特高壓鋼管塔對接環(huán)焊縫超聲波檢測影響因素分析

王國俊，武英利，韓晉鋒

（1.中國電力科學研究院，北京 100055；2.國網(wǎng)晉城供電公司，山西 晉城 048000）

特高壓鋼管塔對接環(huán)焊縫超聲波檢測影響因素分析

王國俊1，武英利1，韓晉鋒2

（1.中國電力科學研究院，北京 100055；2.國網(wǎng)晉城供電公司，山西 晉城 048000）

特高壓鋼管塔對接環(huán)焊縫的超聲波檢測，依據(jù) GB/T 11345和Q/GDW 707進行檢測。由于鋼管塔構(gòu)件和焊縫的錯邊、余高和焊縫寬度等情況，易導致檢測誤判。對鋼管塔法蘭-鋼管對接環(huán)焊縫超聲波檢測若干影響因素進行了分析，提出了識別和判定方法，可以實現(xiàn)對鋼管塔對接環(huán)焊縫焊接質(zhì)量的有效控制。

焊接；鋼管塔；法蘭；對接焊縫；超聲波檢測

鋼管塔具有結(jié)構(gòu)傳力清晰、用鋼量少、占地面積小、塔型美觀及附加荷載小等優(yōu)點，有利于充分發(fā)揮材料的承載能力[1-2]。皖電東送淮南至上海特高壓交流輸電示范工程全線路采用同塔雙回路架設(shè)，全線路共有鋼管塔1 421基。

工程鋼管塔采用了帶頸法蘭和直縫焊管對接焊連接新型結(jié)構(gòu)，要求鋼管與法蘭的對接環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量為一級[3]，對接焊縫總長約327 km。焊縫的質(zhì)量關(guān)系到整塔的安全穩(wěn)定，工程要求制造廠家進行100%無損檢測。超聲波檢測具有儀器設(shè)備小、操作靈活、探傷靈敏度高、面積形缺陷檢出率高、成本低等優(yōu)點，可以有效地控制鋼管塔對接焊縫的焊接質(zhì)量，所以皖電東送工程選用超聲波方法檢驗鋼管與法蘭對接環(huán)焊縫[3]。

GB/T 11345規(guī)定了壁厚大于8mm的對接焊縫超聲波檢驗方法、質(zhì)量判定標準。Q/GDW 707則規(guī)定了壁厚小于8mm的對接焊縫超聲波檢驗方法、質(zhì)量判定標準。該工程按照上述標準進行檢測時，常出現(xiàn)檢測成功率不高的情形，影響了檢測質(zhì)量與檢測效率。工程急需根據(jù)超聲波檢測原理，分析特高壓鋼管塔對接環(huán)焊縫的特點及其對超聲波檢測的影響，提出實施超聲波檢測必須關(guān)注的影響因素，進行綜合判斷的方法，為應用超聲波檢測判斷焊接接頭中缺陷的形狀及性質(zhì)提供重要參考。

1 對接環(huán)焊縫超聲檢測面臨的問題

1.1 焊接件形狀及尺寸對超聲探測面的限制

鋼管塔采用直縫鋼管與帶頸法蘭連接，環(huán)焊縫法蘭側(cè)頸部受到過渡錐面的限制，不能放置超聲波探頭,如圖1所示。與帶頸法蘭焊接的直縫鋼管直徑通常在159～965mm，其中相對大直徑管的焊縫探測面可選擇在鋼管側(cè)外壁面、內(nèi)壁面及法蘭側(cè)內(nèi)壁面，即大直徑管條件下，可以實現(xiàn)鋼管側(cè)雙面單側(cè)、法蘭側(cè)單面的超聲波檢測；小直徑管的焊縫外壁曲率較大，可通過修磨探頭實現(xiàn)探測面與探頭耦合，但內(nèi)壁因接觸不良及難以觀測等原因不適合超聲檢測，即小直徑管條件下，只能在鋼管側(cè)單面單側(cè)實現(xiàn)超聲波檢測。

圖1 帶頸法蘭檢測探頭放置示意圖

1.2 鋼管塔直縫鋼管壁厚的影響

利用橫波檢測時，如鋼管壁厚4～14mm范圍內(nèi)，超聲波聲束在管壁中聲程較短，易受聲壓近場區(qū)聲波干涉的影響，造成回波時大時小，無法對缺陷進行定性定量，易產(chǎn)生誤判或漏判。同時，由于直縫鋼管管壁薄，超聲波聲束進入工件遇到焊縫內(nèi)相鄰的缺陷時，造成缺陷回波聲程差別很小，導致相鄰缺陷回波不易被區(qū)分[4-6]，影響超聲檢測分辨力。

1.3 焊縫寬度過大導致掃查范圍減小

帶頸法蘭與直縫鋼管焊接過程中，各鋼管塔生產(chǎn)廠家主要采用了三種工藝方法：一種是手工氣體保護焊打底和蓋面（開V形坡口，針對厚度小于8mm的鋼管）；一種是手工氣體保護焊打底和自動埋弧焊蓋面（開V形坡口，針對厚度大于8mm的鋼管）；少量生產(chǎn)廠家采用全埋弧自動焊（不開坡口，兩面焊，針對厚度大于8mm的鋼管）。由于生產(chǎn)廠家所選用的焊接規(guī)范相對較大，造成了焊接接頭余高寬度方向尺寸過大，壁厚4mm鋼管焊縫表面寬度在10 mm左右，壁厚14mm鋼管焊縫表面寬度有可能達到28mm。采用常規(guī)探頭難以掃查焊縫中上部區(qū)域。

1.4 焊縫余高大可能導致信號混淆

根據(jù)《特高壓鋼管塔加工技術(shù)規(guī)定》的要求，焊縫余高應當不大于3mm，但是由于生產(chǎn)廠家焊接人員的技術(shù)水平以及工藝規(guī)范大的緣故，造成焊縫余高相對較大，一般都超出技術(shù)規(guī)定的上限范圍。超聲波檢測時，由于余高的存在，超聲波聲束入射到余高上時會產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成發(fā)射橫波S′和反射縱波L′,也稱為變形橫波和變形縱波[7-8]，如圖2所示， 沿余高表面從A～C之間的點，聲波的入射角各不相同，因此各點反射橫波和反射縱波的傳播方向也不同。反射橫波和反射縱波傳到上表面，又在上表面余高上反射，部分沿原路徑返回被探頭接收。在這種情況下可能與存在的缺陷的二次回波非常相似，造成誤檢或漏檢。

圖2 焊縫余高產(chǎn)生的干擾波示意圖

1.5 焊接接頭錯邊可能導致誤判

考慮到現(xiàn)實存在直縫鋼管管口的不規(guī)則情況，帶頸法蘭的頸部厚度一般都比直縫鋼管的厚度大1～2mm。由于鋼管的橢圓度、垂直度存在一定的偏差，造成在對接過程中，必然出現(xiàn)焊接接頭錯邊現(xiàn)象，如圖3所示。如果按照法蘭頸部厚度為基準厚度進行檢測，按照理想的焊接接頭結(jié)構(gòu)進行分析和評判，A點會誤判為焊縫一次波掃查的內(nèi)部缺陷。

圖3 焊接接頭錯邊導致誤判示意圖

1.6 反射波誤識別導致漏判

超聲波檢測技術(shù)現(xiàn)階段主要使用A型掃描，波形較為復雜，與掃查速度、方向有關(guān)[9-10]。缺陷的大小取決于波的當量值，缺陷的性質(zhì)取決于波形。當量值小的缺陷有可能是危害性缺陷，如坡口未熔合，短小裂紋，檢測過程中一定要對出現(xiàn)的波形進行分析。

2 提高焊縫缺陷檢出率的措施

2.1 根據(jù)焊接件形狀及尺寸確定超聲探測面

鋼管塔超聲波檢測過程中，由于法蘭側(cè)不能放置探頭，所以應注意焊接件形狀及尺寸。對于壁厚大于8mm的鋼管，當直徑為273～356mm時，應采用單面單側(cè)進行檢測，當直徑大于356mm時，應當采用雙面單側(cè)進行檢測。對于壁厚小于8mm的鋼管，應采用單面單側(cè)進行檢測。

2.2 不同厚度采用不同方法進行檢測

當壁厚小于8mm時，應采用爬波檢測，可以選用并列式或串列式雙晶爬波探頭，但選擇并列式探頭時，由于探頭尺寸過大，為保證探頭與鋼管表面充分耦合，探頭楔塊應修磨加工成與被測管外壁相吻合的曲面。

當壁厚大于等于8mm時，應采用橫波檢測，盡量采用入射角度較大的探頭，使得一次發(fā)射波能夠進入焊縫。

當懷疑焊縫中存在缺陷或?qū)τ诒诤裥∮?mm的焊縫進行缺陷定位時，可以使用小徑管探頭或不同入射角度探頭進行復檢。

2.3 按不同焊縫寬度采用小前沿探頭進行檢測

由于鋼管塔焊縫表面寬度較大，為增大一次波的檢測范圍，克服二次波檢測靈敏度較低的問題，使一次波的掃描范圍在焊縫中心線深度1/4以上，應選用短前沿探頭。盡量選取近場長度小的探頭，以克服近場的影響，盡量使一次波的掃描范圍在 1.64～3N[3]。

2.4 采用水平定位消除焊縫余高大帶來的偽信號

余高反射波深度一般比鋼管壁厚稍大，水平定位在焊縫中心線遠離探頭一側(cè)。檢測過程中通過單面雙側(cè)可以明顯判定缺陷是否為余高，鋼管塔對接焊縫法蘭側(cè)外表面為斜臺不能放置探頭因此不能據(jù)此判斷為余高。但可利用蘸有耦合劑的手拍打焊縫根部反射面或修磨焊縫余高，觀察反射波是否發(fā)生變化判斷是否為余高。爬波檢測時也可以通過這種方法識別余高波。

2.5 焊接接頭錯邊反射波的水平定位

焊接接頭錯邊產(chǎn)生的變型回波較多，橫波檢查時易產(chǎn)生變型反射縱波、變型反射橫波、變形波、“山”形波等，爬波檢測時，也會產(chǎn)生表面縱波、變形波等，檢查過程中，錯邊產(chǎn)生的回波水平定位通常位于焊縫之外，當還有異議時，可以采用變換探頭K值的方法進行比對。

2.6 缺陷波的識別

不同的缺陷產(chǎn)生不同的反射波。點狀圓形缺陷反射波回波幅度較小，形尖銳、陡峭，稍微轉(zhuǎn)動探頭波幅快速降低；密集性缺陷可能在屏幕上形成多個反射回波，波幅高低不一，但移動探頭會使反射回波此起彼伏；條狀缺陷反射回波在探頭沿長條方向移動時特征包絡線有緩慢起伏，垂直移動式快速降低，消失很快；面形缺陷反射回波在與缺陷平面垂直方向的兩側(cè)，回波高度迅速降落；未焊透反射回波在探頭沿焊縫平行移動時，其特征包絡線平穩(wěn)，水平及深度定位在焊縫坡口位置。

3 結(jié)論

（1）鋼管塔對接焊縫的截面形狀影響超聲波檢驗工作的質(zhì)量。采用本文提供的措施，可以消除誤判，從而提高超聲波檢測的質(zhì)量，進而達到控制焊接質(zhì)量的目的。

（2）綜合考慮鋼管塔焊縫超聲波檢測的影響因素，掌握焊縫缺陷反射波的特征，可以進一步減少漏判，提高缺陷檢出率。

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Influence Factors Analysis on Ultrasonic Testing of Ultra High Voltage(UHV)Steel Pipe Tower Butt Circum ferentialW eld

WANG Guojun1,WU Yingli1,HAN Jinfeng2
（1.China Electric Power Research Institute,Beijing 100055,China;2.Jincheng Power Supply Company,Jingcheng 048000,Shanxi,China)

According to the criteria of GB/T 11345 and Q/GDW 707,ultrasonic testing was applied into butt circum ferential weld of UHV steel tower.Weld offset，reinforcement，weld width of steel towermay lead tomisjudgments of ultrasonic testing.In this paper,aiming to the analysis on the influence factors of steel tower flange and butt circumferential weld on exact implementation of ultrasonic testing,the methods of distinguish and judgment of ultrasonic testing were put forward.It can realize efficient controlling ofwelding quality for steel tower butt circumferentialweld.

welding;steel pipe tower;flange;buttweld;ultrasonic testing

TE973.6

B

1001－3938（2015）11-0044-04

王國?。?976—），男，中國電力科學研究院高級工程師，主要從事焊接及無損檢測研究。

2015-02-26

羅 剛