特高壓變電站主設(shè)備焊縫衍射時(shí)差法檢測(cè)適應(yīng)性分析

韓凝暉，包樂(lè)慶，王國(guó)俊

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 100192)

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特高壓變電站主設(shè)備焊縫衍射時(shí)差法檢測(cè)適應(yīng)性分析

韓凝暉，包樂(lè)慶，王國(guó)俊

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 100192)

針對(duì)特高壓變電站主設(shè)備GIS、變壓器和電抗器的使用材料、工藝結(jié)構(gòu)和加工特點(diǎn)，提出利用衍射時(shí)差(time of flight diffraction，TOFD)超聲檢測(cè)法，對(duì)主設(shè)備進(jìn)行焊縫缺陷檢測(cè)。首先從設(shè)備的材料、母材的厚度等方面深入分析TOFD超聲檢測(cè)法的適應(yīng)性及檢測(cè)參數(shù)選擇原則，并對(duì)不同厚度的鋁板、鋼板進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，TOFD法檢驗(yàn)厚度為6 mm左右和10 mm及以上的合金鋁、碳鋼等材料的焊縫時(shí)，采用高頻率探頭，能夠清晰而準(zhǔn)確地判斷缺陷大小、性質(zhì)、自身高度。

特高壓變電站主設(shè)備；焊縫檢測(cè)；衍射時(shí)差法(TOFD)

0 引 言

為了實(shí)現(xiàn)能源資源更大范圍的優(yōu)化配置，發(fā)展特高壓、遠(yuǎn)距離、大容量交直流輸電技術(shù)，我國(guó)正在快速建設(shè)以特高壓為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。特高壓變電站主設(shè)備是特高壓工程中，變電站的關(guān)鍵設(shè)備。隨著特高壓工程電壓等級(jí)的提高，輸送容量的增大，變電站主設(shè)備的GIS隔離開(kāi)關(guān)罐體、變壓器的套管規(guī)格尺寸越來(lái)越大，對(duì)主設(shè)備殼體結(jié)構(gòu)焊接的質(zhì)量提出了更高的要求。當(dāng)采用的無(wú)損檢測(cè)方法不合理或檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)不適當(dāng)，有可能造成產(chǎn)品的焊縫內(nèi)部缺陷漏檢。若帶有質(zhì)量缺陷的產(chǎn)品應(yīng)用于變電站會(huì)給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來(lái)極大的隱患。

現(xiàn)階段設(shè)備制造廠家主要采用數(shù)字實(shí)時(shí)成像射線檢測(cè)法對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)比例100%。由于數(shù)字實(shí)時(shí)成像射線檢測(cè)法本身的特點(diǎn)，其受工件厚度、坡口角度、射線透照角度、線速度等因素影響，在實(shí)際檢測(cè)中存在漏檢、誤檢等問(wèn)題，因此有必要引入新的無(wú)損檢測(cè)方法，對(duì)特高壓變電站主設(shè)備焊縫進(jìn)行檢測(cè)。

衍射時(shí)差(time of flight diffraction TOFD)超聲檢測(cè)起源于上個(gè)世紀(jì)70年代早期。由英國(guó)哈威爾的國(guó)家無(wú)損檢測(cè)中心Silk博士首先提出，其原理源于Silk博士對(duì)裂紋尖端衍射信號(hào)的研究。TOFD作為實(shí)驗(yàn)工具，在80年代早期，聯(lián)合國(guó)做了大量的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)TOFD作為超聲檢測(cè)技術(shù)是可行的，在可靠性和精度方面有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。1982年，國(guó)際無(wú)損檢測(cè)中心開(kāi)發(fā)了一套便攜式設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析，歐洲、美國(guó)和日本相繼出臺(tái)了有關(guān)TOFD無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。目前，TOFD無(wú)損檢測(cè)方法，在歐洲和美國(guó)的應(yīng)用已趨于成熟，而目前國(guó)內(nèi)研究較少，且沒(méi)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

國(guó)家電網(wǎng)公司交流建設(shè)部擬引入TOFD超聲檢測(cè)方法對(duì)特高壓主設(shè)備焊縫進(jìn)行檢測(cè)，并制定相應(yīng)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。本文針對(duì)數(shù)字射線檢測(cè)的不足，結(jié)合特高壓變電站主設(shè)備的特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)TOFD超聲檢測(cè)進(jìn)行研究。通過(guò)理論分析TOFD超聲檢測(cè)的原理和參數(shù)，討論TOFD超聲檢測(cè)對(duì)特高壓變電站主設(shè)備的適應(yīng)性。并結(jié)合對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證TOFD超聲檢測(cè)的檢測(cè)能力和范圍。

1 衍射時(shí)差(TOFD)超聲檢測(cè)方法的分析

1.1 TOFD超聲檢測(cè)基本原理

TOFD超聲檢測(cè)是利用缺陷端點(diǎn)的衍射波信號(hào)探測(cè)和測(cè)定缺陷尺寸的一種自動(dòng)超聲檢測(cè)方法。該方法采用一對(duì)中心頻率、晶片尺寸、折射角相同的探頭相向?qū)ΨQ放置在焊縫的兩側(cè)。在檢測(cè)缺陷時(shí)，由發(fā)射探頭發(fā)射的縱波將在缺陷的上、下端點(diǎn)處產(chǎn)生出很大角度范圍內(nèi)的衍射波，該衍射波能傳播到接收探頭處，形成缺陷上、下端的衍射波信號(hào)。當(dāng)被測(cè)工件內(nèi)部沒(méi)有缺陷時(shí)，接收探頭只收到直通波和底面回波2種波形，當(dāng)被測(cè)工件內(nèi)部有缺陷時(shí)，TOFD超聲檢測(cè)產(chǎn)生4種信號(hào)，即沿表面?zhèn)鞑サ闹蓖úā⑷毕萆隙搜苌洳?、缺陷下端衍射波和底面反射回波，如圖1所示。

圖1 TOFD超聲檢測(cè)原理圖Fig.1 Principle of TOFD ultrasonic testing

在進(jìn)行TOFD超聲檢測(cè)時(shí)，由于直通波和底面回波總是存在的，操作人員定義這2種波形之后，可以觀察直通波和底面回波之間是否有缺陷衍射波，若有則說(shuō)明該工件存在缺陷。

1.2 TOFD超聲檢測(cè)影響因素分析

1.2.1 材料分析

變電站主設(shè)備包括GIS、變壓器和電抗器等。GIS材料主要為5052和5083這2種。變壓器、電抗器材料主要包括Q235A、Q235B、Q345B、Q390B、20 Mn23AL、1Cr18Ni9Ti等。變壓器為了防止漏磁，降低損耗，防止發(fā)熱，在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中還大量采用了穩(wěn)定的純奧氏體組織。

TOFD所使用的信號(hào)幅值較低，通常只適應(yīng)于超聲波衰減和散射較小的材料，通過(guò)分析可以看出，特高壓變電站主設(shè)備所應(yīng)用的主要材料為奧氏體、鋁合金以及碳鋼，材料符合TOFD無(wú)損檢測(cè)的適用范圍。

1.2.2 厚度分析

根據(jù)TOFD原理可以看出，被檢工件壁厚越大，直通波和底面波之間的時(shí)間窗口范圍越大，缺陷信號(hào)越易于分辨。因此，TOFD超聲檢測(cè)對(duì)于壁厚較厚的工件檢測(cè)效果較好。由于特高壓變電站主設(shè)備殼體厚度一般為6～25 mm，屬于超薄工件。我國(guó)目前尚沒(méi)有制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。歐美國(guó)家的TOFD標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被檢工件壁厚都有明確規(guī)定：歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)2000年頒布的ENV583-6應(yīng)用壁厚為6～300 mm，2004年推出了CEN/TS14751適應(yīng)壁厚為≥6 mm；而美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)的ASTM2373為9～300 mm，超出此壁厚范圍需要通過(guò)演示證明；美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)制定的最新版ASME2235-9適應(yīng)壁厚為≥13 mm。各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)工件厚度的下線要求不一致，同時(shí)也說(shuō)明10 mm左右是適應(yīng)的難點(diǎn)，因此需對(duì)檢測(cè)效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 TOFD無(wú)損檢測(cè)參數(shù)應(yīng)用分析

2.1 探頭折射角

在探頭中心間距及入射點(diǎn)不變的情況下，探頭折射角過(guò)大或過(guò)小，都可能使得缺陷上、下端衍射波較弱，增加定位誤差。尤其是近表面缺陷，處于探頭的近場(chǎng)區(qū)，聲場(chǎng)分布較復(fù)雜，雖然對(duì)衍射波幅度影響不大，但對(duì)反射波幅度影響較大，側(cè)向波的波幅會(huì)隨著折射角的減小而增大，以致超過(guò)缺陷的波幅，影響缺陷的識(shí)別。根據(jù)特高壓變電站主設(shè)備殼體焊縫的特點(diǎn)，探頭折射角選擇60°～70°。

2.2 探頭頻率

在實(shí)際操作中，需對(duì)探頭頻率進(jìn)行特別關(guān)注。探頭頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其幅值衰減越小，則探測(cè)深度越深，但分辨力較差，不利于內(nèi)部缺陷上下端衍射波或近表面缺陷的分辨；相反，頻率越高，分辨力越高，但探測(cè)深度小，探頭主聲束掃查范圍窄。

一般地，探頭中心距的選擇是為了獲得預(yù)定的覆蓋范圍，其決定了直通波和底面波的時(shí)間范圍窗口。如果直通波和底面波之間的時(shí)間間隔過(guò)小，缺陷信號(hào)將很難被分辨出來(lái)。實(shí)際應(yīng)用中，希望最少達(dá)到20個(gè)周期，當(dāng)然越多越好。分析表明：特高壓變電站主設(shè)備殼體厚度在20 mm的工件上時(shí)間范圍是2.7 μs，采用10 MHz探頭，1周期0.1 μs，達(dá)到27個(gè)周期，可以獲得較好的分辨率。殼體厚度10 mm的工件上時(shí)間范圍是1.35 μs，對(duì)于10 MHz的探頭，1周期的時(shí)間是0.1 μs，能達(dá)到13.5個(gè)周期，探頭最高頻率可達(dá)15 MHz，最高可達(dá)到22.5個(gè)周期，能夠得到滿意的效果。因此，可以看出，直通波和底面波的周期數(shù)目越多，深度分辨率越高。通過(guò)增加頻率可以很容易增加周期數(shù)，但衰減和散射也隨之而來(lái)，激發(fā)能量也隨之減小，聲束擴(kuò)散也減小。

對(duì)于特高壓變電站主設(shè)備殼體厚度在20 mm及以上的焊縫檢測(cè)，選用5 MHz探頭；對(duì)于20 mm以下的焊縫檢測(cè)，應(yīng)選用10 MHz或更高的高頻率探頭，分辨力高，再利用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)分析，能夠達(dá)到滿意的效果。

2.3 探頭晶片尺寸

探頭晶片尺寸的大小對(duì)聲束指向性、近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度、遠(yuǎn)距離缺陷檢出能力和近距離掃查范圍有較大影響。晶片尺寸大，波束指向性好，輻射的超聲波能量大，探頭未擴(kuò)散區(qū)掃查范圍大，遠(yuǎn)距離掃查范圍相對(duì)變小，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離缺陷能力增強(qiáng)；但隨著晶片尺寸的增加，近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度迅速增加，對(duì)探傷不利。特高壓變電站主設(shè)備殼體焊縫宜采用3～6 mm的探頭晶片。

2.4 信號(hào)處理系統(tǒng)

隨著信號(hào)技術(shù)的發(fā)展，信號(hào)處理技術(shù)和解釋軟件在超聲檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用，信號(hào)處理主要集中在噪聲抑制、缺陷的定性定量分析以及缺陷的自動(dòng)分類等。抑制噪聲技術(shù)包括：多次平均法、匹配濾波器、相關(guān)法、頻譜分析、時(shí)頻變換、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析等。對(duì)于奧氏體不銹鋼粗晶材料的超聲檢測(cè)中，材料中缺陷的信號(hào)和晶粒散射引起的噪聲信號(hào)具有不同的頻譜特性，利用此特性對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，增大缺陷信號(hào)的強(qiáng)度，提高信噪比。

信號(hào)處理系統(tǒng)采樣數(shù)量越多，重構(gòu)的波形越精確。要得到理想的波形，每周期需要采10個(gè)或更多個(gè)點(diǎn)(例如，對(duì)于10 MHz探頭來(lái)說(shuō)，這就意味著數(shù)字化頻率應(yīng)該是100 MHz或者更高)。但是，數(shù)字化頻率越高，采樣點(diǎn)的數(shù)量越大，存儲(chǔ)空間要求越大，掃描速度越低。解釋軟件從大量的數(shù)據(jù)中抽取足夠數(shù)量的特征信息，通過(guò)模式識(shí)別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及專家系統(tǒng)等方法對(duì)缺陷進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 檢測(cè)參數(shù)

本文利用TOFD超聲檢測(cè)對(duì)不同厚度及材質(zhì)的特高壓主設(shè)備材料進(jìn)行分析，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 儀器及探頭的選擇和設(shè)置

Table 1 Selection and setting of instrument and probe

3.2 6 mm厚的鋁板試驗(yàn)

在試板底面加工3個(gè)電火花槽，規(guī)格依次為槽1：L=5 mm，H=2 mm，D=0.5 mm；槽2：L=5 mm，H=1.5 mm，D=0.5 mm；槽3：L=5 mm，H=1 mm，D=0.5 mm。分別對(duì)試板母材和槽進(jìn)行試驗(yàn)，如圖2、3所示。母材試驗(yàn)中，直通波與底面回波清晰可見(jiàn)，同時(shí)兩者之間沒(méi)有任何信號(hào)顯示，表明試板母材無(wú)缺陷。通過(guò)對(duì)電火花槽的TOFD檢測(cè)試驗(yàn)可以清晰發(fā)現(xiàn)反映3個(gè)電火花槽的3處缺陷信號(hào)，由于缺陷高度的不同，信號(hào)強(qiáng)度呈遞減狀態(tài)，表明TOFD在對(duì)厚度為6 mm的鋁板進(jìn)行檢測(cè)時(shí)可以有效發(fā)現(xiàn)缺陷。

但由于試板厚度較薄，缺陷信號(hào)與底面波信號(hào)重合在一起，對(duì)缺陷的定性不是很理想，因此我們選擇另外一組6 mm薄板進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2 6 mm鋁板母材(無(wú)缺陷)TOFD信號(hào)Fig.2 TOFD signal of 6 mm aluminium sheet without defect

圖3 6 mm鋁板底部電火花槽TOFD信號(hào)Fig.3 TOFD signal of EDM groove at bottom of 6 mm aluminium sheet

另一組對(duì)6 mm鋁試板的對(duì)比試驗(yàn)如圖4所示。焊縫上存在2處裂紋，從TOFD信號(hào)可以輕松觀察到2處缺陷顯示。由于缺陷的自身高度達(dá)到5 mm，因此裂紋上尖端直接將直通波信號(hào)截?cái)?，下尖端與底面波重合。對(duì)第1處缺陷位置進(jìn)行解剖，如圖5所示。通過(guò)滲透檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)缺陷為裂紋，裂紋高度為5 mm，與TOFD超聲檢測(cè)結(jié)果一致。

圖4 6 mm鋁試板對(duì)接焊縫裂紋TOFD信號(hào)Fig.4 TOFD signal of butt weld crack on 6 mm aluminium sheet

圖5 6 mm鋁試板焊縫缺陷部位剖面圖Fig.5 profile map of weld defect on 6 mm aluminium sheet

3.3 12 mm和16 mm厚度的鋁板試驗(yàn)

對(duì)厚度為12 mm和16 mm的鋁試板中的焊縫缺陷進(jìn)行TOFD超聲檢測(cè)，如圖6、7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)12 mm鋁試板中間一處為點(diǎn)狀缺陷，16 mm鋁試板3處表面為開(kāi)口缺陷，缺陷信號(hào)都較為明顯。

圖6 12 mm鋁板焊縫層間缺陷TOFD信號(hào)Fig.6 Defect TOFD signal between welds on 12 mm aluminium sheet

圖7 16 mm鋁板焊縫上表面開(kāi)口缺陷TOFD信號(hào)Fig.7 TOFD signal of surface-breaking defect on weld in 16 mm aluminium sheet

3.4 20 mm厚的鋼板試驗(yàn)

對(duì)20 mm厚的鋼板層間裂紋和氣孔進(jìn)行試驗(yàn)。圖8所示缺陷為條狀，上端波和下端波相位相同，底波變化明顯，可定性為層間裂紋。圖9所示缺陷近似為球狀，亮度并不高，上端波和下端波相位相反，底波變化不明顯，可定性為氣孔。

圖8 20 mm厚鋼板焊縫層間裂紋缺陷TOFD信號(hào)Fig.8 Defect TOFD signal between welds on 20 mm steel sheet

圖9 20 mm厚鋼板焊縫氣孔缺陷信號(hào)顯示Fig.9 blowhole defects signal of welds on 20 mm steel sheet

4 結(jié) 論

TOFD超聲檢測(cè)法適用于特高壓變電站主設(shè)備的焊縫檢測(cè)。由于特高壓變電站主設(shè)備對(duì)質(zhì)量的要求很高，因此，只要能清楚地找到缺陷的位置，不需要準(zhǔn)確的判斷缺陷大小、性質(zhì)、自身高度，確定需要返修，即達(dá)到了檢測(cè)的目的。

(1)TOFD超聲檢測(cè)法檢驗(yàn)大于20 mm厚的合金鋁、碳鋼等材料的焊縫，采用5 MHz探頭，能夠做到清晰而準(zhǔn)確的判斷缺陷大小、性質(zhì)、自身高度。

(2)TOFD超聲檢測(cè)法檢驗(yàn)10～20 mm厚的合金鋁、碳鋼等材料的焊縫，采用10 MHz探頭，能夠做到清晰而準(zhǔn)確的判斷缺陷大小、性質(zhì)、自身高度。

(3)TOFD超聲檢測(cè)法檢驗(yàn)6 mm厚的合金鋁、碳鋼等材料的焊縫，采用10 MHz探頭，可以清楚地找到缺陷的位置。

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(編輯：張小飛)

Adaptability Analysis of TOFD Weld Detection for UHV Substation Primary Equipment

HAN Ninghui， BAO Leqing， WANG Guojun

(China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

According to the GIS, materials, craft structures and processing characteristics of UHV primary equipment, ultrasonic testing method based on time of flight diffraction (TOFD) was presented for the weld detection of primary equipment. Firstly, the adaptability and parameters selection principle of TOFD ultrasonic testing method were analysed from aspects of equipment material, base metal thickness, etc. Then, two briquettes with different thickness: aluminium alloy and carbon steel, were used for experimental verification. The results show that the welds of aluminium alloy and carbon steel with thickness of about 6 mm and 10 mm above can be detected by high frequency probe with using TOFD method, which can clearly and accurately determine the size, nature, height of defect.

UHV substation primary equipment; weld detection; time of flight diffraction

TM 63

A

1000-7229(2015)06-0084-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.06.014

2015-05-03

2015-05-06

韓凝暉(1987)，男，碩士研究生，助理工程師，主要從事特高壓主設(shè)備監(jiān)造方面的工作；

包樂(lè)慶(1961)男，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事特高壓主設(shè)備監(jiān)造方面的工作；

王國(guó)俊(1976)，男，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹附?，材料加工與無(wú)損檢測(cè)。