趙 亮，薛興月，王 磊，關(guān) 帥，井水益，初冬清

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

0 引言

白鶴灘水電站裝機(jī)總?cè)萘渴澜绲诙?，在建?guī)模、單機(jī)容量世界第一，右岸地下廠房布置的8臺(tái)單機(jī)容量1 000 MW的水輪發(fā)電機(jī)組由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)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(jī)組。1 000 MW機(jī)組為中高水頭、中低轉(zhuǎn)速、巨型混流式水輪發(fā)電機(jī)組，不僅運(yùn)行水頭高、水頭變幅范圍廣，而且結(jié)構(gòu)外形尺寸巨大，其中水頭高達(dá)200多米，機(jī)組所要承受的荷載更大、運(yùn)行條件更加嚴(yán)苛。

大型水電站機(jī)組蝸殼焊縫的無(wú)損檢測(cè)常采用超聲波檢測(cè)(UT)和射線檢測(cè)(RT)。然而，常規(guī)超聲波檢測(cè)結(jié)果不能直觀保存、缺陷特征評(píng)價(jià)信息受人員主觀因素影響較大；射線檢測(cè)工作量大、工期長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境具有輻射作用還有檢測(cè)靈敏度相對(duì)較低、局部空間受限等缺點(diǎn)。近年來(lái)，衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)(TOFD)[1]由于不受缺欠指向性的限制、檢測(cè)結(jié)果更為直觀、檢測(cè)精度高于常規(guī)超聲檢測(cè)精度且可進(jìn)行數(shù)字化存儲(chǔ)，無(wú)射線輻射、檢測(cè)速度快、缺欠深度測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)。TOFD發(fā)展速度極快，在各個(gè)行業(yè)取得了廣泛的應(yīng)用。

1 1 000 MW水輪機(jī)組蝸殼簡(jiǎn)介

蝸殼是混流式水輪機(jī)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(jī)最外層，從四周包圍著座環(huán)，并與座環(huán)的上、下過(guò)渡板相連接，水流以較小的水頭損失，均勻?qū)ΨQ地引向?qū)畽C(jī)構(gòu)，形成環(huán)流后再進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，保證轉(zhuǎn)輪工作時(shí)始終浸入水中。蝸殼裝配結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 蝸殼結(jié)構(gòu)示意圖

白鶴灘水電站右岸機(jī)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(chǎng)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(jí)高強(qiáng)鋼材質(zhì)[2]，是行業(yè)內(nèi)首次將800 MPa級(jí)低合金高強(qiáng)鋼大批量應(yīng)用于1 000 MW級(jí)混流式水輪機(jī)組制造中。

800 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼含碳量相當(dāng)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(diǎn)。

2 蝸殼無(wú)損檢測(cè)技術(shù)方法介紹

2.1 檢測(cè)時(shí)機(jī)與方法標(biāo)準(zhǔn)

蝸殼焊縫應(yīng)在焊接完成48 h后進(jìn)行檢測(cè)，所有焊縫進(jìn)行100%UT無(wú)損檢測(cè)，加100%MT或PT無(wú)損檢測(cè)，對(duì)所有的縱縫(不等厚對(duì)接接頭)及T形焊縫進(jìn)行100%TOFD無(wú)損檢測(cè)。無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1) 超聲波檢測(cè)(UT)GB/T 11345《焊縫無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》，檢測(cè)等級(jí)B級(jí)，合格等級(jí)Ⅰ級(jí)。

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

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

(4) 衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)(TOFD)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(shí)差法超聲檢測(cè)》或NB/T 47013.10《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》，合格等級(jí)Ⅱ級(jí)。

2．2 衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)(TOFD)技術(shù)簡(jiǎn)介

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

圖2 TOFD檢測(cè)原理示意圖

TOFD檢測(cè)較常規(guī)超聲檢測(cè)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(cè)結(jié)果更為直觀；TOFD檢測(cè)還可對(duì)缺陷的深度、高度及長(zhǎng)度進(jìn)行精確測(cè)量。

TOFD檢測(cè)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)，焊縫中心底面盲區(qū)高度一般要求≤1 mm。對(duì)蝸殼焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可通過(guò)不同位置、多次掃查來(lái)解決軸偏離盲區(qū)的問(wèn)題。

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

3 蝸殼焊縫TOFD檢測(cè)技術(shù)分析

3．1 蝸殼焊縫結(jié)構(gòu)情況

蝸殼相關(guān)焊縫超聲波檢測(cè)(UT)及磁粉檢測(cè)(MT)/滲透檢測(cè)(PT)的無(wú)損檢測(cè)常規(guī)技術(shù)現(xiàn)具有比較成熟的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于等厚度工件對(duì)接焊縫TOFD的檢測(cè)技術(shù)及操作工藝規(guī)程也已具備相對(duì)成熟的經(jīng)驗(yàn)，而對(duì)于不等厚厚度差較大的工件對(duì)接接頭焊縫的TOFD檢測(cè)技術(shù)，其相應(yīng)的作業(yè)指導(dǎo)書及操作工藝規(guī)程還沒(méi)有相對(duì)成熟的依據(jù)。白鶴灘水電站蝸殼焊縫節(jié)數(shù)的對(duì)接接頭絕大多數(shù)采用的是不等厚厚度差較大的對(duì)接接頭焊接方式。蝸殼焊縫典型焊接接頭厚度差統(tǒng)計(jì)數(shù)值如表1所示。下面著重介紹衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)(TOFD)檢測(cè)技術(shù)在1 000 MW水輪機(jī)蝸殼所有縱向焊縫及T形焊縫上的應(yīng)用。

表1 蝸殼焊縫典型焊接接頭厚度差統(tǒng)計(jì)表 單位：mm

據(jù)統(tǒng)計(jì)，座環(huán)蝸殼縱縫共有142條，而存在厚度差的焊縫高達(dá)138條，不等厚厚度差焊縫占比高達(dá)97.18%。由表1蝸殼焊縫典型焊接接頭厚度差統(tǒng)計(jì)表可以看出，蝸殼進(jìn)口第一節(jié)與座環(huán)過(guò)渡段第一節(jié)對(duì)接接頭厚度差最大高達(dá)23 mm、最小為6 mm(蝸殼與座環(huán)過(guò)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(dá)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(guò)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(cè)技術(shù)

(1) 對(duì)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(duì)接接頭，且母材不等厚厚度差≥5 mm。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：焊縫兩側(cè)母材公稱厚度不同時(shí)，取薄側(cè)公稱厚度值。而蝸殼管節(jié)板材厚度t=43～97 mm、座環(huán)過(guò)渡段板材厚度T=49～120 mm，蝸殼各管節(jié)縱縫曲率半徑遠(yuǎn)≥150 mm，所以采用平面對(duì)比試塊即可進(jìn)行檢測(cè)校準(zhǔn)。平面對(duì)比試塊的制作要求應(yīng)符合相同厚度和結(jié)構(gòu)形式，分別在兩側(cè)檢測(cè)區(qū)域邊界線和焊縫中心線設(shè)置直徑2 mm、長(zhǎng)度60 mm的側(cè)孔，側(cè)孔深度均位于表面下4 mm處。當(dāng)25 mm

圖5 單面削邊處理的不等厚對(duì)接接頭對(duì)比試塊

(2) 掃查方法

單面削邊處理且一面平齊的不等厚對(duì)接接頭，母材不等厚厚度差≥5 mm時(shí)，應(yīng)采用圖5要求的對(duì)比試塊進(jìn)行檢測(cè)工藝的設(shè)置。應(yīng)至少進(jìn)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(bǔ)充檢測(cè)，即超聲波檢測(cè)、磁粉檢測(cè)。

圖6 單面削邊處理的不等厚縱向焊縫掃查方法

(3) PCS的設(shè)置[4]

不等厚對(duì)接接頭單面削邊側(cè)作為掃查面時(shí)，厚板削邊面/平面、薄板平面位置上探頭相對(duì)于聚焦點(diǎn)是不對(duì)稱的，厚板側(cè)超聲波信號(hào)傳播距離長(zhǎng)，薄板側(cè)超聲波信號(hào)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(cè)探頭位于厚板削邊面上、薄板側(cè)探頭位于薄板平面上[5]，且厚板削邊側(cè)的探頭存在折射角，相對(duì)于探頭位于平面時(shí)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(duì)接接頭單面削邊側(cè)檢測(cè)示意圖

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

圖8 不等厚對(duì)接接頭兩平面?zhèn)葯z測(cè)示意圖

(4) 靈敏度的設(shè)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(duì)接接頭的對(duì)比試塊上設(shè)置各通道的檢測(cè)靈敏度，將各通道A掃描時(shí)間窗口內(nèi)，各反射體產(chǎn)生的最弱衍射信號(hào)波幅，設(shè)置為滿屏高度的40%～80%，作為靈敏度。

4 結(jié)論

衍射時(shí)差法超聲(TOFD)檢測(cè)技術(shù)在白鶴灘水電站1 000 MW級(jí)大型水輪機(jī)蝸殼縱向焊縫上的應(yīng)用，特別是不同厚度差結(jié)構(gòu)形式的不等厚對(duì)接接頭的檢測(cè)應(yīng)用，表明在水電行業(yè)上應(yīng)用TOFD檢測(cè)技術(shù)已具備相當(dāng)成熟的經(jīng)驗(yàn)，可為水電等其他行業(yè)提供不等厚對(duì)接接頭完整焊縫的TOFD檢測(cè)理論依據(jù)。最終得到的TOFD圖譜檢測(cè)數(shù)據(jù)可為長(zhǎng)期跟蹤蝸殼焊縫質(zhì)量提供保證，可檢測(cè)出常規(guī)超聲難以檢出的與檢測(cè)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(duì)接接頭母材較厚側(cè)的初始底面盲區(qū)較大，除在較厚工件側(cè)增加偏置非平行掃查外，還需增加超聲波檢測(cè)(UT)、磁粉檢測(cè)(MT)/滲透檢測(cè)(PT)，對(duì)表面及其近表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充檢測(cè)。