1 000 MW水轮机蜗壳焊缝的TOFD检测技术应用

赵 亮，薛兴月，王 磊，关 帅，井水益，初冬清

(哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040)

0 引言

白鹤滩水电站装机总容量世界第二，在建规模、单机容量世界第一，右岸地下厂房布置的8台单机容量1 000 MW的水轮发电机组由哈尔滨电机厂有限责任公司承建，是世界水电发展史上首次采用1 000 MW的水轮机组。1 000 MW机组为中高水头、中低转速、巨型混流式水轮发电机组，不仅运行水头高、水头变幅范围广，而且结构外形尺寸巨大，其中水头高达200多米，机组所要承受的荷载更大、运行条件更加严苛。

大型水电站机组蜗壳焊缝的无损检测常采用超声波检测(UT)和射线检测(RT)。然而，常规超声波检测结果不能直观保存、缺陷特征评价信息受人员主观因素影响较大；射线检测工作量大、工期长，对环境具有辐射作用还有检测灵敏度相对较低、局部空间受限等缺点。近年来，衍射时差法超声检测(TOFD)[1]由于不受缺欠指向性的限制、检测结果更为直观、检测精度高于常规超声检测精度且可进行数字化存储，无射线辐射、检测速度快、缺欠深度测量准确等优势。TOFD发展速度极快，在各个行业取得了广泛的应用。

1 1 000 MW水轮机组蜗壳简介

蜗壳是混流式水轮机组埋入部分的引水部件，与引水压力钢管和尾水管相连，位于水轮机最外层，从四周包围着座环，并与座环的上、下过渡板相连接，水流以较小的水头损失，均匀对称地引向导水机构，形成环流后再进入转轮，保证转轮工作时始终浸入水中。蜗壳装配结构示意图如图1所示。

图1 蜗壳结构示意图

白鹤滩水电站右岸机组蜗壳最大直径8.6 m，总重615.2 t，由30节管节现场拼焊而成，管节板材厚度t=43～97 mm，蜗壳制作材料采用800 MPa级高强钢材质[2]，是行业内首次将800 MPa级低合金高强钢大批量应用于1 000 MW级混流式水轮机组制造中。

800 MPa级高强钢含碳量相当大，具有焊接裂纹敏感系数高，低温冲击性能要求高，焊接难度大等特点。

2 蜗壳无损检测技术方法介绍

2.1 检测时机与方法标准

蜗壳焊缝应在焊接完成48 h后进行检测，所有焊缝进行100%UT无损检测，加100%MT或PT无损检测，对所有的纵缝(不等厚对接接头)及T形焊缝进行100%TOFD无损检测。无损检测验收标准如下：

(1) 超声波检测(UT)GB/T 11345《焊缝无损检测 超声检测 技术、检测等级和评定》，检测等级B级，合格等级Ⅰ级。

(2) 磁粉检测(MT)NB/T 47013.4《承压设备无损检测 第4部分：磁粉检测》，合格等级Ⅱ级。

(3) 渗透检测(PT)NB/T 47013.5《承压设备无损检测 第5部分：渗透检测》，合格等级Ⅱ级。

(4) 衍射时差法超声检测(TOFD)DL/T 330《水电水利工程金属结构及设备焊接接头衍射时差法超声检测》或NB/T 47013.10《承压设备无损检测 第10部分：衍射时差法超声检测》，合格等级Ⅱ级。

2．2 衍射时差法超声检测(TOFD)技术简介

衍射时差法超声检测(TOFD)，是采用一发一收探头对工作模式、主要利用缺陷端点的衍射波信号探测和测定缺陷位置及尺寸的一种超声检测方法。TOFD检测原理示意图如图2所示。

图2 TOFD检测原理示意图

TOFD检测较常规超声检测方法而言，除可显示A型脉冲波形外，还可以得到D扫描图像，检测结果更为直观；TOFD检测还可对缺陷的深度、高度及长度进行精确测量。

TOFD检测底面盲区分为焊缝中心底面盲区和轴偏离盲区。根据相关标准，焊缝中心底面盲区高度一般要求≤1 mm。对蜗壳焊缝进行检测时，可通过不同位置、多次扫查来解决轴偏离盲区的问题。

基于TOFD检测的优点，对蜗壳所有纵向焊缝及T形焊缝，特别是对焊接具有不同厚度的焊缝[3]检测效果俱佳。

3 蜗壳焊缝TOFD检测技术分析

3．1 蜗壳焊缝结构情况

蜗壳相关焊缝超声波检测(UT)及磁粉检测(MT)/渗透检测(PT)的无损检测常规技术现具有比较成熟的经验。对于等厚度工件对接焊缝TOFD的检测技术及操作工艺规程也已具备相对成熟的经验，而对于不等厚厚度差较大的工件对接接头焊缝的TOFD检测技术，其相应的作业指导书及操作工艺规程还没有相对成熟的依据。白鹤滩水电站蜗壳焊缝节数的对接接头绝大多数采用的是不等厚厚度差较大的对接接头焊接方式。蜗壳焊缝典型焊接接头厚度差统计数值如表1所示。下面着重介绍衍射时差法超声检测(TOFD)检测技术在1 000 MW水轮机蜗壳所有纵向焊缝及T形焊缝上的应用。

表1 蜗壳焊缝典型焊接接头厚度差统计表 单位：mm

据统计，座环蜗壳纵缝共有142条，而存在厚度差的焊缝高达138条，不等厚厚度差焊缝占比高达97.18%。由表1蜗壳焊缝典型焊接接头厚度差统计表可以看出，蜗壳进口第一节与座环过渡段第一节对接接头厚度差最大高达23 mm、最小为6 mm(蜗壳与座环过渡段纵向焊缝焊接示意图如图3所示)；单节蜗壳间厚度差最大高达21 mm、最小为5 mm(蜗壳单节纵向焊缝焊接示意图如图4所示)。

图3 蜗壳与座环过渡段纵向焊缝

图4 蜗壳单节纵向焊缝

3．2 蜗壳不等厚纵缝TOFD检测技术

(1) 对比试块

依据图纸要求，座环蜗壳纵缝为单面削边处理的对接接头，且母材不等厚厚度差≥5 mm。相关标准规定：焊缝两侧母材公称厚度不同时，取薄侧公称厚度值。而蜗壳管节板材厚度t=43～97 mm、座环过渡段板材厚度T=49～120 mm，蜗壳各管节纵缝曲率半径远≥150 mm，所以采用平面对比试块即可进行检测校准。平面对比试块的制作要求应符合相同厚度和结构形式，分别在两侧检测区域边界线和焊缝中心线设置直径2 mm、长度60 mm的侧孔，侧孔深度均位于表面下4 mm处。当25 mm

图5 单面削边处理的不等厚对接接头对比试块

(2) 扫查方法

单面削边处理且一面平齐的不等厚对接接头，母材不等厚厚度差≥5 mm时，应采用图5要求的对比试块进行检测工艺的设置。应至少进行两次非平行扫查，如图6(a)、6(b)所示和一次偏置非平行扫查如图6(c)所示，及表面盲区的补充检测，即超声波检测、磁粉检测。

图6 单面削边处理的不等厚纵向焊缝扫查方法

(3) PCS的设置[4]

不等厚对接接头单面削边侧作为扫查面时，厚板削边面/平面、薄板平面位置上探头相对于聚焦点是不对称的，厚板侧超声波信号传播距离长，薄板侧超声波信号传播距离短。第一通道探头位置存在两种情况，一种情况两探头均位于厚板平面与薄板平面上，如图7(a)所示，则：

另一种情况厚板侧探头位于厚板削边面上、薄板侧探头位于薄板平面上[5]，且厚板削边侧的探头存在折射角，相对于探头位于平面时发生了变化，如图7(b)所示，则：

第二通道探头位置由于工件厚度所致，PCS值较大，其位置均位于厚板平面与薄板平面上，如图7所示，则：

图7 不等厚对接接头单面削边侧检测示意图

不等厚对接接头两平面侧作为扫查面时，厚板、薄板两平面侧位置通道上的探头相对聚焦点是对称的，且超声波信号传播距离相等，如图8所示，则：

图8 不等厚对接接头两平面侧检测示意图

(4) 灵敏度的设置

由于蜗壳纵缝不等厚厚度差≥5 mm，所以均需在单面削边处理的不等厚对接接头的对比试块上设置各通道的检测灵敏度，将各通道A扫描时间窗口内，各反射体产生的最弱衍射信号波幅，设置为满屏高度的40%～80%，作为灵敏度。

4 结论

衍射时差法超声(TOFD)检测技术在白鹤滩水电站1 000 MW级大型水轮机蜗壳纵向焊缝上的应用，特别是不同厚度差结构形式的不等厚对接接头的检测应用，表明在水电行业上应用TOFD检测技术已具备相当成熟的经验，可为水电等其他行业提供不等厚对接接头完整焊缝的TOFD检测理论依据。最终得到的TOFD图谱检测数据可为长期跟踪蜗壳焊缝质量提供保证，可检测出常规超声难以检出的与检测面垂直或倾斜角度接近入射角的面积型缺陷。但值得注意的是，由于不等厚对接接头母材较厚侧的初始底面盲区较大，除在较厚工件侧增加偏置非平行扫查外，还需增加超声波检测(UT)、磁粉检测(MT)/渗透检测(PT)，对表面及其近表面进行适当的补充检测。