水斗式水輪機座環蝸殼焊縫無損探傷探討

陳金鳳

(廣西水利電業集團新疆克州水利發電有限公司，新疆 克孜勒蘇柯爾克孜州 845561)

1 工程概況

位于我國西北地區的G水電站3#水輪機于2014年6月23日投產，2019年6月進行首次檢修，機組額定容量67MW，屬于三相立軸沖擊水斗式水輪機組，額定運行功率50Hz。該水斗式水輪機座環蝸殼是水輪機兩大重要構件，蝸殼與座環主要通過過渡板及座環上下蝶形邊焊接，焊接質量時時刻刻承受著水壓力荷載分布及頂蓋作用力等機組運行工況的影響和考驗。水輪機座環蝸殼節數主要與座環尺寸有關，該水電站3#水輪機共有20節，總設計噸位77t，其座環和蝸殼的具體結構詳見圖1。

(a)座環與蝸殼結構俯視圖 (b)座環與蝸殼結構剖面圖

蝸殼各節段及其與座環上下蝶形邊連接之處均存在焊縫，由于座環、蝸殼及蝸殼各節段板厚不同，所形成的焊縫也存在等厚和不等厚形式，焊縫總長度達150m左右，通過二氧化碳氣體保護焊以橫焊、立焊、仰焊、平焊等方式全方位焊接。

2 無損探傷檢測比較

制造公司和業主在相關技術文件中均未明確規定G水電站3#水斗式水輪機座環蝸殼焊縫探傷方式和檢測標準，導致雙方在該水輪機座環蝸殼焊縫探傷過程中產生一定分歧。

2.1 制造公司檢測

制造公司只對該水輪機座環蝸殼焊縫進行超聲波無損探傷，探測過程中主要采用美國ASME鍋爐和壓力容器規范，該規范將壓力容器焊縫缺陷劃分為裂縫、未焊透、熔合不當等線性平面狀缺陷以及夾渣、氣孔等非線性體積狀缺陷兩大類。在檢測前主要根據實際板厚確定橫通孔直徑，進而對應不同的探傷靈敏度，探傷記錄儀根據所記錄的參考點在不同直徑橫通孔試塊上繪制DAC曲線，對于反射波幅超出DAC曲線20%的指示回波必須進行專門分析，以確定其所反映的缺陷位置、尺寸、形狀、屬性等，根據分析結果進行以下判定：

如果判定結果顯示其屬于線性缺陷，則無論其具體尺寸、波幅等如何，均按照不合格處理；如果判定結果顯示其屬于非線性缺陷，則進一步分析回波幅度是否超出DAC曲線100%以及表1所列缺陷實際長度，若兩個方面均超出，則視為不合格。G水電站3#水斗式水輪機座環蝸殼焊縫實際厚度在25-40mm之間，橫通孔直徑按3.2mm確定，探傷儀靈敏度取值在φ3.2-14dB范圍，根據表1中的標準，非線性體積狀缺陷長度必須控制在1/3T以內，并通過半波高度法進行焊縫缺陷實際長度的檢測[1]。

表1 焊縫厚度及缺陷長度

制造公司按照美國ASME鍋爐和壓力容器規范，采用USM35無損檢測儀對G水電站3#水斗式水輪機座環蝸殼焊縫以及蝸殼節段、蝶形邊焊縫進行超聲波探傷，未檢測出任何線性平面狀缺陷及非線性體積狀缺陷。

2.2 業主復檢

2.2.1 超聲波探傷復檢

業主根據《承壓設備無損檢測》(JB/T4730.3-2005)對G水電站3#水斗式水輪機座環蝸殼焊縫進行超聲波探傷檢測。根據所記錄的CSK-ⅡA試塊參考點繪制DAC曲線，所采用的橫通孔直徑為2mm，評定線靈敏度φ2*40-18dB、測線長靈敏度φ2*40-12dB、判廢線靈敏度φ2*40-4dB。無論缺陷實際長度如何，反射波波幅在φ2*40-4dB以上的缺陷均不允許存在；若復檢人員對反射波波幅在φ2*40-4dB以上的缺陷是否能存在有疑問，則必須通過增加檢測面復檢，并結合對回波動靜態波形及焊接方式、構件實際結構等進行綜合判定，線性平面狀缺陷及非線性體積狀缺陷均不允許存在[2]。

對于反射波波幅位于φ2*40-12dB-φ2*40-4dB區間內的水斗式水輪機座環蝸殼焊縫缺陷必須采用單個及多個高點半波高度法檢測缺陷長度，且當焊縫厚度T∈(6，120)mm時，缺陷長度L應取2/3T，并不得超出(12，40)mm范圍。

業主方按照以上規定對G水電站3#水斗式水輪機座環蝸殼、蝸殼節段及上下蝶形邊對接焊縫進行超聲波探傷復檢，檢測結果顯示存在5處不合格缺陷，且均位于焊縫對接位置，具體見表2。

表2 3#水斗式水輪機座環蝸殼焊縫超聲波探傷復檢不合格結果

2.2.2 射線探傷復檢

在超聲波探傷復檢的基礎上，業主方又根據《鋼熔化焊對接接頭射線照相和質量分析》(GB/T3323-2005)進行了G水電站3#水斗式水輪機座環蝸殼焊縫射線探傷復檢。依據缺陷具體情況，將焊接接頭劃分成不同等級；長寬比在3.0以下的夾渣、氣孔等均屬于圓形缺陷，在缺陷最為嚴重的區域按長10mm、寬20mm的尺寸設置評定區；長寬比在3.0以上的夾渣、氣孔則屬于條形缺陷，規范中所規定的條形缺陷長度不得超出板厚的2/3，對于不等厚材料對接的情況，取最薄板厚。

G水電站3#水斗式水輪機座環蝸殼、蝸殼節段、上下蝶形邊的丁字形焊縫位置進行了射線探傷復檢，檢測出的焊縫缺陷多達20處，典型缺陷情況具體見表3。

表3 3#水斗式水輪機座環蝸殼焊縫射線探傷復檢典型缺陷

3 檢測結果差異的原因分析

G水電站3#水斗式水輪機制造公司和業主方對座環蝸殼焊縫超聲波探傷檢測結果存在較大出入，究其原因主要在于雙方所采用的標準不同，兩個標準在靈敏度及焊縫缺陷評定方面存在差異。

3.1 靈敏度差異

根據美國ASME鍋爐和壓力容器規范的相關規定，對于板厚取值位于25-50mm范圍內水輪機座環蝸殼焊縫，在進行超聲波探傷時所使用的比較試塊橫通孔孔徑必須為φ3.2mm，探傷靈敏度取φ3.2-14dB。但《承壓設備無損檢測》(JB/T4730.3-2005)規定的板厚6-46mm范圍內的焊縫探傷比較試塊橫通孔應取φ2.0mm，探傷靈敏度取φ2-18dB。

3.2 焊縫缺陷評定差異

美國ASME鍋爐和壓力容器規范規定，超出試塊參考點DAC曲線20%的全部缺陷均必須重新進行評定。具體而言，超聲波無損探傷所測得的裂紋、未焊透及熔合不良等線性平面狀缺陷均應判定為不合格；而夾渣、氣孔等非線性體積狀缺陷只有當其缺陷回波超出試塊參考點DAC曲線100%，并通過半波高度法測量其缺陷長度，長度在1/3板厚以上時才應排定為不合格。而《承壓設備無損檢測》(JB/T4730.3-2005)并未進行焊縫缺陷定性，僅規定缺陷波幅在φ2*40-12-φ2*40-4dB之間并通過半波高度法進行缺陷長度測量，對于長度在2/3板厚以上的焊縫缺陷，即為不合格；同時，缺陷波幅在φ2*40-4dB以上的全部回波，無論實際焊縫缺陷長度如何，均應判定為不合格。

根據以上比較，G水電站3#水斗式水輪機座環蝸殼焊縫無損探傷檢測過程中，制造公司對非線性體積狀缺陷的檢測較為寬松，探傷檢測結果所體現的焊縫損傷數量比業主方檢測結果少，且損傷程度也較輕。此外，業主方復檢所采用的超聲波探傷和射線探傷無損檢測技術在檢測原理和評定依據方面均存在較大差異，必然造成業主方兩次復檢結果的不一致[3]。但是兩次復檢結果均顯示，G水電站3#水斗式水輪機座環蝸殼焊縫缺陷性質主要表現為夾渣和氣孔，這表明在座環蝸殼焊接過程中氣體保護以及焊道層間缺乏全面清理，為此必須采取有效措施應對和解決。

4 結 論

綜上所述，水斗式水輪機制造企業在和業主方就G水電站3#水斗式水輪機制造協議進行洽談時，必須在相關技術文件中明確規定水輪機座環蝸殼焊縫所應采取的探傷檢測方法及所適用的標準，以防止雙方因依據不同探傷檢測標準、采取不同探傷方法而引發分歧。綜合比較制造企業所提供的G水電站3#水斗式水輪機超聲波無損探傷檢測結果，業主對其持基本認可態度，但為確保水輪機座環蝸殼焊縫質量，進一步從焊接和檢驗方面進行了改進。