30MW灯泡贯流式机组部件无损检测特点

《东方电机１２００６年第２期　４５　３０ＭＷ灯泡贯流式机组部件无损检测特点　陈光兴李军　摘要本文通过对３０ＭＷ贯流式机组结构特点及运行条件的详细分析，结　合该类机组的主轴、转子支架圆盘锻件、铸造叶片以及焊接结构件的质量控　’　制方法，系统地总结了灯泡贯流式机组无损检测的方法和检验规范的应用原　则。　关键词贯流式机组水轮机叶片　发电机转子无损检测　１　引　言　组出力与混流式相比小很多，但结构尺寸　大、制造难度大，很多部件必须根据其特　在“十一五”科技规划中，我公司提　点，采用特殊的无损检测工艺规范才能保　出了自主创新研发５０～６０ＭＷ大型贯流　证产品质量，达到质量控制的目的。下面　式机组的目标，而无损检测是其质量保证　对灯泡贯流式机组部件结构特点、承受载　与质量控制工作中一个非常重要的环节。　荷方向、无损检测基本原理，说明为什么　为了更好地融入新型贯流机组的研发与生　要采用特殊的无损检测规范。　产，有必要对公司３０ＭＷ贯流式机组无损　２，１　锻件的无损检测特点　检测工艺规范、实际应用特点进行分析。　２．１．１水轮机主轴无损检测特点　我公司从１９９７年与克瓦纳和ＡＢＢ公　贯流式水轮机主轴（图１）－与混流式　司合作生产贵港３０ＭＷ灯泡贯流式机组开　水轮机主轴（图２）在结构上不同的地方　始，技术引进、消化就十分成功。随后，　在于，贯流式水轮机双镜板与主轴为一整　自主开发设计了红岩子、桐子壕、沙坡头、　体锻件。　红花、新政等电厂灯泡贯流式机组，极大　由图１结构可知，贯流式水轮机主轴　地拓展了公司产品种类，扩大了公司在水　无损检测工艺规范必须针该特点来制定，　电设备供应市场份额，并进入了大型贯流　即对轴身和法兰采用水轮机主轴无损检测　式机组的制造行列。　通用工艺规范与验收标准，对双镜板采用　特殊的无损检测工艺规范和镜板的验收标　２特殊的无损检测规范　准。由超声波纵波声场理论知道，作活塞　振动的圆盘波源在轴线上某一点处声压为：　灯泡贯流式机组与轴流式、混流式机　户＝Ｉ．印一２ＰＤ　矸＋　－ｘ）Ｓｉｎ（ｗｔ一　组最大的不同在于轴系的差异，其轴系呈　式中　一波源的起始声压　水平位置工作状态，水头低，流量大，机　一波源半径（晶片半径Ｒ　＝竿）　来稿时间：２００６年２月　维普资讯 http://www.cqvip.com

《东方电机）２ｏｏ６年第Ｚ期　Ｃ　＼　。　｛－二一一｝｛　’。。。。　。Ｉ　。　１…’…………。　｛…ｌ　一｝．ｌ　ｌ｝　　ｌ　Ｉ－　＿　ｊ　．　一．　．｛　图１　贯流式水轮机主轴结构　图２　混流式水轮机主轴结构　ａ．ｂ一法芷口一轴身ｄ，　—镜板　ａ。　法兰ｃ一轴身ｄ——滑转子　ｊｒ一中心声压轴线　发电机主轴与转子磁轭的重要部件，且该　ｄ。－二一波源上点波源声压　部件还是一个返焊件。　－一波长（Ｚ，－号，ｃ为声速；，为　ｂ　频率）　Ｈ数（　：要＝　圆频率（￣＝２ｎｆ）　卜　间　图３　转子支架中心体圆盘　当ｓ畸√譬十　—Ｘ＝ｓｉｎ（２ｎ＋１　＝１　ａ——转子支架施焊部位　时，声压为极大值；　ｂ一连接发电机主轴部位　Ｔ　部位厚度　当ｓｉＩ　√孚＋　一　ｓｉＩｌ７ｒ＝ｏ时，声　ｘ——距端面的位置　压为极小值。　由图３结构可知，贯流式机组转子支　当出现最后一个极大值之后。声压Ｐ　架中心体圆盘无损检测工艺规范应针对其　与传播距离Ｘ成比例下降。在／／个极大值　结构和返焊特点来制定。在实际的无损检　和日个极小值同时存在的范围。称为超声　测应用中。除按常规饼形锻件通用工艺规　波近场ＩＸＮ，而Ⅳ≈　。在一般锻件的超　范对ａ、ｂ两检测面做纵波的扫查外。还　声波检测中，　常用２．５ＭＨｚ和５ＭＨｚ，晶　应对ａ部位区域采用特殊的无损检测工艺　片直径２０ｍｍ纵波直探头，通过计算知道　规范进行检测。因为该部位区域为施焊区　Ｎ￣４２ｍｍ和８４ｍｍ。由于声压极大值和极　域，焊接过程中将产生焊接应力。对于与　小值的客观存在，在近场区范围就不能对　ａ面平行的面状缺陷，在焊接应力的作用　反射回波信号进行定量计算。所以对镜面　下会扩大、延展，做纵波法检测时应注意　的质量控制必须在远场区范围进行。由于　有效检出；对于与ａ面垂直的线性缺陷，　双镜板与主轴为一整体锻件，镜面的位置　采用常规的检测方法则不能有效检出，在　是不能改变的，在实际的无损检测应用中　焊接应力和工作载荷、重力的共同作用下。　检测面的选择为镜板周向做径向扫查，沿　该类缺陷对机组安全运行的危害性最大，　圆周方向进行。镜面部位的扫查应避开近　焊完后又不易检出。所以对该类缺陷最有　场区的影响从镜面的反方向为检测面进行　效的检测方向为径向扫查。由超声波的半　扫查。　扩散角和超声波传播原理知道，超声波探　２．１．２转子支架中心体圆盘无损检测特点　伤时存在一个长（ｘ）径（Ｚ，Ｙ）比，当　转子支架中心体圆盘（图３）是连接　Ｚ，ｙ＝Ｔ时，被检工件上将产生表面边界　反射回波，影响对被检测工件的质量评价；　维普资讯 http://www.cqvip.com

《东方电机）２ｏｏ６年第２期　４７　而从圆盘外圆面做径向检测时，存在一个　特性客观存在，所以在对该锻件ａ区做完　不同频率纵波传播距离范围，在该范围内　纵波检测工作后，还应采用４５。横波在该　就不会出现边界反射回波。　区域进行径向和周向扫查，将该区域与ａ　此外，只做径向纵波扫查仍不能有效　平面成一角度存在的线性缺陷彻底检出，　评价该部位质量。由超声波的物理特性知　以保证该锻件在焊接时不产生裂纹倾向。　道，超声波具有绕射特性，当缺陷宽度小　２．２铸件的无损检测特点　于波长的１／２时，不能得到该缺陷的反射　贯流式机组叶片结构（图４）与轴流　回波信号。由于侧壁干涉和超声波的绕射　转桨、定桨式水轮机叶片相同。　Ｒ　Ｌ．．Ａ　图４　贯流式机组水轮机叶片结构　ａ——法兰　ｂ——叶片进水边　由叶片的几何结构可知，叶片法兰截　波检测为辅、横波为主，沿叶片轴向、垂　面厚度最大，Ｒ部位截面厚度变化率最大，　直叶片轴向和与叶片轴向呈４５。三个方向　Ｒ部位叶片正、背面互不平行。采用超声　进行扫查。　波纵波检测时，由于几何形状造成底波不　叶片出水边区域的超声波探伤都在近　能反射回到超声波换能器（探头）上，所　场区范围，由近场区特性可知，叶片出水　以该部位纵波检测时超声波传播路径、方　边区域的超声波探伤不适宜只采用纵波探　向在仪器显示器上看不到底面回波的特征。　伤一种检测工艺规范。针对叶片出水边易　而在铸件的超声波检测中，底面回波的大　出现垂直于叶片出水边的裂纹类缺陷的倾　小与有无是判定铸件是否存疏松、缩孔类　向，在叶片出水边区域采用双晶纵波加横　缺陷的依据。若简单地认为是几何形状造　波垂直叶片出水边扫查的超声波探伤工艺　成的底面回波消失，并不能排除该部位存　规范，能更有效地进行质量控制。　在疏松、缩孔的可能性，因此必须采用特　叶片法兰肩部两侧，由于几何形状结　殊的无损检测工艺规范，区分由几何形状　构的限制，是超声波探伤质量控制最困难　造成的底面回波消失与疏松、缩孔造成的　之处。受制于几何形状、检测面位置的因　底面回波消失，对该区域进行评价和控制。　素影响，用超声波检测危害性缺陷还存在　在铸造过程中，钢水从液态到固态，　一些不确定性。故必须辅以磁粉探伤的方　叶片Ｒ部位残余应力最大，是铸件中易产　法。由于几何结构复杂、探伤部位狭窄，　生裂纹类缺陷的部位。叶片法兰肩部两侧　所以不适宜采用磁钳式磁粉探伤，而应采　是铸造应力集中区域。也是铸件易产生裂　用直流支杆式磁化方法。由于支杆式磁化　纹缺陷的部位，对该部位的超声波检测不　方法对被检测表面存在烧伤，因此不适宜　能完全按照铸钢件通用探伤标准来执行。　在叶片精加工后进行。　对叶片该区域的超声波检测时，应该以纵　２．３焊接件的无损检测特点　维普资讯 http://www.cqvip.com

《东方电机》２００６年第２期　灯泡贯流式机组焊接件结构复杂，几　合、层状撕裂、平行于法兰的裂纹类缺陷　何尺寸大，安装位置呈水平装配，主要由　必须有效检出。而超声波横波检测时，从　灯泡头、锥体、定子机座、转子支架、座　半球面内外表的扫查只能对半球体坡口未　环、上下支柱、导叶内外环、转轮室构成。　熔合有效检出，对法兰面的未熔合与层状　２．３．１灯泡头焊缝无损检测特点　撕裂类缺陷，必须在法兰面用纵波检测才　灯泡头置于整个机组的进水端，呈半　能达到质量控制的目的。锥体、定子机座、　球形，外圆球面为过流面。灯泡头半球体　导叶内外环、座环内外环、转轮室等部件　与法兰板之间的焊接结构（图５）在装配　法兰焊缝的检测工艺规范与灯泡头法兰焊　后上半部分受重力影响，处于承受拉力的　缝的检测工艺规范相同。　状态，所以对法兰面焊缝处的面积状未熔　一　—　超声波传播路径　球体　．　焊缝　法兰　法兰　图５灯泡头半球体与法兰间的焊接结构　２．３．２锥体焊缝无损检测特点　缝和进人筒与锥体壁板焊缝结构相似，均　由锥体的结构知道，其过流面多采用　是插入壁板焊接。该焊缝受剪切力的作用　爆炸焊接复合板，内壁板与法兰为清根全　对面积状未熔合、裂纹扩展很快，必须有　熔透焊缝，复合板为不清根非全熔透焊缝。　效控制。　对复合板与法兰间焊缝进行超声波探伤时，　Ｉ　应注意区分根部几何形状回波与缺陷波的　差异，否则易造成误判，增加不必要的返　下　修工作量。在锥体的实际无损检测中，进　人筒不开坡口插入锥体壁板。该处壁板较　内壁板厚且无复合板，在锥体壁板上开双　面坡口，属清根全熔透焊缝。超声波探伤　时，在锥体壁板内外表面沿进人筒焊缝进　图６水轮机座环与上下支柱结构　行扫查。但焊缝与进人筒外表面的未熔合，　因反射回波不能回耕探头上的原因，横波　检测的方法不能进行有效控制，必须采用　３　结语　纵波从进人筒内表面进行检测。　２．３．３座环及其匕下支柱焊缝无损检测特点　无损检测是质量保证中一个非常重要　座环及其上下支柱是灯泡贯流式机组承受　的环节，我们必须不断学习、了解，掌握　载荷最大的部件，结构如图６所示。发电　每一类型发电设备各部件的特点，各部件　机和水轮机的重景全部传递到锥体进人筒　在发电机组工作时载荷的分布、方向，制　和座环上下支柱，该部件的质量将影响整　定有针对性的解决方案，才能真正发挥无　个机组的安全性。上下支柱与座环壁板焊　损检测质量保证、质量检控的功效。