寸。對于雙晶探頭而言，比較實用的反射體為一定尺寸的平底孔，其載體為水接頭產(chǎn)品，且內(nèi)部無焊接缺陷，用高精度鉆床在其側(cè)壁鉆成直徑為3 mm的平底孔，孔深為外壁到不銹鋼管位置的距離，即達(dá)到不銹鋼管表面，如圖5所示。

圖5 人工反射體試樣

在2．1所述的靈敏度條件下，當(dāng)不銹鋼管外壁第一次反射信號為儀器幅值的100%時，φ3 mm平底孔的信號幅值約為40%，如果按照10%幅度信號可以清晰識別的話，當(dāng)φ3 mm平底孔的信號幅值約為40%時，至少可以發(fā)現(xiàn)φ1.5 mm當(dāng)量尺寸的缺陷。按照多數(shù)檢測規(guī)范的靈敏度設(shè)置方法，基準(zhǔn)波高的幅值一般為40%左右，也就是說，無論采用平底孔校準(zhǔn)還是采用不銹鋼管校準(zhǔn)，二者都適用且幅度相當(dāng)，如圖6所示。人工缺陷的檢測結(jié)果既可以驗證系統(tǒng)的檢測能力，也可以用來校準(zhǔn)系統(tǒng)的初始靈敏度。

圖6 人工缺陷波型

檢測時探頭焦點至少可以覆蓋3 mm深度，需要進(jìn)行分層掃查時，可以通過在探頭上加墊圈的方法調(diào)節(jié)探頭進(jìn)入水中的深度。當(dāng)釬焊質(zhì)量較好時，波形如圖7所示，沒有明顯的缺陷信號。

圖7 無缺陷區(qū)域波形

2．3 自然缺陷試驗

在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下，純銅與不銹鋼管能夠?qū)崿F(xiàn)良好釬合，目前很少出現(xiàn)不合格品，但局部焊接缺陷也普遍存在。以不銹鋼管外壁信號幅值100%為實際檢測靈敏度，試驗過程中將有較大缺陷的水接頭在焊接處層層剖開，缺陷的實際形態(tài)及波形如圖8、圖9所示。兩個缺陷的尺寸為5.0 mm和2.5 mm，均為未黏合缺陷，其對應(yīng)的信號幅值為74%、28%，與缺陷的嚴(yán)重程度基本一致，驗證了檢測方法的可靠性。分析反射信號性質(zhì)可知，缺陷產(chǎn)生了明顯的多次反射，屬于典型的面積型缺陷，這種接頭需要進(jìn)行返工處理。

圖8 缺陷實際形態(tài)

圖9 自然缺陷波形

3 結(jié)論

采用雙晶聚焦探頭水浸檢測方法可以避免水層信號的干擾，與單晶探頭檢測相比較，對于缺陷的識別和評定更加直觀，不易產(chǎn)生錯判和漏判，同時對于檢測效率也有一定程度提高。該方法同樣適用于檢測其他孔徑不大的內(nèi)外層結(jié)構(gòu)之間的窄間隙焊縫，但需要根據(jù)部件的尺寸如內(nèi)徑、壁厚、焊縫高度以及材料的聲學(xué)性能定制專用的探頭，通過設(shè)置探頭的晶片尺寸、角度使其聚焦點處于焊縫位置。

該方法已經(jīng)用于檢測多臺核電及百萬千瓦汽輪發(fā)電機水接頭，平均每臺機組中有1～3件不合格品(一般每臺機組有168件)。已經(jīng)運行的機組中，目前沒有出現(xiàn)問題。