Advanced ultrasonic inspection technologies applied to the welded joints of hydraulic turbine runners

Bajgholi, Mohammadebrahim (2023). Advanced ultrasonic inspection technologies applied to the welded joints of hydraulic turbine runners. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Due to the importance of energy production cost, it is critical to reduce unnecessary or unpredicted halts of power generation equipment. Hydro-Québec, as a major power generation company, uses models to estimate the service life of turbine runners to avoid the aforementioned halts. For these models, the characteristics of flaws in the runners are one of the most influential inputs. Since non-destructive testing (NDT) techniques are used to characterize these flaws, it is important to assess the reliability of these methods and to identify methods that could provide better inspection results. The current project aims to provide IREQ with the performance of NDT methods to supply reliable flaw data (both measured and simulated) for their life estimation model. By increasing the accuracy of life estimations, Hydro-Québec will be able to minimize the number of halts and hence reduce the power generation costs. Despite all the previous studies, there is an essential need to extend the knowledge on the detectability of the welding flaws in weld joints of hydroelectric turbine runners.

This research is part of a program aimed at better understanding the performance of ultrasonic testing technology for the inspection of high-stress areas in Francis runner weld joints. In this research, we will first try to thoroughly study the capability of advanced ultrasonic inspection technologies for hydraulic turbine runners. Inspection of the T-joint mock-up sample was carried out by various NDT methods, namely conventional pulse-echo, phased array, and total focusing method (TFM). With these results, detection rates were obtained in order to compare the effectiveness of each method. In the second step, the reliability of different NDT methods (UT, RT, PAUT, and TFM) in detecting flaws in welded components was investigated using a statistical approach based on the Probability of Detection (POD). The different inspection techniques could thus be compared based on a 90% POD (a90) to determine what is the flaw size that can be reliably detected. The first and second phases deal with the efficiency of ultrasonic inspection as applied to a mock-up sample made of SS415 plates and welded using the same materials and procedure. Finally, the demonstration on a real turbine runner using the highest POD techniques has been experimented. A dual inspection strategy could be implemented after manufacturing or during the in-service inspection with two pass inspections to improve the fitness-for-service assessment of hydraulic turbine runners. The first pass would consist of the use of PAUT with a conventional array while the second pass would be based on the use of TFM. PAUT has shown excellent sensitivity to volumetric and planar defects, while TFM provides more accurate flaw size dimension. This dual inspection strategy aims to increase the reliability of ultrasonic inspection, leading to reduced costs and improved reliability for the hydraulic turbine runner industry. The data collected on the real turbine opened a new opportunity to improve the NDT procedure development.

Demonstrating how TFM has better sizing accuracy is crucial for optimizing the inspection process. This leads to an improvement in the detectability of flaws and improves the process of generating POD curves based largely on TFM examinations as the ground truth method to get the flaw size information. This makes it possible to draw POD curves without using destructive tests which are expensive to perform, and irreparably destroy the specimens. Our work is centered on a real turbine runner using various ultrasonic array configurations to characterize defects. Developing the inspection methodology for hydraulic turbine runners helps us to achieve better sizing measurements of flaws used in the fatigue assessment model. Also, the outcome of this research would be employed to improve the fitness-for-service assessment of hydraulic turbine runners after manufacturing or during inspection operations performed over the useful life of the part.

Titre traduit

Technologies avancées d'inspection par ultrasons appliquées aux joints soudés des aubes de turbines hydrauliques

Résumé traduit

En raison de l'importance des coûts de production d'énergie, il est essentiel de réduire les arrêts inutiles ou imprévus des équipements de production d'énergie. Hydro-Québec, une importante société de production d'énergie, utilise des modèles pour estimer la durée de vie des aubes de turbine afin d'éviter les arrêts susmentionnés. Pour ces modèles, les caractéristiques des défauts dans les aubes sont l'une des données les plus importantes. Les techniques d'essais non destructifs (END) étant utilisées pour caractériser ces défauts, il est important d'évaluer la fiabilité de ces méthodes et d'identifier celles qui pourraient fournir de meilleurs résultats d'inspection. Le projet actuel vise à fournir à l'IREQ des données fiables sur la performance des méthodes END servant à évaluer les défauts (mesurés et simulés) pour leur modèle d'estimation de la durée de vie. En augmentant la précision des estimations de la durée de vie, Hydro-Québec sera en mesure de minimiser le nombre d'arrêts et donc de réduire les coûts de production d'électricité. Malgré toutes les études précédentes, il existe un besoin essentiel d'étendre les connaissances sur la détectabilité des défauts de soudure dans les joints de soudure des roues de turbines hydroélectriques. Cette recherche s'inscrit dans le cadre d'un programme visant à mieux comprendre les performances de la technologie de contrôle par ultrasons pour l'inspection des zones soumises à de fortes contraintes dans les joints soudés de roue Francis.

Dans cette recherche, nous allons d'abord essayer d'étudier en profondeur la capacité des technologies avancées d'inspection par ultrasons pour les aubes de turbines hydrauliques. L'inspection de l'échantillon d’une maquette de joint en T a été effectuée par différentes méthodes de contrôle non destructif (CND), à savoir l'écholocation conventionnelle (UT), le réseau phasé (PAUT) et la méthode de focalisation en tous points (TFM). Avec ces résultats, les taux de détection ont été obtenus afin de comparer l'efficacité de chaque méthode. Dans un deuxième temps, la fiabilité des différentes méthodes de CND (UT, RT- radiographie, PAUT, et TFM) dans la détection des défauts dans les composants soudés a été étudiée à l'aide d'une approche statistique basée sur la probabilité de détection (POD). Les différentes techniques d'inspection ont ainsi pu être comparées sur la base d'une POD de 90% (a90) afin de déterminer quelle est la taille de défaut qui peut être détectée de manière fiable. La première et la deuxième étape traitent de l'efficacité du contrôle par ultrasons appliqué à une maquette constituée de plaques en SS415 et soudée avec les mêmes matériaux et selon la même procédure. Enfin, la démonstration sur une roue de turbine réelle utilisant les techniques permettant d'obtenir les POD les plus élevées a été expérimentée. La conclusion est qu’une stratégie d'inspection double pourrait être mise en œuvre après la fabrication ou pendant l'inspection en service avec des inspections en deux passes pour améliorer l'évaluation de l'aptitude au service des aubes de turbine hydraulique. La première passe consisterait en l'utilisation de PAUT avec un réseau conventionnel alors que la deuxième passe serait basée sur l'utilisation du TFM. La PAUT a montré une excellente sensibilité aux défauts volumétriques et planaires tandis que la TFM fournit une dimension plus précise des défauts. Cette double stratégie d'inspection vise à augmenter la fiabilité de l'inspection par ultrasons, ce qui permet de réduire les coûts et d'améliorer la fiabilité des roues de turbines hydrauliques. Les données collectées sur la turbine réelle ont ouvert une nouvelle opportunité pour améliorer le développement des procédures de CND.

Cette nouvelle approche démontre comment le TFM peut permettre d’optimiser le processus de qualification d’une procédure d'inspection basé sur la POD. La méthodologie proposée est axée sur une approche non destructive de dimensionnement des défauts basées en grande partie sur les examens TFM comme méthode pour obtenir de l'information sur la taille réelle des défauts. Cela permet de tracer les courbes POD sans avoir recourt aux essais destructifs qui sont couteux à réaliser et qui détruisent de manière irrémédiable les spécimens. Notre travail est centré sur une roue de turbine réelle en utilisant diverses configurations de réseaux ultrasoniques pour caractériser les défauts. Le développement d'une méthodologie d'inspection des aubes de turbines hydrauliques nous aide à mieux mesurer la taille des défauts utilisés dans le modèle d'évaluation de la fatigue. Les résultats de cette recherche seront également utilisés pour améliorer l'évaluation de l'aptitude au service des aubes de turbines hydrauliques après la fabrication ou pendant les opérations d'inspection en cours de vie utile.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 121-130).
Mots-clés libres:	contrôle non destructif (CND), contrôle par ultrasons (UT), technique ultrasonique à réseau phasé (PAUT), méthode de focalisation en tous points (TFM), défauts, probabilité de détection (POD), roue de turbine hydroélectrique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Viens, Martin
Codirecteur:	Codirecteur Rousseau, Gilles
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	13 mars 2023 17:21
Dernière modification:	13 mars 2023 17:21
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3196

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