封閉式組合電器罐體對接焊縫的超聲波檢測

張 杰，張浩權，王炯耿，毛永銘

（1.浙江省電力試驗研究院，杭州 310014；2.浙江省電力公司，杭州 310007；3．寧波電業(yè)局，浙江 寧波 315016）

六氟化硫氣體絕緣組合電器（GIS）因其占地面積小、運行安全可靠而被大量采用。GIS的性能取決于絕緣介質SF6，從目前情況看，影響GIS安全運行的重要因素之一是SF6氣體的滲漏[1]，而焊縫滲漏是導致SF6氣體滲漏的主要原因。焊縫帶缺陷運行導致焊縫擴展直至開裂泄漏是焊縫泄漏的原因之一。因此，在GIS設備入網之前對焊縫進行無損檢測就顯得尤為重要。

1 GIS罐體焊縫容易出現(xiàn)的問題及目前的檢驗方法

GIS罐體母材材質一般為Q235或鑄鋁。目前，國內大的制造廠對于焊接罐體的縱、環(huán)縫采用TIG焊或半自動MIG焊。現(xiàn)場的罐體焊縫滲漏現(xiàn)象大部分是由于生產過程中質量控制不嚴造成的[2]。

GIS為防銹鋁材料時，TIG焊或半自動MIG焊接為V型坡口型式，焊縫型式見圖1。

圖1 V型坡口焊縫型式

焊接方法為雙面焊，反面鏟焊根。板厚大于14 mm時，采用X型坡口（焊縫型式見圖2），焊接方法為雙面焊，反面鏟根[3]。

圖2 X型坡口焊縫型式

GIS罐體焊縫常見的質量問題包括：焊縫外形不均勻，焊道與焊道、焊道與母材之間有急劇的形狀變化。焊縫容易形成熱裂紋、表面撕裂、弧坑裂紋、氣孔等缺陷[3]。目前制造廠的檢驗方法包括X光探傷檢驗、滲透檢驗、水壓試驗及氣密性檢驗。X光探傷檢驗對缺陷各種方向的敏感度不同，滲透檢驗只能檢測表面缺陷，水壓試驗及氣密性檢驗只能檢測到已經穿透開裂的焊縫。當GIS設備交付用戶后，也無法進行以上檢驗。用戶只能相信制造廠家的檢驗，無法掌握質量控制的主動權。而超聲波檢測方法可以實現(xiàn)GIS設備罐體焊縫的檢測，可對焊縫進行抽檢，從而使用戶可以對GIS設備質量進行把關。

2 對接焊縫超聲波檢測的難點

GIS罐體對接焊縫的超聲波檢測有以下2個難點：

（1）由于GIS罐體板厚度一般為6～16 mm，采用常規(guī)超聲波探頭探傷時焊縫一般位于近場區(qū)，而近場區(qū)的探傷檢測容易導致信號失真，無法檢測出缺陷的真實當量。

（2）GIS罐體多為圓弧面，而常規(guī)超聲波探頭晶片尺寸大，且為平面，檢測時的耦合效果不十分理想，影響檢測效果，對缺陷的判別造成干擾（見圖 3）。

因此，針對GIS罐體設備焊縫檢測的特點制訂一套超聲波檢測工藝十分必要。

圖3 雙晶探頭檢測GIS罐體焊縫

3 對接焊縫超聲波檢測工藝

為解決GIS罐體對接焊縫超聲波檢測的難點，基于GIS罐體焊縫的一系列特點，制定了以下適合GIS罐體對接焊縫的超聲波檢測工藝。

3.1 GIS罐體焊縫檢測探頭的研制

一般來說，GIS罐體材料采用鋁材，壁厚一般小于16 mm。為了避免常規(guī)探頭探傷時近場區(qū)信號引起的信號波幅失真，針對GIS罐體對接焊縫自制了一套雙晶探頭。探頭頻率2.5 MHz，單晶片尺寸 6×6 cm，探頭折射角 αL為 68.2°或62.4°。該雙晶探頭具有以下特點：

（1）靈敏度高。

（2）雜波少、盲區(qū)少。

（3）工件中近場區(qū)長度小[4]。

（4）由于晶片尺寸小，能較好地與GIS罐體外表面貼合，檢測時耦合效果良好。

該探頭的設計有效解決了采用常規(guī)探傷工藝進行GIS罐體對接焊縫探傷的難點。

3.2 檢測及驗收標準

GIS罐體承受壓力一般在0.3～0.6 MPa，可參照標準JB/T 4730.3-2005《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》對其檢查。DAC（距離—波幅曲線）的制作以Φ2 mm橫通孔作為基準反射體。評定線靈敏度為Φ2 mm-18 dB。掃查靈敏度不低于最大聲程處評定線靈敏度。焊接接頭質量采用Ⅰ級驗收合格。

4 工程實例

某110 kV GIS終端變電站采用ZF10-126型GIS設備，罐體材料為5A02防銹鋁材料，焊縫坡口型式為雙邊坡口，壁厚Φ570×8 mm。根據要求，對其間隔斷路器及母線罐體對接焊縫進行超聲波檢測。檢測采用STAVELEY數字式超聲波探傷儀，探頭為5P6×6K2.5（經測，探頭前沿為6 mm）雙晶探頭。

探傷方法采用直射法和一次反射法，靈敏度不小于 Φ2 mm-18 dB，即以 30 mm處 Φ2×40-18 dB作為探傷靈敏度。若考慮耦合補償3 dB，則探傷靈敏度應為Φ2×40-21 dB。以鋸齒形掃查方式進行初探，發(fā)現(xiàn)可疑缺陷信號后再以前后、左右、轉角、環(huán)繞等掃查方式進行確認。圖4為本實例的一個典型缺陷波形，閘門鎖定的回波顯示有一深度為13.9 mm（二次波）的缺陷，后采用降低6 dB相對靈敏度法，測定其長度為5 mm。按驗收標準，判定其為Ⅰ級，為合格焊縫。

圖4 GIS焊縫檢測波形

5 結論

采用本文介紹的超聲波探傷工藝對實際工程中GIS罐體對接焊縫做超聲波檢測，通過對檢測結果的分析，可以得出以下結論：

（1）橫波斜探頭二次波檢測法可對基建階段變電站的GIS罐體對接焊縫進行工程質量檢測。

（2）設計合適的雙晶探頭，可有效減少GIS罐體對接焊縫探測的盲區(qū)和雜波，提高焊縫缺陷檢測的準確度。

[1]郭清海，鄺石.GIS設備滲漏原因分析及對策[J].電網技術，2000，24（9）:8-9.

[2]劉澤洪.氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）質量管理及控制[M].北京:中國電力出版社，2011.

[3]杜國華.實用工程材料焊接手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[4]鄭輝，林樹青.超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社.2009.