（東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000）

1 項(xiàng)目概述

1.1 項(xiàng)目來源與開發(fā)背景

1000MW超超臨界汽輪機(jī)機(jī)組以其高效、節(jié)能、安全等優(yōu)點(diǎn)，近年來發(fā)展非常迅速，將成為未來火力發(fā)電的一個(gè)重要發(fā)展方向，也是我國21世紀(jì)能源研究開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。公司與日本日立公司合作生產(chǎn)超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組，標(biāo)志著公司超超臨界汽輪機(jī)技術(shù)的研究開發(fā)、技術(shù)引進(jìn)、制造檢驗(yàn)及技術(shù)國產(chǎn)化的工作已進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的階段。

1.2 項(xiàng)目目的及意義

通過本課題的實(shí)施，對12Cr鋼材料的超聲波檢測性能進(jìn)行研究，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，掌握相關(guān)技術(shù)特性，確定無損檢測設(shè)備和器材，設(shè)計(jì)制作必要的工裝，掌握主要缺陷特點(diǎn)，總結(jié)出一套超超臨界汽輪機(jī)主要部件的最佳無損檢測工藝方案，并應(yīng)用于超超臨界汽輪機(jī)產(chǎn)品的制造檢驗(yàn)中，以確保產(chǎn)品質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。

2 主要技術(shù)內(nèi)容和研究小結(jié)

2.1 12Cr鋼材料超聲波性能研究

超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材質(zhì)為12Cr鋼，其材料的超聲波聲學(xué)性能未知。材料的組織致密性、均勻性和晶粒度對超聲波的透聲性能影響很大，需通過工藝試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)測試。12Cr鋼材料的聲束耦合性對無損檢測的靈敏度、波束指向等都有很大影響，需通過試驗(yàn)確定影響程度及相應(yīng)補(bǔ)償措施，以降低缺陷的定量誤差。下面主要與常規(guī)合金鋼材料Cr-Mo鋼的超聲波性能進(jìn)行對比。通過在試塊和產(chǎn)品實(shí)物試樣上進(jìn)行工藝試驗(yàn)，測試出超聲波檢測相關(guān)數(shù)據(jù)（見表1、表2），其噪聲波形如圖1所示。

表1 工藝試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)記錄

表2 12Cr鋼材料與常規(guī)Cr-Mo鋼材料的聲學(xué)性能對比

根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，12Cr鋼由于材料本身晶粒比較粗大，造成超聲波噪聲水平較普通Cr-Mo鋼材料偏高、超聲波的衰減較普通Cr-Mo鋼材料偏大、超聲波的聲速低于普通Cr-Mo鋼材料。因此，在編制12Cr鋼材料零部件超聲波檢測工藝規(guī)程時(shí)應(yīng)考慮上述因素的影響，對其探傷靈敏度進(jìn)行必要的補(bǔ)償，從而達(dá)到滿足無損檢測標(biāo)準(zhǔn)要求的目的。

2.2 12Cr轉(zhuǎn)子超聲波檢測工藝研究

2.2.1 無損檢測試塊設(shè)計(jì)、制作

在進(jìn)行超聲波檢測時(shí)，需使用專用試塊調(diào)試檢測靈敏度。根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求，所用靈敏度試塊材質(zhì)需與被檢材料聲學(xué)性能相同。為此，需要新設(shè)計(jì)滿足檢測靈敏度調(diào)試要求的試塊并使用12Cr鋼材料制作。在設(shè)計(jì)和制作專用試塊時(shí)難點(diǎn)在于達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定靈敏度試塊的毛坯材料質(zhì)量要達(dá)標(biāo)、人工缺陷類型和布局方式的確立要合理、加工精度要準(zhǔn)確并能通過計(jì)量確認(rèn)。工裝試塊及使用的標(biāo)準(zhǔn)試樣清單見表3。

表3 工裝試塊清單

轉(zhuǎn)子軸頸堆焊試塊原則上采用與轉(zhuǎn)子堆焊層聲速性能和結(jié)構(gòu)相同材料做成，同一操作規(guī)范焊接的檢測試塊的堆焊層內(nèi)部，加工Φ0.8、Φ1.5 mm不同深度、相同直徑的平底孔用于橫波檢測和縱波檢測校準(zhǔn)。從檢測堆焊層表面到平底孔的距離，應(yīng)覆蓋所檢測工件堆焊層的深度尺寸詳見圖2、圖3。標(biāo)準(zhǔn)試塊可采用CSK-IA、CSK-IIIA試塊。

2.2.2 超聲波檢測方案的確定

·設(shè)備及器材準(zhǔn)備

考慮到現(xiàn)有國產(chǎn)超聲波儀器靈敏度余量相對不足、信噪比差的缺點(diǎn)，立項(xiàng)并購買了綜合性能較好、德國K.K公司研制的適用于大厚度焊縫檢測的便攜式數(shù)字超聲波探傷儀USN 60。

·檢測探頭的選取

對國產(chǎn)探頭和德國K.K公司生產(chǎn)的探頭進(jìn)行了各項(xiàng)性能對比，試驗(yàn)并記錄了各種探頭在試塊上的實(shí)際檢測數(shù)據(jù)，為選擇滿足12Cr堆焊轉(zhuǎn)子焊縫檢測要求的高穿透能力、高信噪比、高靈敏度的需要提供了充分根據(jù)。探頭型號及參數(shù)選取如下：

·德國K.K產(chǎn)VS70E、VS60E、VS45E雙晶斜探頭三個(gè)；

·德國K.K產(chǎn)單晶斜探頭MWB45-2一個(gè)；

·德國K.K產(chǎn)M5EB4雙晶直探頭一個(gè)；

·德國K.K產(chǎn)MB10F-E直探頭一個(gè)；

·國產(chǎn)縱波直探頭2.5P14-D/5P14-D各一個(gè)。

各種探頭性能指標(biāo)見表4，各種探頭在堆焊試塊上試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

表4 探頭的主要性能指標(biāo)

表5 堆焊試塊上各種探頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

·試驗(yàn)結(jié)果分析

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，MSEB4-0o、MWB45-2、VS45、VS60四種探頭滿足堆焊試塊的超聲波檢測。

對轉(zhuǎn)子軸頸多次堆焊試樣的超聲波檢測和射線檢測結(jié)果對比分析，結(jié)果顯示射線檢測發(fā)現(xiàn)缺陷的大小和位置與超聲波檢測發(fā)現(xiàn)缺陷的大小和位置相近，充分說明了超聲波檢測方案的可行性。按照檢測方案對12Cr轉(zhuǎn)子模擬試驗(yàn)件進(jìn)行超聲波檢測，并記錄檢驗(yàn)結(jié)果，對超聲波檢測發(fā)現(xiàn)缺陷部位，切割取樣后進(jìn)行了射線檢測，將二者的檢測結(jié)果進(jìn)行了對比，以進(jìn)一步確定檢測靈敏度、檢測方法和探頭的選擇，從而改善檢測工藝方案。

2.2.3 12Cr轉(zhuǎn)子軸頸堆焊部位的超聲波檢測研究

轉(zhuǎn)子軸頸埋弧堆焊區(qū)的超聲波檢測技術(shù)在公司尚屬空白，為了滿足公司轉(zhuǎn)子軸頸堆焊部位無損檢測需求。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制作不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)試塊，采用多種工藝方法，反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析研究，最終總結(jié)出了一套適用于轉(zhuǎn)子軸頸、推力盤堆焊部位無損檢測的最佳方案，同時(shí)編制了轉(zhuǎn)子軸頸堆焊部位的無損檢測工藝規(guī)程。

2.2.3.1 超聲波檢測具體位置

12Cr轉(zhuǎn)子軸頸堆焊部位超聲波檢測具體位置見圖4。

2.2.3.2 超聲波檢測儀器

超聲波檢測使用A型脈沖反射式探傷儀，其頻率范圍在1～5MHz，水平線性：≤±1%，垂直線性：≤±3%，遠(yuǎn)場分辨率：≤7 mm。

2.2.3.3 超聲波檢測探頭

檢測時(shí)，使用的縱波探頭和橫波探頭根據(jù)檢測深度按表6選用，當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，為準(zhǔn)確評定可采用表6以外探頭。

表6 檢測深度及適用探頭

2.2.3.4 靈敏度設(shè)定

將參考試塊Φ0.8mm平底孔反射波最大幅值調(diào)至滿屏80%高度后，連接各孔最大反射波高點(diǎn)，制成DAC曲線，基準(zhǔn)靈敏度設(shè)定為Φ0.4mmFBH。如工件表面與試塊表面狀態(tài)不同，應(yīng)通過實(shí)測進(jìn)行補(bǔ)償。檢測時(shí)提高6dB進(jìn)行掃查，在對缺陷波進(jìn)行評價(jià)時(shí)，應(yīng)回復(fù)原位。

3 項(xiàng)目評價(jià)

3.1 目前成果形態(tài)及技術(shù)水平

本項(xiàng)目研究的重點(diǎn)內(nèi)容是通過各種實(shí)驗(yàn)，確定12Cr材料零部件在超聲波聲學(xué)性能等方面與常規(guī)Cr-Mo合金鋼材料的異同，并在此基礎(chǔ)上，研究典型缺陷的表現(xiàn)形式，從而最終確定出各種重要零部件的無損檢測工藝要點(diǎn)。

目前對于12Cr材料的無損檢測國內(nèi)尚無典型案例可參考，我們依據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求和相關(guān)規(guī)范規(guī)定，通過工藝試驗(yàn)研究，得出的無損檢測工藝方案和關(guān)鍵數(shù)據(jù)屬國內(nèi)創(chuàng)新，達(dá)到或接近國外同類產(chǎn)品的無損檢測技術(shù)水平。

3.2 項(xiàng)目應(yīng)用及推廣情況

通過對12Cr鋼材料堆焊轉(zhuǎn)子無損檢測性能特點(diǎn)進(jìn)行研究，通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析研究，總結(jié)出一套超超臨界汽輪機(jī)堆焊轉(zhuǎn)子的最佳無損檢測工藝方案。2008年4月首次對在日本JCFC采購的D660B高中壓轉(zhuǎn)子12Cr鋼材料轉(zhuǎn)子軸頸堆焊層進(jìn)行無損檢測復(fù)驗(yàn)，對堆焊層的各項(xiàng)超聲波檢測復(fù)驗(yàn)數(shù)據(jù)與JCFC的檢測數(shù)據(jù)基本相符，說明12Cr鋼材料轉(zhuǎn)子軸頸堆焊層超聲波檢測方案達(dá)到了日本JCFC公司的檢測水平。2009年7月編制了 《12Cr鋼汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子堆焊部位無損檢測方法》標(biāo)準(zhǔn)（DZ5.15.37-2009），并正式用于公司超超臨界汽輪機(jī)堆焊轉(zhuǎn)子生產(chǎn)檢測中，從2008年試驗(yàn)取得成功至今已檢測近30根超超臨界汽輪機(jī)堆焊轉(zhuǎn)子，為公司降低了大量的檢測成本，同時(shí)公司12Cr鋼材料堆焊轉(zhuǎn)子超聲波檢測方案的研發(fā)成功標(biāo)志著公司12Cr鋼材料堆焊轉(zhuǎn)子超聲波檢測技術(shù)已進(jìn)入世界先進(jìn)行列，為提高公司超超臨界汽輪機(jī)組的市場占有率奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]美國無損檢測學(xué)會,編.美國無損檢測手冊.世界圖書出版公司,1992

[2]張俊哲,等.無損檢測技術(shù)及其應(yīng)用.科學(xué)出版社,1993

[3]云慶華,等.無損探傷.勞動出版社,1983

[4]于在茲,譯.工業(yè)X射線探傷學(xué).科學(xué)出版社,1980

[5]美國無損檢測學(xué)會,編.美國無損檢測手冊.世界圖書出版公司,1992

[6]國家發(fā)展和改革委員會,編.承壓設(shè)備無損檢測.新華出版社,2005