水斗式水轮机座环蜗壳焊缝无损探伤探讨

陈金凤

(广西水利电业集团新疆克州水利发电有限公司，新疆 克孜勒苏柯尔克孜州 845561)

1 工程概况

位于我国西北地区的G水电站3#水轮机于2014年6月23日投产，2019年6月进行首次检修，机组额定容量67MW，属于三相立轴冲击水斗式水轮机组，额定运行功率50Hz。该水斗式水轮机座环蜗壳是水轮机两大重要构件，蜗壳与座环主要通过过渡板及座环上下蝶形边焊接，焊接质量时时刻刻承受着水压力荷载分布及顶盖作用力等机组运行工况的影响和考验。水轮机座环蜗壳节数主要与座环尺寸有关，该水电站3#水轮机共有20节，总设计吨位77t，其座环和蜗壳的具体结构详见图1。

(a)座环与蜗壳结构俯视图 (b)座环与蜗壳结构剖面图

蜗壳各节段及其与座环上下蝶形边连接之处均存在焊缝，由于座环、蜗壳及蜗壳各节段板厚不同，所形成的焊缝也存在等厚和不等厚形式，焊缝总长度达150m左右，通过二氧化碳气体保护焊以横焊、立焊、仰焊、平焊等方式全方位焊接。

2 无损探伤检测比较

制造公司和业主在相关技术文件中均未明确规定G水电站3#水斗式水轮机座环蜗壳焊缝探伤方式和检测标准，导致双方在该水轮机座环蜗壳焊缝探伤过程中产生一定分歧。

2.1 制造公司检测

制造公司只对该水轮机座环蜗壳焊缝进行超声波无损探伤，探测过程中主要采用美国ASME锅炉和压力容器规范，该规范将压力容器焊缝缺陷划分为裂缝、未焊透、熔合不当等线性平面状缺陷以及夹渣、气孔等非线性体积状缺陷两大类。在检测前主要根据实际板厚确定横通孔直径，进而对应不同的探伤灵敏度，探伤记录仪根据所记录的参考点在不同直径横通孔试块上绘制DAC曲线，对于反射波幅超出DAC曲线20%的指示回波必须进行专门分析，以确定其所反映的缺陷位置、尺寸、形状、属性等，根据分析结果进行以下判定：

如果判定结果显示其属于线性缺陷，则无论其具体尺寸、波幅等如何，均按照不合格处理；如果判定结果显示其属于非线性缺陷，则进一步分析回波幅度是否超出DAC曲线100%以及表1所列缺陷实际长度，若两个方面均超出，则视为不合格。G水电站3#水斗式水轮机座环蜗壳焊缝实际厚度在25-40mm之间，横通孔直径按3.2mm确定，探伤仪灵敏度取值在φ3.2-14dB范围，根据表1中的标准，非线性体积状缺陷长度必须控制在1/3T以内，并通过半波高度法进行焊缝缺陷实际长度的检测[1]。

表1 焊缝厚度及缺陷长度

制造公司按照美国ASME锅炉和压力容器规范，采用USM35无损检测仪对G水电站3#水斗式水轮机座环蜗壳焊缝以及蜗壳节段、蝶形边焊缝进行超声波探伤，未检测出任何线性平面状缺陷及非线性体积状缺陷。

2.2 业主复检

2.2.1 超声波探伤复检

业主根据《承压设备无损检测》(JB/T4730.3-2005)对G水电站3#水斗式水轮机座环蜗壳焊缝进行超声波探伤检测。根据所记录的CSK-ⅡA试块参考点绘制DAC曲线，所采用的横通孔直径为2mm，评定线灵敏度φ2*40-18dB、测线长灵敏度φ2*40-12dB、判废线灵敏度φ2*40-4dB。无论缺陷实际长度如何，反射波波幅在φ2*40-4dB以上的缺陷均不允许存在；若复检人员对反射波波幅在φ2*40-4dB以上的缺陷是否能存在有疑问，则必须通过增加检测面复检，并结合对回波动静态波形及焊接方式、构件实际结构等进行综合判定，线性平面状缺陷及非线性体积状缺陷均不允许存在[2]。

对于反射波波幅位于φ2*40-12dB-φ2*40-4dB区间内的水斗式水轮机座环蜗壳焊缝缺陷必须采用单个及多个高点半波高度法检测缺陷长度，且当焊缝厚度T∈(6，120)mm时，缺陷长度L应取2/3T，并不得超出(12，40)mm范围。

业主方按照以上规定对G水电站3#水斗式水轮机座环蜗壳、蜗壳节段及上下蝶形边对接焊缝进行超声波探伤复检，检测结果显示存在5处不合格缺陷，且均位于焊缝对接位置，具体见表2。

表2 3#水斗式水轮机座环蜗壳焊缝超声波探伤复检不合格结果

2.2.2 射线探伤复检

在超声波探伤复检的基础上，业主方又根据《钢熔化焊对接接头射线照相和质量分析》(GB/T3323-2005)进行了G水电站3#水斗式水轮机座环蜗壳焊缝射线探伤复检。依据缺陷具体情况，将焊接接头划分成不同等级；长宽比在3.0以下的夹渣、气孔等均属于圆形缺陷，在缺陷最为严重的区域按长10mm、宽20mm的尺寸设置评定区；长宽比在3.0以上的夹渣、气孔则属于条形缺陷，规范中所规定的条形缺陷长度不得超出板厚的2/3，对于不等厚材料对接的情况，取最薄板厚。

G水电站3#水斗式水轮机座环蜗壳、蜗壳节段、上下蝶形边的丁字形焊缝位置进行了射线探伤复检，检测出的焊缝缺陷多达20处，典型缺陷情况具体见表3。

表3 3#水斗式水轮机座环蜗壳焊缝射线探伤复检典型缺陷

3 检测结果差异的原因分析

G水电站3#水斗式水轮机制造公司和业主方对座环蜗壳焊缝超声波探伤检测结果存在较大出入，究其原因主要在于双方所采用的标准不同，两个标准在灵敏度及焊缝缺陷评定方面存在差异。

3.1 灵敏度差异

根据美国ASME锅炉和压力容器规范的相关规定，对于板厚取值位于25-50mm范围内水轮机座环蜗壳焊缝，在进行超声波探伤时所使用的比较试块横通孔孔径必须为φ3.2mm，探伤灵敏度取φ3.2-14dB。但《承压设备无损检测》(JB/T4730.3-2005)规定的板厚6-46mm范围内的焊缝探伤比较试块横通孔应取φ2.0mm，探伤灵敏度取φ2-18dB。

3.2 焊缝缺陷评定差异

美国ASME锅炉和压力容器规范规定，超出试块参考点DAC曲线20%的全部缺陷均必须重新进行评定。具体而言，超声波无损探伤所测得的裂纹、未焊透及熔合不良等线性平面状缺陷均应判定为不合格；而夹渣、气孔等非线性体积状缺陷只有当其缺陷回波超出试块参考点DAC曲线100%，并通过半波高度法测量其缺陷长度，长度在1/3板厚以上时才应排定为不合格。而《承压设备无损检测》(JB/T4730.3-2005)并未进行焊缝缺陷定性，仅规定缺陷波幅在φ2*40-12-φ2*40-4dB之间并通过半波高度法进行缺陷长度测量，对于长度在2/3板厚以上的焊缝缺陷，即为不合格；同时，缺陷波幅在φ2*40-4dB以上的全部回波，无论实际焊缝缺陷长度如何，均应判定为不合格。

根据以上比较，G水电站3#水斗式水轮机座环蜗壳焊缝无损探伤检测过程中，制造公司对非线性体积状缺陷的检测较为宽松，探伤检测结果所体现的焊缝损伤数量比业主方检测结果少，且损伤程度也较轻。此外，业主方复检所采用的超声波探伤和射线探伤无损检测技术在检测原理和评定依据方面均存在较大差异，必然造成业主方两次复检结果的不一致[3]。但是两次复检结果均显示，G水电站3#水斗式水轮机座环蜗壳焊缝缺陷性质主要表现为夹渣和气孔，这表明在座环蜗壳焊接过程中气体保护以及焊道层间缺乏全面清理，为此必须采取有效措施应对和解决。

4 结 论

综上所述，水斗式水轮机制造企业在和业主方就G水电站3#水斗式水轮机制造协议进行洽谈时，必须在相关技术文件中明确规定水轮机座环蜗壳焊缝所应采取的探伤检测方法及所适用的标准，以防止双方因依据不同探伤检测标准、采取不同探伤方法而引发分歧。综合比较制造企业所提供的G水电站3#水斗式水轮机超声波无损探伤检测结果，业主对其持基本认可态度，但为确保水轮机座环蜗壳焊缝质量，进一步从焊接和检验方面进行了改进。