烏東德水電站蝸殼800 MPa級高強鋼焊縫的無損檢測

蔡正洪,殷學成,方 芳

(中國長江三峽集團有限公司,湖北 宜昌 443133)

0 前 言

烏東德水電站蝸殼是中國首次將800 MPa級高強度鋼板應用于制造水輪發電機組蝸殼的成功案例。制造安裝過程中，安裝難度大、焊接工藝要求高，目前尚無成熟經驗可借鑒。為確保焊縫質量，一方面烏東德水電站參建各方精心研究焊接工藝，強化焊接全過程管理，針對蝸殼焊縫建立了全方位焊接質量追溯制度，從源頭抓好焊縫質量；另一方面高度重視焊縫的無損檢測，提高焊縫無損檢測比例，增加無損檢測方法，不留檢測死角。蝸殼焊縫施工單位需進行100%TOFD探傷、100%超聲探傷、100%磁粉探傷，監理和第三方檢測在施工單位檢測合格后進行30%的無損檢測抽檢。本文對烏東德水電站蝸殼800 MPa級高強鋼無損檢測要求、現場檢測難點及改進建議進行全面總結，為今后類似工程施工提供借鑒。

1 蝸殼參數

烏東德水電站左右岸各安裝6臺862.1 MW機組，左岸蝸殼管節板厚27～68 mm，過渡板板厚70～115 mm，焊縫拼裝采用過流面對齊，右岸蝸殼管節板厚24～68 mm，過渡板板厚50～110 mm，焊縫拼裝采用板厚中心對齊，焊縫內外表面余高磨平。

2 蝸殼焊縫的無損檢測

施工單位針對蝸殼焊縫結構特點，報送無損探傷工藝，經過參建各方試驗驗證，并由烏東德水電站工程建設部組織無損檢測專家多次會議討論，通過首臺機組蝸殼焊縫檢測總結完善后，制定了最終的無損檢測工藝。焊縫無損檢測程序為：TOFD→UT→MT。下面對3種無損檢測方法及改進建議進行介紹。

2.1 TOFD檢測

2.1.1蝸殼焊縫TOFD檢測要求

焊縫TOFD檢測采用NB/T 47013.10-2015《承壓設備無損檢測》[1]，檢測技術B級，焊縫質量等級Ⅰ級。探頭頻率5 MHz，直徑為6 mm，楔塊角度選用70°、60°或45°。板厚≤45 mm時，進行單面不分區非平行掃查，共1次掃查；45 mm<板厚<50 mm時，進行單面不分區非平行掃查和偏置非平行掃查，共3次掃查；50 mm≤板厚≤68 mm時，進行單面2個分區非平行掃查和2次偏置非平行掃查，共4次掃查。考慮現場實際檢測條件，橫向缺陷檢測由常規超聲檢測完成，發現橫向缺陷必要時進行平行掃查[2]。

2.1.2蝸殼焊縫TOFD現場檢測難點

(1) 耦合效果差，主要有以下幾個原因： 一是蝸殼拼裝壓縫時造成探傷面凹凸不平；二是探傷面打磨不平整；三是打磨后產生的細小砂粒，特別是蝸殼底部過流面區域細小砂粒難以清理干凈。

(2) 單通道TOFD儀器進行分區檢測時，采集數據走偏或板厚變化大，時間窗口極易發生改變，易造成分區覆蓋不滿足標準要求。

(3) 焊縫余高磨平后，不能準確找出焊縫中心線，導致采集的數據不正確，從而造成焊縫缺陷漏檢或錯判。

(4) 蝸殼蝶邊焊縫因板厚差大，為保證圖譜數據不丟失，需要將十字縫部位圓滑過渡。

2.1.3蝸殼焊縫TOFD檢測改進建議

(1) 為保證焊縫探傷面的平整度，建議用電動鋼絲刷或拋光片打磨。

(2) 對于50 mm≤板厚≤68 mm的蝸殼焊縫，特別是蝸殼焊縫頂部、底部區域及蝶邊焊縫，建議按三峽集團企業標準TGPS.J《金屬結構及機電設備超聲衍射時差法檢測標準》[3]進行雙面掃查，不做分區掃查。主要好處有：① 可以觀察缺陷在底面縱波反射與底面橫波反射之間的特征，給缺陷定性提供更多的判定依據；② 在缺陷較多的蝸殼底面和頂部區域，可減少缺陷漏檢；③ 可以減少單面掃查時掃查面盲區。

(3) 單面分區掃查時，優先選用帶多通道TOFD儀器。若采用單通道TOFD儀器應適當將分區窗口設置加大，以避免分區檢測不能按標準要求覆蓋。

(4) 蝸殼合攏焊縫和蝶邊焊縫由于焊接應力大，容易產生裂紋類缺陷， TOFD檢測宜做雙面掃查。

(5) 為改善耦合，提高圖譜采集質量和效率，建議用水耦合，特別是砂粒較多的部位。

(6) 為掃查定位準確，避免掃查位置偏移導致采集數據錯誤，造成缺陷漏檢或錯判，TOFD檢測宜安排在焊縫余高打磨前進行。

2.1.4蝸殼焊縫TOFD檢測實例分析

(1) 12號機蝸殼11/12管節環縫TOFD探傷發現2處條狀缺陷，長度分別為38 mm 和97 mm，深度35～38 mm，缺陷圖譜見圖1。缺陷漏檢的原因:① 施工單位檢測人員在數據采集過程中對TOFD儀器上的圖譜未仔細觀察；② 采集完成后未在電腦上對圖譜進行判讀。為避免此類錯誤再次發生，要求TOFD圖譜判讀須在電腦上完成且由2個持證人員獨立進行。

圖1 缺陷圖譜圖

圖2 缺陷圖譜圖

(2) 8號機蝸殼壓力鋼管與蝸殼環縫TOFD探傷時發現1處長度11 mm深8 mm的表面開口缺陷，缺陷圖譜見圖2。由于該缺陷只是引起直通波減弱未完全斷開，施工單位檢測人員未認真分析TOFD探傷中直通波沿檢測面最短路徑傳輸，加之打磨并未完全將焊縫余高磨平，磁粉檢測未能發現這類表面開口缺陷，誤判為點狀缺陷而漏檢，缺陷返修照片見圖3。

圖3 缺陷返修照片

(3) 4號機蝸殼大舌板與蝸殼焊縫TOFD探傷發現1處長度94 mm深58 mm的條狀缺陷，缺陷圖譜見圖4～6。施工單位焊縫對中掃描圖譜與圖6一致，由此判斷施工單位TOFD數據采集時因焊縫中心定位偏離，導致圖譜數據不正確，將條狀缺陷判定為點狀缺陷導致了缺陷漏檢。

圖4 焊縫對中掃查圖譜

圖5 焊縫左偏掃圖譜

圖6 焊縫右偏掃圖譜

2.2 超聲檢測

2.2.1蝸殼焊縫超聲檢測要求

焊縫超聲檢測采用ASME BPVC-Ⅴ-2017 《ASME鍋爐及壓力容器規范》國際性規范中焊縫超聲波檢驗方法[4]。焊縫質量符合ASME BPVC-Ⅷ-2017《ASME鍋爐及壓力容器規范》中強制性附錄12 焊縫的超聲波檢驗[5]。焊縫超聲需做雙面雙側雙探頭檢測，橫向缺陷檢測選用平行或斜平行掃查。探頭頻率2～2.5 MHz，K值(或角度)K2.5、K2、K1(70°、60°、45°)。

2.2.2蝸殼焊縫超聲檢測難點

(1) 焊縫超聲檢測難點是蝸殼管節與過渡板的蝶邊焊縫、蝸殼管節與大舌板焊縫，焊縫兩側板厚差大，差值達50 mm，且過渡板、大舌板均有厚度削薄過渡區，削薄寬度50mm左右且打磨不平整，探頭移動寬度受限，焊縫全覆蓋檢測困難[6]。

(2) 蝸殼焊縫余高打磨后凹凸不平，橫向缺陷超聲平行掃查時耦合效果差，斜平行掃查檢出率低，容易造成缺陷漏檢。

2.2.3蝸殼焊縫超聲檢測改進建議

(1) 對ASME鍋爐及壓力容器規范中超聲檢測比較普遍的理解是采用直射法檢測，而不用1次反射法檢測。但由于焊縫缺陷方向的原因，部分缺陷的1次反射法比直射法(包括另1個檢測面直射法)波高。為減少缺陷漏檢，在蝸殼焊縫超聲檢測時，條件具備時宜增加1次反射法檢測。

(2) 蝸殼焊縫橫向缺陷檢測最好安排在焊縫余高磨平后選用平行掃查，焊縫超聲探傷評定標準將合格標準提高6 dB。

2.3 磁粉檢測

2.3.1蝸殼焊縫磁粉檢測要求

蝸殼焊縫磁粉檢測采用ASME BPVC-Ⅴ-2017 《ASME鍋爐及壓力容器規范》國際性規范中磁粉檢驗。焊縫質量符合ASME BPVC-Ⅷ-2017《ASME鍋爐及壓力容器規范》中強制性附錄6 磁粉檢測法。焊縫余高打磨平整后，采用交叉磁軛或交流電磁軛連續法，根據焊縫探傷面與磁軛面接觸情況優先選擇交叉磁軛法。磁粉用非熒光，磁懸液可用磁粉配制或磁懸液噴灌。為了更好觀察磁痕顯示，可在焊縫表面噴涂反差增強劑[7]。

2.3.2蝸殼焊縫磁粉檢測需要注意的問題

焊縫外觀檢測及修補應在磁粉探傷之前完成，在左、右岸蝸殼焊縫施工單位磁粉檢測完成后均有焊縫外觀檢查不合格修補現象，第三方抽檢時在補焊部位發現深度1～2 mm淺表橫向裂紋。

3 結 語

經過1 a的努力，2018年底完成全部12臺機組蝸殼焊縫的無損檢測。與三峽、向家壩、溪洛渡水電站相比，烏東德水電站蝸殼焊縫主要是增加了TOFD檢測比例，由局部抽檢提高100%檢測。采用800 MPa級高強度鋼板的蝸殼焊縫無損檢測一檢合格率均大于98%，TOFD圖譜除在蝸殼底部和頂部仰焊區域未超標點狀較多外均只有很少的點狀缺陷。3種無損檢測方法相互補充相互驗證，確保蝸殼焊縫質量。