水轮机过流部件无损检测方法的探究

水轮机过流部件无损检测方法的探究

方林涛，郭志成，刘松源

雅砻江流域水电开发有限公司，成都610051

摘要：水轮机过流部件长期运行过程中，应力、水力振动、非稳定运行工况及本体铸造安装等因素的影响可能造成材料性能的失效，对机组的安全稳定运行产生影响。本文简要阐述了水轮机过流部件裂纹产生原因及影响因素，同时综述了近年来过流部件无损检测技术的研究进展，对不同类型检测方法的特点及存在的问题进行分析，以转轮叶片的无损检测为例，对不同的无损检测方法进行了探究。

关键词：无损检测；水轮机；过流部件；裂纹

0 引言

水轮机过流部件运行过程中，因高应力、水力振动、非稳定运行工况及本体铸造安装等原因，会出现过流部件开裂和脱落的情况，在空化空蚀、泥沙磨损、工况变化等多种因素的联合作用下，过流部件所受损伤加大，轻则影响水轮发电机组的运行效率，重则导致过流部件破坏失效，影响机组的安全稳定运行[1]。

水轮机过流部件主要包括蜗壳、座环（顶盖）、活动导叶、转轮、尾水管等部件，过流部件表面一般采用抗磨蚀涂层[2]进行防护，一定程度上提高了水轮机抗磨蚀能力，但涂层的建立会掩盖微小裂纹，在过流部件的裂纹检测中造成一定干扰。因此，对水轮机过流部件无损检测方法进行探究显得尤为必要，本文对近年来水轮机过流部件所常用的无损检测方法进行了综述，评述了不同类型无损检测方法的特点、存在的问题，并对未来过流部件的无损检测进行了展望。

1 无损检测方法

水轮机过流部件常用的无损检测（non-destructive testing， NDT）方法包括、超声检测射线检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测。各无损检测方法所针对的检测对象，适用条件，缺陷类型都有所不同。

（1）超声检测（Ultrasonic Testing，UT）

UT可识别微小缺陷和焊接缺陷，穿透性好，对工件内部面状缺陷有很高的灵敏度。但该方法缺陷显示不直观对缺陷定性和定量较困难，对操作人员的技能有较高的要求，需要接触媒介（耦合剂），主要适用于部件内部缺陷检测。当涂层与被检测部件之间存在界面裂纹时，UT无法区分基体裂纹与界面裂纹；同时，当过流部件材质为铸钢时，会产生干扰影响检测结果。

（2）射线检测（Radiographic Testing，RT）

RT具有可直观显示缺陷形状和尺寸，检测结果便于长期保存；对内部体积性缺陷有很高灵敏度等优点，适用于结构件原位检测，不需大的拆卸，不受缺陷为内部缺陷还是外部缺陷的影响。但受部件结构影响大，检测设备体积庞大，需要进行放射性防护。在水轮机现场进行裂纹检测实施难度较大，不适用于水电站过流部件检测。

（3）磁粉检测（Magnetic Testing，MT）

MT具有很高的检验灵敏度,可检缺陷最小宽度为0.1微米，通过吸附作用可直观显示缺陷的位置、形状和大小，其检验几乎不受工件的大小和形状的限制。但该检测只能检验铁磁性材料表面和近表面的缺陷，通常可检深度仅为1-2毫米，其磁悬液对环境有一定影响。过流部件由于其体积较大，常采用马氏体及铁素体材质的金属制造而成，因此，MT常用于机组检修过程中过流部件的检测。

（4）渗透检测（Penetrant Testing，PT）

PT可检测各种材料，金属、非金属材料、磁性、非磁性材料，焊接、锻造、轧制等加工方式。它具有较高的灵敏度（可发现0.1μm宽缺陷）、显示直观、操作方便、检测费用低。但渗透检测只能检测表面开口的缺陷，难以确定缺陷的实际深度，不适于检查多孔性疏松材料制成的工件和表面粗糙的工件，检出结果受操作者的影响也较大，因而很难对缺陷做出定量评价。PT检测前，需要对检测部件的表面进行清理，对于具有防护层的过流部件会造成一定的损害。

（5）涡流检测（Eddy Current Testing，ECT）

涡流检测为非接触式测量，不需要耦合剂，受检测环境的影响较小；对部件表面及近表面的缺陷有很高的检测灵敏度；检测信号为电信号，方便数字化处理、存储和分析。但该方法只适用于检测导电金属材料或能感生涡流的非金属材料，无法检测金属内部较深的缺陷。ECT也可用于转轮叶片、蜗壳、座环等设备的检验，但是涡流检测的提离效应、干扰信号、裂纹方向等问题的影响还需要进一步克服。

基于上述5种不同类型无损检测方法的特点、存在的问题，可对水轮机过流部件无损检测方法进行评估，其结果如表1所示。

表1水轮机过流部件无损检测评估方法比较

2 转轮叶片的检测对比

不同类型无损检测方法可针对于水轮机过流部件的不同位置，有的过流部件可采用几种不同的方法进行检测。实际检测过程中，应充分考虑主观因素（检测人员的技术水平、操作技能、知识水准等；检测人员对工作的责任心；检测人员在操作期间的心理和生理状况）和客观因素（检测用仪器设备、器材性能；检测工作环境条件；不同无损检测方法局限性）对检测结果的影响，以选择合适的检测方法。本文以某电站C修过程中，转轮叶片的无损检测为例，对磁粉检测和渗透检测两种方法进行对比分析。

某电厂转轮采用铸件焊接方式，长短叶片结构，15个长叶片和15个短叶片周向交替排列布置，转轮上冠、叶片、下环均采用抗空蚀、抗腐蚀和具有良好焊接性能的ZG04Cr13Ni4Mo不锈钢材料经 VOD 精炼制成。机组C修期间，对#6机转轮叶片与上冠、下环的组合焊缝及热影响区进行无损检测（PT，MT），两种无损检测方法的效果分别如图1，2所示：

图1转轮叶片渗透检测图2 转轮叶片磁粉检测

从图1和图2可以看出，水轮发电机组运行过程中高应力、水力振动、非稳定运行工况等因素造成了转轮叶片裂纹的产生，但基于两种不同检测方法（渗透检测和磁粉检测）的结果是不同的。转轮叶片同一区域PT检测出1条裂纹，MT检测出5条裂纹，裂纹衍生趋势也直观的呈现出来。造成该结果的原因是转轮表面具有涂层，渗漏检测只能用于开口缺陷的检查，而磁粉检测即可用于表面裂纹的检测，也可用于近表面（距离表面1-2mm）裂纹的检查。现场检测过程中，应该更具检测方法及被检测物体的特性，选择合适的无损检测方法。

3 结论与展望

水轮机过流部件长期运行过程中，受气蚀、高速水流泥沙冲击、高应力、水力振动、非稳定运行工况等作用导致过流部件材料失效，对机组的安全稳定运行产生影响。在过流部件安全性能的检测过程中，PT、UT、MT、RT、ECT都发挥着不同的作用，检测过程，应根据检测方法及被检测物体的特性，选择合适的无损检测方法，若条件允许，可采用不同的无损检测方法相互验证，保证检测可靠性。

4 参考文献

[1]王鹏,朱红波,刘润兵,李东江,秦承鹏,何虎昌,江雄,王强,郎梼.水电站过流部件涂层下裂纹检测方法对比[J].热力发电,2020,49(03):113-117.

[2]张磊,陈小明,吴燕明,周夏凉,赵坚,伏利,毛鹏展,刘伟.水轮机过流部件抗磨蚀涂层技术研究进展[J].材料导报,2017,31(17):75-83.

[3]黄松岭,孙洪宇,王珅,赵伟,彭丽莎.压水堆核电站无损检测与状态监测研究综述[J].机械工程学报,2022,58(04):1-13.