汽轮机组焊接转子焊缝无损检测技术的探析

王佰昱

摘要：汽轮机转子是发电机组核心部件，目前汽轮机转子主要分为：整锻转子、套转转子和焊接转子。焊接转子因在制作过程中会采用大量焊接工艺而得名。本文将根据焊接转子的技术特征，介绍目前焊接转子焊缝的检测技术发展情况和未来发展趋势。

Abstract： Steam turbine rotor is the core component of generator set. At present， steam turbine rotor is mainly divided into： integral forging rotor， sleeve rotor and welding rotor. The welding rotor is named after a large number of welding processes used in the manufacturing process. In this paper， according to the technical characteristics of the welded rotor， the development situation and future development trend of welding rotor weld inspection technology are introduced.

關键词： 汽轮机转子;焊接转子;无损检测

Key words： turbine rotor;welded rotor;NDT

中图分类号：TM621.3                                   文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）23-0147-02

1  汽轮机组焊接转子的发展

火力发电依靠煤燃烧加热产生的高温高压水蒸气推动汽轮机组的转子高速转动来带动发电机组的转子转动进行发电。汽轮机转子需在高温高压的环境下进行高速转动，对汽轮机转子材质，锻造水平有着极高的要求。目前汽轮机转子按照制作方法分为：整锻转子、套装转子和焊接转子。整锻转子就是整体锻造，汽轮机转子重量一般都在几十上百吨，这种大型设备的整体锻造对锻造设备、锻造技术都有着非常高的要求;套装转子是通过热套工艺将转子和轮盘装配在一起的转子，不过这种工艺制作的套转转子在高温高压的工作环境下叶轮轴套易松动;焊接转子是将转子分段锻造，锻造完成后进行焊接，焊接转子与整锻转子相比，锻造难度小，于套转转子比又相对稳定，而且焊接转子的空腔结构，质量相对较轻，发电效率更高，热能损耗低[3]。

1930年，世界上第一根焊接转子由ALSTOM制作完成。第一根焊接转子制作完成后因其相对简单的制作工艺，焊接转子在世界各地的机组得到了广泛的应用。世界各国在对焊接转子广泛应用的同时，也在不断进行焊接转子新技术的探索和革新。20世纪60年代，德国西门子公司（Siemens，Germany）利用CrMoV + NiCrMoV钢作为焊机转子构件的原材料为Westalen发电厂设计制作了一根175 MW的焊接转子[1]。这次焊接转子首先在坡口上采用了与以往大不相同的窄间隙U型坡口设计，焊接工艺上也摈弃了原先大量人工电弧焊，采用自动氩弧焊（TIG）工艺方法。这种新的焊接转子焊接工艺的出现，大大缓解了之前焊接转子制作过程中存在的制作效率低，经济效益差等诸多问题，将焊接转子的发展带入了一个新的台阶。随着材料技术的不断发展，同种钢和异种钢被应用到焊接转子中，意大利（Italy）的汽轮机转子制作公司利用引进ABB的焊接技术进行现代化的焊接转子制作，这种焊接制作技术仍是目前主要制作技术。

近年来，公众环境保护意识的不断提高，淘汰污染大容量小发展参数高，装机容量大的火力发电机组已成为目前发展趋势。我国从20世纪50年代就开始进行焊接转子的制造和研究，经过60多年的发展，我国在焊接转子领域有着极强的技术积累。目前，高参数、高容量的发电机组整锻汽轮机转子锻造技术要求高，造价昂贵，针对我国现状，焊接转子又回到人们视野中来。

2  汽轮机组焊接转子焊接技术和无损检测

2.1 转子材料

在汽轮机组转子发展早期，汽轮机转子锻造件主要材料为17CrMo1V。锻造件强度较低，韧性差，在转子高速运转中存在较大缺陷。随着锻造、冶炼技术的不断发展，对锻造件中微量元素P、Cr、Ni、Sb的控制越来越细致，质量越来越高的材料开始应用到转子锻造中。转子材料的不断升级，焊接转子的焊接工艺也需要不断升级。目前，焊接转子不同锻造件在焊接前均需要进行调质处理，通过这种调质处理来保证材料的力学性能和抗应力腐蚀性能都能达到要求，但在焊接接头方面，因为这种处理导致的材质各区域的各项性能不均匀，容易在焊接过程中对整个区域造成质量缺陷，焊接成为了焊接转子质量控制的关健[2]。

2.2 焊接工艺

2.2.1 焊接坡口

焊接坡口的设计是保证焊接质量的第一步，坡口的设计要充分考虑焊接过程中收缩应力分布和效率。焊接转子是由小的转子锻造件一件件焊接而成，内部会形成型腔，焊接完成后发面不能进行清根，所以需要采用单面焊双面成型的工艺。为了达到工艺要求，保证根部焊缝融透，减少根部应力，焊接转子早期均采用上宽下窄的坡口设计。随着焊接技术的发展进步，自动化窄间隙方式越来越被广泛应用到各个领域。自动化窄间隙顾名思义其焊接坡口非常窄，类似于“U”型结构，整个坡口宽度远远小于原先上宽下窄的坡口，这样不仅减少焊接面积，降低问题发生率的同时也减少了焊接工作量，提高了经济效益[4]。

2.2.2 焊接工艺

在现有技术条件下，焊接转子主要有以下几种方法：

①全部采用焊条电弧焊;

②打底用氩弧焊，再用埋弧焊盖面;

③焊条电弧焊打底，埋弧焊盖面。

焊条电弧焊主要有人工操作完成，这种人工焊接受人工因素影响大，质量情况难以把控，生产效率相对较低，劳动强度相对较大。而随着技术发展，采用机器进行的氩弧焊和埋弧焊的焊接质量已经能满足转子质量要求，而且焊接效率高，经济效益也明显优于人工，因此一般选择第二种方式进行焊接转子的焊接。

2.2.3 焊接转子质量控制

焊接技术经过长时间发展，焊接质量控制体系已经相当成熟，目前普遍的焊接质量管理模式中，焊接转子质量控制主要从焊接前的把控，焊接过程中的检查，焊接后检测三个方面进行焊接质量把控。

焊接前，需要對“人、机、料、法、环”这四个环节进行全方面把控。“人”是对焊接操作人员、焊接检测人员资格技能进行考核和认定，保证各个环节操作人员具备作业能力和资格;“机”是对焊接作业和检测过程中的机器进行检查，相关检测设备检测能力进行校验，保证参与焊接的机器设备无故障，无误差;“料”是对焊接部件材质、焊条型号等材料进行核对，保证部件材质符合规定，焊条规格的选择无问题;“法”是焊接前对焊接方法的推敲和认证，焊接过程中各种情况都有相应的预案;“环”是对作业环境的要求，焊接部件是否已处于可以作业的状态，外部环境能否满足作业需求[2]。

焊接时，要实时进行监督检查。监督操作人员是否按照焊接前已经认证过的焊接方法进行作业，焊接作业环境是否符合要求，对焊条等焊接材料存放环境进行检查，保证存放环境符合要求。对焊接过程中发生的问题第一时间了解，并根据实际情况出具解决方案。

焊接完成后，整个焊接质量控制就进入最后环节，焊缝的检测。目前，焊缝的检测方式大都采用对焊缝和材料没有损伤的无损检测方式。焊缝检测方式的选择主要跟焊件材料、构造件用途和技术要求有关，焊缝检测成为了焊接质量控制最后一环。

2.3 焊接转子焊缝无损检测

无损检测是指在不破坏被检测对象使用性能和内部组织的前提下，根据材料内部结构引起的热、声、光、电、磁等反应的变化，以物理或化学方法为手段，借助现代化的技术和设备器材，对试件内部及表面的结构、性质、状态及缺陷及其变化进行检查和测试的方法。根据检测深度，无损检测可分为：表面检测、近表面检测和内部检测。焊接转子检测根据实际情况进行检测方式选择[3]。

表面检测是针对材料表面的损伤进行检测，主要检测方式为液体渗透检测（PT），通过对材料涂抹具备较强渗透力的检测试剂，将材料表面存在的一些缺项显现出来。这种检测方式方便，应用范围广，但是该检测方式对一些封闭型材料无作用，同时对材料内部的缺陷也无检测能力。

近表面检测是对材料表面、近表面损伤进行检测，主要检测方式有磁粉检测（MT），热像/红外（TIR）检测等。磁粉检测（MT）利用材料缺陷磁场不全会产生聚集效应，将缺陷放大，并用磁痕这种可见方式呈现出来，但是磁粉检测主要适用于具有磁性的材料。热像/红外（TIR）检测主要是根据材料缺陷区域与无缺陷区域热传导能力不同，加热过程中不同区域温度不一样的特性，将材料存在缺陷部分显现出来，不过热像/红外（TIR）检测设备昂贵，对检测材料导热性有一定要求，适用性不强。

内部检测是对材料内部缺陷进行检测的一种方式，主要检测方法有：射线照相检验（RT）、超声检测（UT）[1]。射线照相检验（RT）是利用射线在缺陷区域和正常区域穿透性能不同对检测材料进行检测。但射线对人体辐射伤害，且穿透能力有限，使其不能大规模的使用，因此，射线照相检验（RT）应用范围受到制约。超声检测（UT）通过对检测材料发射超声波，利用缺陷位置对超声波传播路径及能量的改变，以检查出材料中的缺陷区域及当量尺寸。目前，由于超声波技术的快速发展，超声检测（UT）在无损检测中发挥着越来越重要的作用。

2.4 焊接转子检测的发展方向

随着现在超声成像技术的发展，能用直观立体三维成像呈现检测内容的超声检测方式将会是焊接检测的发展趋势。超声波技术发展，超声成像技术的应用，将大大改善目前无损检测技术中存在的：检测环境制约，检测问题不明朗，对检测构件检测前表面光滑度有要求等各方面不足和缺陷。此外，超声波技术、超声成像技术及相关产业的发展，将极大推进相关设备智能化、自动化发展速度，自动化、智能化设备的应用也将大大提高检测效率。

3  结语

汽轮机组作为火力发电的核心构件，其发展一直受到了公众关注，我国也一直努力在进行汽轮机组设备国产化。汽轮机焊接转子是汽轮机转子的重要组成部分，焊接转子的高经济性、低能耗等特质让焊接转子成为目前火电设备发展的一个重要方向，本文对焊接转子发展历程分析，焊接技术的介绍，焊接转子无损检测技术分析和展望，对焊接转子检测技术发展和研究有重要的参考价值。

参考文献：

[1]吴海峰，李勃，熊建坤，牛靖，曹天兰，张建勋，杨林，徐健，许德星.汽轮机12Cr/30Cr2Ni4MoV异质焊接转子接头组织与韧性研究[J].电焊机，2020，50（02）：35-40.

[2]单春蕾，刘晓睿，严海，童忠贵.PAUT在核电焊接转子在役检查中的应用研究[J].无损探伤，2019，43（04）：13-16.

[3]雷陈，熊建坤，冷进明.大型汽轮机焊接转子残余应力及变形分析[J].电焊机，2018，48（09）：66-70.

[4]孙立江，杜必强，蔡文河，刘建屏，马延会，郝金松，张坤.汽轮机组焊接转子焊缝无损检测技术研究综述[J].华北电力技术，2016（08）：62-66.