汽輪機組焊接轉子焊縫無損檢測技術的探析

王佰昱

摘要：汽輪機轉子是發電機組核心部件，目前汽輪機轉子主要分為：整鍛轉子、套轉轉子和焊接轉子。焊接轉子因在制作過程中會采用大量焊接工藝而得名。本文將根據焊接轉子的技術特征，介紹目前焊接轉子焊縫的檢測技術發展情況和未來發展趨勢。

Abstract： Steam turbine rotor is the core component of generator set. At present， steam turbine rotor is mainly divided into： integral forging rotor， sleeve rotor and welding rotor. The welding rotor is named after a large number of welding processes used in the manufacturing process. In this paper， according to the technical characteristics of the welded rotor， the development situation and future development trend of welding rotor weld inspection technology are introduced.

關鍵詞： 汽輪機轉子;焊接轉子;無損檢測

Key words： turbine rotor;welded rotor;NDT

中圖分類號：TM621.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0147-02

1? 汽輪機組焊接轉子的發展

火力發電依靠煤燃燒加熱產生的高溫高壓水蒸氣推動汽輪機組的轉子高速轉動來帶動發電機組的轉子轉動進行發電。汽輪機轉子需在高溫高壓的環境下進行高速轉動，對汽輪機轉子材質，鍛造水平有著極高的要求。目前汽輪機轉子按照制作方法分為：整鍛轉子、套裝轉子和焊接轉子。整鍛轉子就是整體鍛造，汽輪機轉子重量一般都在幾十上百噸，這種大型設備的整體鍛造對鍛造設備、鍛造技術都有著非常高的要求;套裝轉子是通過熱套工藝將轉子和輪盤裝配在一起的轉子，不過這種工藝制作的套轉轉子在高溫高壓的工作環境下葉輪軸套易松動;焊接轉子是將轉子分段鍛造，鍛造完成后進行焊接，焊接轉子與整鍛轉子相比，鍛造難度小，于套轉轉子比又相對穩定，而且焊接轉子的空腔結構，質量相對較輕，發電效率更高，熱能損耗低[3]。

1930年，世界上第一根焊接轉子由ALSTOM制作完成。第一根焊接轉子制作完成后因其相對簡單的制作工藝，焊接轉子在世界各地的機組得到了廣泛的應用。世界各國在對焊接轉子廣泛應用的同時，也在不斷進行焊接轉子新技術的探索和革新。20世紀60年代，德國西門子公司（Siemens，Germany）利用CrMoV + NiCrMoV鋼作為焊機轉子構件的原材料為Westalen發電廠設計制作了一根175 MW的焊接轉子[1]。這次焊接轉子首先在坡口上采用了與以往大不相同的窄間隙U型坡口設計，焊接工藝上也擯棄了原先大量人工電弧焊，采用自動氬弧焊（TIG）工藝方法。這種新的焊接轉子焊接工藝的出現，大大緩解了之前焊接轉子制作過程中存在的制作效率低，經濟效益差等諸多問題，將焊接轉子的發展帶入了一個新的臺階。隨著材料技術的不斷發展，同種鋼和異種鋼被應用到焊接轉子中，意大利（Italy）的汽輪機轉子制作公司利用引進ABB的焊接技術進行現代化的焊接轉子制作，這種焊接制作技術仍是目前主要制作技術。

近年來，公眾環境保護意識的不斷提高，淘汰污染大容量小發展參數高，裝機容量大的火力發電機組已成為目前發展趨勢。我國從20世紀50年代就開始進行焊接轉子的制造和研究，經過60多年的發展，我國在焊接轉子領域有著極強的技術積累。目前，高參數、高容量的發電機組整鍛汽輪機轉子鍛造技術要求高，造價昂貴，針對我國現狀，焊接轉子又回到人們視野中來。

2? 汽輪機組焊接轉子焊接技術和無損檢測

2.1 轉子材料

在汽輪機組轉子發展早期，汽輪機轉子鍛造件主要材料為17CrMo1V。鍛造件強度較低，韌性差，在轉子高速運轉中存在較大缺陷。隨著鍛造、冶煉技術的不斷發展，對鍛造件中微量元素P、Cr、Ni、Sb的控制越來越細致，質量越來越高的材料開始應用到轉子鍛造中。轉子材料的不斷升級，焊接轉子的焊接工藝也需要不斷升級。目前，焊接轉子不同鍛造件在焊接前均需要進行調質處理，通過這種調質處理來保證材料的力學性能和抗應力腐蝕性能都能達到要求，但在焊接接頭方面，因為這種處理導致的材質各區域的各項性能不均勻，容易在焊接過程中對整個區域造成質量缺陷，焊接成為了焊接轉子質量控制的關健[2]。

2.2 焊接工藝

2.2.1 焊接坡口

焊接坡口的設計是保證焊接質量的第一步，坡口的設計要充分考慮焊接過程中收縮應力分布和效率。焊接轉子是由小的轉子鍛造件一件件焊接而成，內部會形成型腔，焊接完成后發面不能進行清根，所以需要采用單面焊雙面成型的工藝。為了達到工藝要求，保證根部焊縫融透，減少根部應力，焊接轉子早期均采用上寬下窄的坡口設計。隨著焊接技術的發展進步，自動化窄間隙方式越來越被廣泛應用到各個領域。自動化窄間隙顧名思義其焊接坡口非常窄，類似于“U”型結構，整個坡口寬度遠遠小于原先上寬下窄的坡口，這樣不僅減少焊接面積，降低問題發生率的同時也減少了焊接工作量，提高了經濟效益[4]。

2.2.2 焊接工藝

在現有技術條件下，焊接轉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，質量情況難以把控，生產效率相對較低，勞動強度相對較大。而隨著技術發展，采用機器進行的氬弧焊和埋弧焊的焊接質量已經能滿足轉子質量要求，而且焊接效率高，經濟效益也明顯優于人工，因此一般選擇第二種方式進行焊接轉子的焊接。

2.2.3 焊接轉子質量控制

焊接技術經過長時間發展，焊接質量控制體系已經相當成熟，目前普遍的焊接質量管理模式中，焊接轉子質量控制主要從焊接前的把控，焊接過程中的檢查，焊接后檢測三個方面進行焊接質量把控。

焊接前，需要對“人、機、料、法、環”這四個環節進行全方面把控。“人”是對焊接操作人員、焊接檢測人員資格技能進行考核和認定，保證各個環節操作人員具備作業能力和資格;“機”是對焊接作業和檢測過程中的機器進行檢查，相關檢測設備檢測能力進行校驗，保證參與焊接的機器設備無故障，無誤差;“料”是對焊接部件材質、焊條型號等材料進行核對，保證部件材質符合規定，焊條規格的選擇無問題;“法”是焊接前對焊接方法的推敲和認證，焊接過程中各種情況都有相應的預案;“環”是對作業環境的要求，焊接部件是否已處于可以作業的狀態，外部環境能否滿足作業需求[2]。

焊接時，要實時進行監督檢查。監督操作人員是否按照焊接前已經認證過的焊接方法進行作業，焊接作業環境是否符合要求，對焊條等焊接材料存放環境進行檢查，保證存放環境符合要求。對焊接過程中發生的問題第一時間了解，并根據實際情況出具解決方案。

焊接完成后，整個焊接質量控制就進入最后環節，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、構造件用途和技術要求有關，焊縫檢測成為了焊接質量控制最后一環。

2.3 焊接轉子焊縫無損檢測

無損檢測是指在不破壞被檢測對象使用性能和內部組織的前提下，根據材料內部結構引起的熱、聲、光、電、磁等反應的變化，以物理或化學方法為手段，借助現代化的技術和設備器材，對試件內部及表面的結構、性質、狀態及缺陷及其變化進行檢查和測試的方法。根據檢測深度，無損檢測可分為：表面檢測、近表面檢測和內部檢測。焊接轉子檢測根據實際情況進行檢測方式選擇[3]。

表面檢測是針對材料表面的損傷進行檢測，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滲透力的檢測試劑，將材料表面存在的一些缺項顯現出來。這種檢測方式方便，應用范圍廣，但是該檢測方式對一些封閉型材料無作用，同時對材料內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產生聚集效應，將缺陷放大，并用磁痕這種可見方式呈現出來，但是磁粉檢測主要適用于具有磁性的材料。熱像/紅外（TIR）檢測主要是根據材料缺陷區域與無缺陷區域熱傳導能力不同，加熱過程中不同區域溫度不一樣的特性，將材料存在缺陷部分顯現出來，不過熱像/紅外（TIR）檢測設備昂貴，對檢測材料導熱性有一定要求，適用性不強。

內部檢測是對材料內部缺陷進行檢測的一種方式，主要檢測方法有：射線照相檢驗（RT）、超聲檢測（UT）[1]。射線照相檢驗（RT）是利用射線在缺陷區域和正常區域穿透性能不同對檢測材料進行檢測。但射線對人體輻射傷害，且穿透能力有限，使其不能大規模的使用，因此，射線照相檢驗（RT）應用范圍受到制約。超聲檢測（UT）通過對檢測材料發射超聲波，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域及當量尺寸。目前，由于超聲波技術的快速發展，超聲檢測（UT）在無損檢測中發揮著越來越重要的作用。

2.4 焊接轉子檢測的發展方向

隨著現在超聲成像技術的發展，能用直觀立體三維成像呈現檢測內容的超聲檢測方式將會是焊接檢測的發展趨勢。超聲波技術發展，超聲成像技術的應用，將大大改善目前無損檢測技術中存在的：檢測環境制約，檢測問題不明朗，對檢測構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、超聲成像技術及相關產業的發展，將極大推進相關設備智能化、自動化發展速度，自動化、智能化設備的應用也將大大提高檢測效率。

3? 結語

汽輪機組作為火力發電的核心構件，其發展一直受到了公眾關注，我國也一直努力在進行汽輪機組設備國產化。汽輪機焊接轉子是汽輪機轉子的重要組成部分，焊接轉子的高經濟性、低能耗等特質讓焊接轉子成為目前火電設備發展的一個重要方向，本文對焊接轉子發展歷程分析，焊接技術的介紹，焊接轉子無損檢測技術分析和展望，對焊接轉子檢測技術發展和研究有重要的參考價值。

參考文獻：

[1]吳海峰，李勃，熊建坤，牛靖，曹天蘭，張建勛，楊林，徐健，許德星.汽輪機12Cr/30Cr2Ni4MoV異質焊接轉子接頭組織與韌性研究[J].電焊機，2020，50（02）：35-40.

[2]單春蕾，劉曉睿，嚴海，童忠貴.PAUT在核電焊接轉子在役檢查中的應用研究[J].無損探傷，2019，43（04）：13-16.

[3]雷陳，熊建坤，冷進明.大型汽輪機焊接轉子殘余應力及變形分析[J].電焊機，2018，48（09）：66-70.

[4]孫立江，杜必強，蔡文河，劉建屏，馬延會，郝金松，張坤.汽輪機組焊接轉子焊縫無損檢測技術研究綜述[J].華北電力技術，2016（08）：62-66.