特高壓GIS罐體對接焊縫的超聲波檢測

羅宏建，周重回，夏強峰

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014；2.國網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江嘉興314033）

特高壓GIS罐體對接焊縫的超聲波檢測

羅宏建1，周重回1，夏強峰2

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014；2.國網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江嘉興314033）

針對特高壓GIS（氣體絕緣組合電器）罐體X射線檢測的缺陷，提出用超聲波檢測方法對特高壓GIS焊縫進行無損檢測，詳細介紹了超聲波檢測工藝，檢測實踐表明，超聲波檢測能有效測出特高壓GIS罐體焊縫的焊接質(zhì)量缺陷。

特高壓；氣體絕緣組合電器；超聲波檢測

GIS（氣體絕緣組合電器）是由斷路器、隔離開關(guān)等多種高壓電器組合而成的成套裝置，這些設(shè)備或部件全部封閉在金屬罐體內(nèi)部，充入一定壓力的SF6氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)。

影響GIS運行的重要因素之一是SF6氣體的滲漏問題[1]。若GIS罐體損傷而產(chǎn)生SF6泄漏，不但影響GIS乃至電力系統(tǒng)的可靠運行，同時也會污染周圍環(huán)境，危害工作人員的身體健康及生命安全。隨著特高壓GIS的開發(fā)生產(chǎn)，鋁合金罐體壁越來越厚，部分斷路器鋁合金罐體的壁厚已達25 mm，但是相對于薄壁，厚壁鋁殼體的焊接質(zhì)量問題更為嚴重[2]。因此，對特高壓GIS罐體焊縫進行安全評估具有重要意義。

1 特高壓GIS罐體焊接工藝

現(xiàn)階段特高壓GIS罐體主要由5083鋁板卷筒焊接而成，焊接方法使用MIG焊（熔化極惰性氣體保護焊）、TIG焊（惰性氣體鎢極保護焊）或MIG+TIG焊。例如某廠家生產(chǎn)的百萬伏斷路器，采用5083高強度防銹鋁合金卷板焊接，板材厚度20 mm。主筒上的直縫A類焊接接頭，以及環(huán)縫對接的B類焊接接頭，均采用雙面氬弧自動焊接，焊縫坡口型式見圖1—2。

圖1 A類焊縫坡口型式

如圖1所示，A類焊接接頭采用了雙面MIG焊接，預(yù)開X形坡口。先用MIG焊依次焊接內(nèi)壁坡口的1，2，3道焊縫，在外壁坡口根部作清根處理，剔除可能的焊縫根部缺陷，并確保隨后焊透整個焊縫坡口。再采用MIG焊接方法依次焊接筒體外壁坡口的4，5，6道焊縫。接著采用不填絲TIG電弧方法，對筒外壁焊縫進行重熔整形，完成焊道7，TIG整形可充分提高焊縫外觀質(zhì)量，焊接完成后對筒體內(nèi)壁的焊縫余高進行打磨。B類焊接接頭也采用了雙面MIG焊接方法，預(yù)先機械開設(shè)V形內(nèi)坡口，焊接方法同A類焊接接頭。

圖2 B類焊縫坡口型式

由于鋁具有較大的熱導率，加上特高壓罐體壁厚較大，在焊接過程中大量的熱能被迅速傳導[3]，這導致罐體焊縫極易在坡口側(cè)未融合。另外從圖1和圖2的焊縫坡口型式可以看出，當X形坡口、V形內(nèi)坡口的根部清理工作進行不徹底時，也會產(chǎn)生未焊透現(xiàn)象。由于鋁合金所具有的獨特物理化學性能，厚壁鋁殼體焊接還容易出現(xiàn)氣孔、熱裂紋等缺陷。針對特高壓罐體焊縫質(zhì)量問題，制造廠以射線檢測為主。射線檢測對缺陷的方向性敏感度強，容易漏檢坡口未融合、未焊透等缺陷，而且當設(shè)備服役后，X射線檢測無法進行，而超聲波檢測方法將很好地解決特高壓GIS罐體焊縫的檢測問題。

2 特高壓GIS罐體超聲波檢測工藝

2.1 檢測標準

特高壓GIS罐體中SF6壓力為0.6 MPa，超聲檢測技術(shù)等級依據(jù)GB 150.4-2011《壓力容器》規(guī)定，當使用超聲波檢測方法進行GIS焊縫的局部抽檢時，技術(shù)等級B級，檢測方法采用JB/T 4730規(guī)定中所述，合格指標為Ⅱ級。

2.2 探頭參數(shù)的選擇

鋁的縱波聲速為6 300 m/s，比鋼中縱波速度快；橫波聲速為3 150 m/s，比鋼中橫波聲速慢，鋁焊縫中聲衰減一般比碳鋼焊縫中小。根據(jù)鋁和鋁合金各向異性對超聲聲場的影響，如采用不同人工反射體測量探頭前沿和K值可能存在較大差異，對反射體的定位造成一定影響。針對這些特點，在特高壓GIS罐體焊縫檢測中，要使用檢測鋁焊縫的專用探頭，如圖3所示。

圖3 特高壓GIS罐體焊縫專用探頭

由于鋁焊縫衰減較小，因此檢測時宜選用較高頻率信號，一般為5.0 MHz。探頭的橫波折射角有70°，60°，45°等，為了有效檢出坡口融合情況，應(yīng)盡量使波束軸線與坡口面垂直；特高壓GIS罐體厚度8～25 mm，必須保證聲束能掃查到整個焊縫截面，綜合考慮探頭折射角選用短前沿70°探頭。GIS罐體是圓弧面，為了滿足耦合效果，選用較小晶片尺寸為宜，一般選用8×8晶片。

2.3 檢測設(shè)備和儀器調(diào)整

數(shù)字式探傷儀的缺陷位置參數(shù)是根據(jù)超聲波傳播時間、材料聲速、探頭折射角，由儀器計算并顯示。儀器調(diào)節(jié)主要是零位、聲速和探頭折射角調(diào)節(jié)，具體可參照鋼焊縫超聲檢測的調(diào)節(jié)方法。

調(diào)整好檢測設(shè)備后，還要依據(jù)標準通過繪制距離-波幅曲線確定檢測靈敏度。可參照JB 4730.3《承壓設(shè)備的無損檢測》標準以Φ2 mm橫通孔作為基準反射體，制作DAC（距離波幅校正）曲線。

2.4 檢測方式與缺陷的評定和質(zhì)量分級

以不低于評定線的掃查靈敏度，焊縫兩側(cè)采用一、二次波檢測。掃查方式有鋸齒形掃查及前后、左右、環(huán)繞和轉(zhuǎn)角掃查等，缺陷的定位、定量方法和質(zhì)量分級可參照標準JB/T 4730規(guī)定。

3 檢測實例

某1 000 kV斷路器罐體是由20 mm厚的5083鋁板卷制而成。罐體對接縱焊縫，采用了雙面MIG焊接，焊接工藝及坡口型式如圖1所示。

使用數(shù)字式超聲波檢測儀，采用A型脈沖反射超聲波檢測方法對其焊縫進行檢測。綜合考慮聲束覆蓋整個橫截面及危險性缺陷的位置，使用大角度短前沿專用探頭5P88β70°探頭。按照JB 4730規(guī)定，調(diào)整好儀器及繪制DAC曲線后，以Φ2 mm×40 mm-21dB（耦合補償為3 dB）為掃查靈敏度，在罐體外壁使用一、二次波對焊縫進行檢測。以鋸齒形掃查方式進行初探，發(fā)現(xiàn)可疑缺陷信號后，再輔以前后、左右、轉(zhuǎn)角、環(huán)繞等掃查方式對其進行認定。

圖4顯示了斷路器直焊縫上出現(xiàn)的一典型缺陷波形，閘門鎖定的回波顯示有一深度為12.28 mm的缺陷，缺陷波幅超過判廢線，采用降低6 dB相對靈敏度法測定其長度為260 mm，判定其為Ⅲ級，按驗收標準為不合格焊縫。經(jīng)過對焊縫進行解剖及滲透檢測后，發(fā)現(xiàn)該缺陷是焊縫間未焊透，如圖5所示。

圖4 DAC曲線缺陷波形

圖5 焊縫照片

4 結(jié)語

由于特高壓GIS罐壁較厚，焊接時易出現(xiàn)坡口未融合、未焊透等缺陷。工程應(yīng)用表明，采用特高壓GIS罐體焊縫超聲波無損檢測方法，能有效發(fā)現(xiàn)GIS罐體焊縫的缺陷，以保證特高壓GIS設(shè)備的安全運行。

[1]赫延梅，田朝勃.GIS制造工藝及設(shè)備[J].工藝及設(shè)備. 2007（10）:78-81.

[2]王麗輝，吳俊峰，魏鈾泉，等.VPPAW技術(shù)25 mm厚壁鋁殼體中的應(yīng)用[J].電焊機，2012，42（8）:41-44.

[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.

（本文編輯：陸瑩）

Ultrasonic Detection on Butt-joined Seam of Ultra-high Voltage GIS Shell

LUO Hongjian1，ZHOU Chonghui1，XIA Qiangfeng2
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.State Grid Jiaxing Power Supply Company，Jiaxing Zhejiang 314033，China）

Aiming at defects of X-ray detection on the shell of ultra-high voltage GIS（Gas Insulated Switchgear），the paper suggests that ultrasonic detection be adopted for non-loss detection on welding seam of ultra-high voltage GIS and it elaborates on the detection techniques of ultrasonic detection method.It is proved by the practical detection that ultrasonic detection method can effectively detect quality problems in the welding seam of ultra-high voltage GIS shell.

UHV；GIS；ultrasonic detection

TG115.28+5

B

1007-1881（2015）01-0024-03

2014-06-13

羅宏建（1978），男，高級工程師，從事電網(wǎng)金屬設(shè)備的無損檢測工作。