长龙山抽水蓄能转轮焊缝超声波探伤实践

刘国红

（上海福伊特水电设备有限公司 上海200240）

摘要：转轮作为抽水蓄能机组的核心部件，负责将水能与机械能相互转换以实现发电或抽水功能，因此被誉为机组的“心脏”。本文从分析转轮的结构特点入手，提出了一种有效的制造中焊缝质量控制方法，并通过实践验证其可行性。

长龙山电站额定水头高达710米，作为国内抽水蓄能电站的佼佼者，转轮的制造质量直接关系到机组的安全稳定运行。

关键词： 转轮；探头；试块；叶片坡口；超声波探伤

Practice of Ultrasonic Testing for Welds of Changlongshan Pumped Storage Runner

Liu Guohong

(Voith Hydro Shanghai Ltd. Shanghai 200240)

Abstract: As the core component of pumped storage units, the runner is responsible for converting the water energy and mechanical energy to realize the function of power generation or pumping, so it is known as the "heart" of the unit. In this paper, starting from analyzing the structural characteristics of the runner, we propose an effective quality control method for weld seams in manufacturing, and verify its feasibility through practice.

The rated head of Chang long shan Power Station is as high as 710 meters, and as a leading pumped storage power station in China, the manufacturing quality of the runner is directly related to the safe and stable operation of the unit.

Keywords: Runner; Probe; Block; Blade Bevel; Ultrasonic testing

1.引言

长龙山抽水蓄能电站，拥有世界最大的发电水头（756米）和单机容量（35万千瓦），以及高额定转速（600转每分钟），标志着抽水蓄能技术的巅峰成就。在2022年5月4日的22时，浙江长龙山抽水蓄能电站5号机组成功完成为期15天的考核试运行，正式实现投产发电，成为世界上首台额定转速为每分钟600转、额定容量达到350兆瓦的抽水蓄能机组的成功应用。

这一壮丽的工程背后，抽水蓄能转轮扮演着关键角色。然而，与常规混流式水轮机转轮相比，抽水蓄能转轮更具挑战性。其特点之一是转轮的结构更趋于扁平，过流面流道更加狭窄和细长，这使焊接制造变得更加复杂，对焊缝的质量控制提出了新的更高要求。

长龙山抽水蓄能式转轮由11张叶片与内外上冠、下环组焊而成，转轮各部件材质均采用马氏体不锈钢铸件ZG04Cr13Ni4Mo。这些叶片具有复杂的形状曲率变化，流道空间之间的间隙极为狭窄，上冠和下环之间的开口仅有255毫米。因此，焊接和超声波探伤操作都变得极为困难。

2．检测人员的资质

进行超声检测的人员必须依照国际认可的标准，如ISO9712或SNT-TC-1A，接受培训、获得资格鉴定和认证。

在超声探伤的实际操作中，经验丰富的检验员能够更好地识别焊缝中的缺陷，并提供可靠的评定。

超声探伤的结果必须由至少具有二级资质或更高资质的人员来评定，以确保结果的准确性和可靠性。这种资质体系的采用有助于保障焊缝探伤的质量和可行性，尤其在抽水蓄能机组这类关键领域中。

3．超声波探伤仪和探头的选用

在超声波探伤中，正确选择仪器和探头至关重要，它们直接影响到探伤操作的有效性。在本文中，我们选用了USN 60型超声波仪器，这是一种可靠的仪器，具有出色的性能，适用于复杂焊缝的探伤任务。

为了应对不同焊缝特点，我们选择了多种探头，包括横波斜探头SWB45-2、SWB60-2、SWB70-2（探头的角度分别为45º、60º、70º）和横波R角圆弧探头（45º和60º）。此外，我们还采用了B2S（0º）纵波直探头。这些探头允许我们在焊缝中进行全面的探伤，以确保没有任何缺陷被遗漏。

4．超声波试块的选择

超声波试块在超声波探伤中扮演着关键角色，它们必须与被检材料的技术条件相同或相当，热处理过程也应该相同。试块的扫查面光洁度应代表被检焊缝表面的光洁度，以确保探伤结果的准确性和可靠性，试块尺寸如图一。

图一：UT试块图

5．上冠下环叶片的化学成分

6．焊缝超声波探伤

6.1结构特点及探伤方法分析

  

图二：转轮结构示意图                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

图三：焊缝坡口结构简图

抽水蓄能转轮的叶片狭长、叶片坡口截面厚度变化大、形状曲率变化大，流道空间狭窄，超声波探伤操作十分困难；叶片与上冠间焊缝及下环与叶片间焊缝均达2米多长。如图四、图五：                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            

图四：叶片上冠坡口尺寸示意图（LPS-负压测、PS-正压测）

图五：叶片下环坡口尺寸示意图（LPS-负压测、PS-正压测）

为了应对这些复杂特点，我们采用了多种探伤方法。在探伤过程中，我们使用直探头对全焊透焊缝区域进行超声波探伤。主要关注焊缝根部的平面型缺陷，如未熔合和层状撕裂等。为了确保超声波声束能够覆盖整个焊缝截面，确保中心声束垂直于可能存在危险缺陷的截面，我们根据不同厚度和坡口型式选择不同角度的探头进行检测，包括45º、60º和70º的斜探头。此外，利用R角(R50/80)圆弧探头放置在焊缝上，平行于焊道前后两个方向进行检测，以控制横向裂纹等缺陷，从而确保焊缝的质量。

需要特别注意的是FTW（背面不清根全焊透焊缝）区域的检测。在这一区域，焊缝根部两侧的10毫米区域不作为超声波探伤的考察区域。

6.2  焊缝超声波探伤示意图

    

图六：焊缝超声波探伤示意图（P1/P2 斜探头、P3 直探头、P4/P5 R角圆弧探头）

6.3 横波探伤灵敏度的确定

叶片与上冠、下环间的焊缝类似T型接头，但随着叶片型线变化，焊缝截面厚度随之变化；要完成不等截面焊缝的检查，需根据叶片不同位置(叶片示意图上的LC和LB位置)的厚度和坡口型式选用不同角度的探头进行检测。这些探头的灵敏度在不同焊缝厚度下进行了调整，以确保探伤操作的准确性和可靠性。

6.4 R角探头探伤灵敏度的确定

R角探头（R 50/80）的探伤灵敏度与横波探伤灵敏度一致，制作时在没有磨制圆弧角R角前利用试块调好探伤灵敏度，之后在相应圆弧角焊缝的部位垫上砂布磨出探头的圆弧角R 50°至80°的表面的弧度角。

不同焊缝厚度对应的横波探伤灵敏度如表：

焊缝厚度（T）	探伤灵敏度
≤25mm	SDH（短横孔）2.4 DAC
25＜T≦50mm	SDH （短横孔）3.2 DAC
50＜T≦100mm	SDH （短横孔）4.8 DAC

6.5纵波探伤灵敏度的确定

利用焊缝截面的不同厚度对应的横波灵敏度试块，使用直探头B2S（0º）利用试块上的短横孔制作相应的DAC 曲线，保证检测到整个全熔透焊缝及热影响区范围。

图六：焊缝超声波探伤DAC曲线示意图

6.6 检测的时机和焊缝中的缺陷

  焊缝的超声波检测在热处理前和热处理后各检验一次，即在焊接结束24小时后，焊缝圆弧角R角打磨好后做一次超声波检测，主要检测焊缝中的气孔、夹渣、未焊透、未熔合、裂纹等超标缺陷；热处理结束后再做一次超声波检测，主要检测裂纹等缺陷。

6.7缺陷评定

检测与验收标准依据ASME VIII第一册强制性附录12进行。

大于参考基准 20%信号的缺陷都应进行审查，直至操作人员能够确定这些缺陷的形状、特征和位置，并根据下面(a)和(b)中给出的验收予以判断评定。

(a) 被判定为裂纹、未熔合、未焊透的显示，无论其长度如何，都是不合格的。

(b) 如果显示超过参考基准的振幅，其长度超过下列范围的其他缺陷都是不合格的。

T<19mm          L=6.3mm

19mm≤T≤57mm      L=T/3mm

T>57mm          L=19mm

6.8检测

长龙山两套转轮，每套转轮11张叶片，上冠下环焊缝总长（包括上冠拼缝）共107242mm，热处理前超声波检测情况：返修缺陷数量、返修缺陷长度、缺陷性质如下表

热处理前对发现的超标缺陷均进行了返修处理，返修处理合格后，对转轮进行整体热处理，热处理后再次对全部焊缝进行了超声波检测，未发现超标缺陷，整体质量良好。

7.结论

长龙山抽水蓄能转轮的制造实践证明了我们所采用的焊缝探伤方法的有效性和可行性。根据焊缝不同截面厚度，我们选择了相应的灵敏度，并采用了多种探头，包括斜探头和直探头，在焊缝两侧及上冠和下环平面进行检测。此外，我们还使用圆弧角R角探头来检测焊缝中的横向危险性缺陷。这种交替的检测方法被证明是对转轮焊缝实施内部质量控制的行之有效的超声波探伤方法。

2020年12月和2021年3月，长龙山电站的两台抽水蓄能转轮成功通过了三峡业主的验收，这证明了我们采用的检验方法是正确和适用的。这些成果不仅强调了抽水蓄能转轮制造的高要求，也展示了超声波探伤在确保焊缝质量和结构安全方面的关键作用。

参考文献：

〔1〕ASME V 第四章 焊缝超声波检测方法〔S〕.

〔2〕CCH70-4水力机械铸钢件检验规范 UT70-4〔S〕.

〔3〕ASME VIII 第一册 强制性附录12〔S〕.

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