汽輪機(jī)組焊接轉(zhuǎn)子焊縫無損檢測技術(shù)

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摘要：汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是發(fā)電機(jī)組核心部件，目前汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子主要分為：整鍛轉(zhuǎn)子、套轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子和焊接轉(zhuǎn)子。焊接轉(zhuǎn)子因在制作過程中會(huì)采用大量焊接工藝而得名。本文將根據(jù)焊接轉(zhuǎn)子的技術(shù)特征，介紹目前焊接轉(zhuǎn)子焊縫的檢測技術(shù)發(fā)展情況和未來發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子；焊接轉(zhuǎn)子；無損檢測

1汽輪機(jī)組焊接轉(zhuǎn)子的發(fā)展

火力發(fā)電依靠煤燃燒加熱產(chǎn)生的高溫高壓水蒸氣推動(dòng)汽輪機(jī)組的轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行發(fā)電。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子需在高溫高壓的環(huán)境下進(jìn)行高速轉(zhuǎn)動(dòng)，對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材質(zhì)，鍛造水平有著極高的要求。目前汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子按照制作方法分為：整鍛轉(zhuǎn)子、套裝轉(zhuǎn)子和焊接轉(zhuǎn)子。整鍛轉(zhuǎn)子就是整體鍛造，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子重量一般都在幾十上百噸，這種大型設(shè)備的整體鍛造對鍛造設(shè)備、鍛造技術(shù)都有著非常高的要求；套裝轉(zhuǎn)子是通過熱套工藝將轉(zhuǎn)子和輪盤裝配在一起的轉(zhuǎn)子，不過這種工藝制作的套轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子在高溫高壓的工作環(huán)境下葉輪軸套易松動(dòng)；焊接轉(zhuǎn)子是將轉(zhuǎn)子分段鍛造，鍛造完成后進(jìn)行焊接，焊接轉(zhuǎn)子與整鍛轉(zhuǎn)子相比，鍛造難度小，于套轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子比又相對穩(wěn)定，而且焊接轉(zhuǎn)子的空腔結(jié)構(gòu)，質(zhì)量相對較輕，發(fā)電效率更高，熱能損耗低[3]。1930年，世界上第一根焊接轉(zhuǎn)子由ALSTOM制作完成。第一根焊接轉(zhuǎn)子制作完成后因其相對簡單的制作工藝，焊接轉(zhuǎn)子在世界各地的機(jī)組得到了廣泛的應(yīng)用。世界各國在對焊接轉(zhuǎn)子廣泛應(yīng)用的同時(shí)，也在不斷進(jìn)行焊接轉(zhuǎn)子新技術(shù)的探索和革新。20世紀(jì)60年代，德國西門子公司（Siemens，Germany）利用CrMoV+NiCrMoV鋼作為焊機(jī)轉(zhuǎn)子構(gòu)件的原材料為Westalen發(fā)電廠設(shè)計(jì)制作了一根175MW的焊接轉(zhuǎn)子[1]。這次焊接轉(zhuǎn)子首先在坡口上采用了與以往大不相同的窄間隙U型坡口設(shè)計(jì)，焊接工藝上也擯棄了原先大量人工電弧焊，采用自動(dòng)氬弧焊（TIG）工藝方法。這種新的焊接轉(zhuǎn)子焊接工藝的出現(xiàn)，大大緩解了之前焊接轉(zhuǎn)子制作過程中存在的制作效率低，經(jīng)濟(jì)效益差等諸多問題，將焊接轉(zhuǎn)子的發(fā)展帶入了一個(gè)新的臺(tái)階。隨著材料技術(shù)的不斷發(fā)展，同種鋼和異種鋼被應(yīng)用到焊接轉(zhuǎn)子中，意大利（Italy）的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子制作公司利用引進(jìn)ABB的焊接技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)代化的焊接轉(zhuǎn)子制作，這種焊接制作技術(shù)仍是目前主要制作技術(shù)。近年來，公眾環(huán)境保護(hù)意識的不斷提高，淘汰污染大容量小發(fā)展參數(shù)高，裝機(jī)容量大的火力發(fā)電機(jī)組已成為目前發(fā)展趨勢。我國從20世紀(jì)50年代就開始進(jìn)行焊接轉(zhuǎn)子的制造和研究，經(jīng)過60多年的發(fā)展，我國在焊接轉(zhuǎn)子領(lǐng)域有著極強(qiáng)的技術(shù)積累。目前，高參數(shù)、高容量的發(fā)電機(jī)組整鍛汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛造技術(shù)要求高，造價(jià)昂貴，針對我國現(xiàn)狀，焊接轉(zhuǎn)子又回到人們視野中來。

2汽輪機(jī)組焊接轉(zhuǎn)子焊接技術(shù)和無損檢測

2.1轉(zhuǎn)子材料

在汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)子發(fā)展早期，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛造件主要材料為17CrMo1V。鍛造件強(qiáng)度較低，韌性差，在轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)中存在較大缺陷。隨著鍛造、冶煉技術(shù)的不斷發(fā)展，對鍛造件中微量元素P、Cr、Ni、Sb的控制越來越細(xì)致，質(zhì)量越來越高的材料開始應(yīng)用到轉(zhuǎn)子鍛造中。轉(zhuǎn)子材料的不斷升級，焊接轉(zhuǎn)子的焊接工藝也需要不斷升級。目前，焊接轉(zhuǎn)子不同鍛造件在焊接前均需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，通過這種調(diào)質(zhì)處理來保證材料的力學(xué)性能和抗應(yīng)力腐蝕性能都能達(dá)到要求，但在焊接接頭方面，因?yàn)檫@種處理導(dǎo)致的材質(zhì)各區(qū)域的各項(xiàng)性能不均勻，容易在焊接過程中對整個(gè)區(qū)域造成質(zhì)量缺陷，焊接成為了焊接轉(zhuǎn)子質(zhì)量控制的關(guān)健[2]。

2.2焊接工藝

2.2.1焊接坡口焊接坡口的設(shè)計(jì)是保證焊接質(zhì)量的第一步，坡口的設(shè)計(jì)要充分考慮焊接過程中收縮應(yīng)力分布和效率。焊接轉(zhuǎn)子是由小的轉(zhuǎn)子鍛造件一件件焊接而成，內(nèi)部會(huì)形成型腔，焊接完成后發(fā)面不能進(jìn)行清根，所以需要采用單面焊雙面成型的工藝。為了達(dá)到工藝要求，保證根部焊縫融透，減少根部應(yīng)力，焊接轉(zhuǎn)子早期均采用上寬下窄的坡口設(shè)計(jì)。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，自動(dòng)化窄間隙方式越來越被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。自動(dòng)化窄間隙顧名思義其焊接坡口非常窄，類似于“U”型結(jié)構(gòu)，整個(gè)坡口寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原先上寬下窄的坡口，這樣不僅減少焊接面積，降低問題發(fā)生率的同時(shí)也減少了焊接工作量，提高了經(jīng)濟(jì)效益[4]。

2.2.2焊接工藝在現(xiàn)有技術(shù)條件下，焊接轉(zhuǎn)子主要有以下幾種方法：①全部采用焊條電弧焊；②打底用氬弧焊，再用埋弧焊蓋面；③焊條電弧焊打底，埋弧焊蓋面。焊條電弧焊主要有人工操作完成，這種人工焊接受人工因素影響大，質(zhì)量情況難以把控，生產(chǎn)效率相對較低，勞動(dòng)強(qiáng)度相對較大。而隨著技術(shù)發(fā)展，采用機(jī)器進(jìn)行的氬弧焊和埋弧焊的焊接質(zhì)量已經(jīng)能滿足轉(zhuǎn)子質(zhì)量要求，而且焊接效率高，經(jīng)濟(jì)效益也明顯優(yōu)于人工，因此一般選擇第二種方式進(jìn)行焊接轉(zhuǎn)子的焊接。

2.2.3焊接轉(zhuǎn)子質(zhì)量控制焊接技術(shù)經(jīng)過長時(shí)間發(fā)展，焊接質(zhì)量控制體系已經(jīng)相當(dāng)成熟，目前普遍的焊接質(zhì)量管理模式中，焊接轉(zhuǎn)子質(zhì)量控制主要從焊接前的把控，焊接過程中的檢查，焊接后檢測三個(gè)方面進(jìn)行焊接質(zhì)量把控。焊接前，需要對“人、機(jī)、料、法、環(huán)”這四個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行全方面把控。“人”是對焊接操作人員、焊接檢測人員資格技能進(jìn)行考核和認(rèn)定，保證各個(gè)環(huán)節(jié)操作人員具備作業(yè)能力和資格；“機(jī)”是對焊接作業(yè)和檢測過程中的機(jī)器進(jìn)行檢查，相關(guān)檢測設(shè)備檢測能力進(jìn)行校驗(yàn)，保證參與焊接的機(jī)器設(shè)備無故障，無誤差；“料”是對焊接部件材質(zhì)、焊條型號等材料進(jìn)行核對，保證部件材質(zhì)符合規(guī)定，焊條規(guī)格的選擇無問題；“法”是焊接前對焊接方法的推敲和認(rèn)證，焊接過程中各種情況都有相應(yīng)的預(yù)案；“環(huán)”是對作業(yè)環(huán)境的要求，焊接部件是否已處于可以作業(yè)的狀態(tài)，外部環(huán)境能否滿足作業(yè)需求[2]。焊接時(shí)，要實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)督檢查。監(jiān)督操作人員是否按照焊接前已經(jīng)認(rèn)證過的焊接方法進(jìn)行作業(yè)，焊接作業(yè)環(huán)境是否符合要求，對焊條等焊接材料存放環(huán)境進(jìn)行檢查，保證存放環(huán)境符合要求。對焊接過程中發(fā)生的問題第一時(shí)間了解，并根據(jù)實(shí)際情況出具解決方案。焊接完成后，整個(gè)焊接質(zhì)量控制就進(jìn)入最后環(huán)節(jié)，焊縫的檢測。目前，焊縫的檢測方式大都采用對焊縫和材料沒有損傷的無損檢測方式。焊縫檢測方式的選擇主要跟焊件材料、構(gòu)造件用途和技術(shù)要求有關(guān)，焊縫檢測成為了焊接質(zhì)量控制最后一環(huán)。

2.3焊接轉(zhuǎn)子焊縫無損檢測

無損檢測是指在不破壞被檢測對象使用性能和內(nèi)部組織的前提下，根據(jù)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)引起的熱、聲、光、電、磁等反應(yīng)的變化，以物理或化學(xué)方法為手段，借助現(xiàn)代化的技術(shù)和設(shè)備器材，對試件內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)及缺陷及其變化進(jìn)行檢查和測試的方法。根據(jù)檢測深度，無損檢測可分為：表面檢測、近表面檢測和內(nèi)部檢測。焊接轉(zhuǎn)子檢測根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行檢測方式選擇[3]。表面檢測是針對材料表面的損傷進(jìn)行檢測，主要檢測方式為液體滲透檢測（PT），通過對材料涂抹具備較強(qiáng)滲透力的檢測試劑，將材料表面存在的一些缺項(xiàng)顯現(xiàn)出來。這種檢測方式方便，應(yīng)用范圍廣，但是該檢測方式對一些封閉型材料無作用，同時(shí)對材料內(nèi)部的缺陷也無檢測能力。近表面檢測是對材料表面、近表面損傷進(jìn)行檢測，主要檢測方式有磁粉檢測（MT），熱像/紅外（TIR）檢測等。磁粉檢測（MT）利用材料缺陷磁場不全會(huì)產(chǎn)生聚集效應(yīng)，將缺陷放大，并用磁痕這種可見方式呈現(xiàn)出來，但是磁粉檢測主要適用于具有磁性的材料。熱像/紅外（TIR）檢測主要是根據(jù)材料缺陷區(qū)域與無缺陷區(qū)域熱傳導(dǎo)能力不同，加熱過程中不同區(qū)域溫度不一樣的特性，將材料存在缺陷部分顯現(xiàn)出來，不過熱像/紅外（TIR）檢測設(shè)備昂貴，對檢測材料導(dǎo)熱性有一定要求，適用性不強(qiáng)。內(nèi)部檢測是對材料內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測的一種方式，主要檢測方法有：射線照相檢驗(yàn)（RT）、超聲檢測（UT）[1]。射線照相檢驗(yàn)（RT）是利用射線在缺陷區(qū)域和正常區(qū)域穿透性能不同對檢測材料進(jìn)行檢測。但射線對人體輻射傷害，且穿透能力有限，使其不能大規(guī)模的使用，因此，射線照相檢驗(yàn)（RT）應(yīng)用范圍受到制約。超聲檢測（UT）通過對檢測材料發(fā)射超聲波，利用缺陷位置對超聲波傳播路徑及能量的改變，以檢查出材料中的缺陷區(qū)域及當(dāng)量尺寸。目前，由于超聲波技術(shù)的快速發(fā)展，超聲檢測（UT）在無損檢測中發(fā)揮著越來越重要的作用。

2.4焊接轉(zhuǎn)子檢測的發(fā)展方向

隨著現(xiàn)在超聲成像技術(shù)的發(fā)展，能用直觀立體三維成像呈現(xiàn)檢測內(nèi)容的超聲檢測方式將會(huì)是焊接檢測的發(fā)展趨勢。超聲波技術(shù)發(fā)展，超聲成像技術(shù)的應(yīng)用，將大大改善目前無損檢測技術(shù)中存在的：檢測環(huán)境制約，檢測問題不明朗，對檢測構(gòu)件檢測前表面光滑度有要求等各方面不足和缺陷。此外，超聲波技術(shù)、超聲成像技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將極大推進(jìn)相關(guān)設(shè)備智能化、自動(dòng)化發(fā)展速度，自動(dòng)化、智能化設(shè)備的應(yīng)用也將大大提高檢測效率。

3結(jié)語

汽輪機(jī)組作為火力發(fā)電的核心構(gòu)件，其發(fā)展一直受到了公眾關(guān)注，我國也一直努力在進(jìn)行汽輪機(jī)組設(shè)備國產(chǎn)化。汽輪機(jī)焊接轉(zhuǎn)子是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的重要組成部分，焊接轉(zhuǎn)子的高經(jīng)濟(jì)性、低能耗等特質(zhì)讓焊接轉(zhuǎn)子成為目前火電設(shè)備發(fā)展的一個(gè)重要方向，本文對焊接轉(zhuǎn)子發(fā)展歷程分析，焊接技術(shù)的介紹，焊接轉(zhuǎn)子無損檢測技術(shù)分析和展望，對焊接轉(zhuǎn)子檢測技術(shù)發(fā)展和研究有重要的參考價(jià)值。

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作者：王佰昱 單位：東方汽輪機(jī)有限公司