淺談相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在蘇通管廊鋁合金外殼的應(yīng)用

戰(zhàn)麗麗

摘? 要：蘇通GIL綜合管廊工程舉世矚目，迄今為止是世界上第一次在輸電通道中采用特高壓GIL進(jìn)行輸電的工程。蘇通特高壓GIL管廊工程具有顯著的特點(diǎn)，如最先進(jìn)的技術(shù)水平、最大的輸送電容量、最高的電壓等級(jí)、最長(zhǎng)的輸送距離等顯著的特點(diǎn)，名副其實(shí)地被譽(yù)為“萬(wàn)里長(zhǎng)江第一廊”。由此可見(jiàn)，GIL其中使用的零部件的技術(shù)和質(zhì)量要求很?chē)?yán)格，針對(duì)零部件之一的鋁合金外殼的生產(chǎn)和檢驗(yàn)，為更好地滿(mǎn)足質(zhì)量和交貨期的要求，特采用了先進(jìn)的相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：蘇通管廊? 鋁合金外殼? 螺旋焊管? 螺旋焊縫? 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)

Abstract：So far， it is the first time that the super high voltage Gil is used in the power transmission channel in the world. Sutong UHV GIL pipeline corridor project has remarkable characteristics， such as the most advanced technology level， the largest transmission capacity， the highest voltage class， the longest transmission distance and so on， truly known as "the first corridor of the Yangtze River". It can be seen that the technical and quality requirements of the components used in Gil are very strict， aiming at the production and inspection of one of the components， the aluminum alloy shell， in order to better meet the quality and delivery requirements， the advanced phased array ultrasonic testing technology is specially used.

Key Words：Sutong pipe gallery; Aluminium alloy casing; Spiral welded pipe; Spiral weld; Phased array ultrasonic testing technology

GIL（Gas-insulated Metal Enclosed Transmission Line，氣體絕緣金屬封閉輸電線(xiàn)路）是將金屬導(dǎo)電桿封閉在金屬外殼內(nèi)，利用金屬導(dǎo)電桿的方式進(jìn)行輸電，金屬外殼接地，且內(nèi)部通過(guò)充惰性氣體至規(guī)定的壓力從而進(jìn)行絕緣。簡(jiǎn)言之，GIL就是具備封閉兼絕緣特性的輸電線(xiàn)路。

GIL具有沒(méi)有電或熱的老化現(xiàn)象、傳輸電容量比普通電纜的大、運(yùn)行不受外界環(huán)境的影響等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有運(yùn)行可靠度高、安全性高、經(jīng)濟(jì)性好、節(jié)約用地面積等顯著特點(diǎn)，所以GIL尤其適合作為架空輸電方式和電纜送電存在受限情況時(shí)的補(bǔ)充輸電技術(shù)等某些受限的場(chǎng)所和特定場(chǎng)所的使用。

連接蘇州和南通兩地的特高壓蘇通GIL綜合管廊工程采用兩回6相1 000 kV，管線(xiàn)6相總長(zhǎng)約35 km，單相長(zhǎng)度5.8 km，通過(guò)江底隧道穿越長(zhǎng)江兩岸，很大程度上解決并實(shí)現(xiàn)了華東特高壓交流雙環(huán)網(wǎng)合環(huán)有效順利地運(yùn)行。

1? 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 相控陣超聲的檢測(cè)原理

相控陣超聲檢測(cè)（簡(jiǎn)稱(chēng)PAUT）的主機(jī)探頭的壓電晶片較多，目前使用的探頭由64個(gè)壓電晶片組成，其中每個(gè)壓電晶片各形成一個(gè)接收和發(fā)射的陣元，為達(dá)到對(duì)波束進(jìn)行的偏轉(zhuǎn)與聚焦，壓電晶片在發(fā)射電路的激勵(lì)下通過(guò)控制脈沖的延遲，從而改變各個(gè)發(fā)射或者接收的超聲波到達(dá)物體內(nèi)某點(diǎn)的相位關(guān)系所形成的相位差，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的檢測(cè)。

1.2 相控陣超聲檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)

（1）使用的探頭尺寸比常規(guī)超聲檢測(cè)的更小，這樣能更方便地檢測(cè)難以接近的部位。

（2）能對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和盲區(qū)位置的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，很大程度上避免了漏檢的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）能進(jìn)行電子掃描，實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行多角度、全方位且高速的檢測(cè)，而且缺陷顯示非常直觀。

（4）由于聚焦功能，所以分辨率和靈敏度皆高于常規(guī)超聲檢測(cè)。

（5）很大程度上節(jié)約了系統(tǒng)成本。

1.3 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)較多應(yīng)用于醫(yī)學(xué)方面，鑒于PAUT的特性及優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在也正逐步地應(yīng)用在工業(yè)行業(yè)的無(wú)損檢測(cè)，比如火車(chē)輪軸的無(wú)損檢測(cè)、汽輪機(jī)葉片的無(wú)損檢測(cè)等。目前在國(guó)內(nèi)，PAUT已經(jīng)大量應(yīng)用的工程有西氣東輸工程，其中在某些特殊的部門(mén)如航空系統(tǒng)和核工業(yè)系統(tǒng)等也有少量應(yīng)用。

筆者公司依托北京航空航天大學(xué)、中國(guó)船級(jí)社，并與北京安可為科技有限公司合作，將相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)運(yùn)用到筆者公司生產(chǎn)的鋁合金外殼的焊縫檢測(cè)，特別是蘇通GIL零部件之一的鋁合金外殼使用的螺旋焊管的螺旋焊縫的檢測(cè)。

2? 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在螺旋焊縫的應(yīng)用

2.1 鋁合金外殼用螺旋焊管焊縫介紹

作為蘇通GIL綜合管廊零部件之一的鋁合金外殼，采用了螺旋焊管與法蘭對(duì)接焊接的形式，標(biāo)準(zhǔn)段的鋁合金外殼的長(zhǎng)度為18 m，用于蘇通GIL管廊鋁合金外殼的螺旋焊管的規(guī)格是φ900mm×10mm。眾所周知，螺旋焊管的焊縫是呈螺旋狀的，根據(jù)實(shí)際使用鋁卷的寬度和相關(guān)參數(shù)，對(duì)螺旋焊縫的比例進(jìn)行計(jì)算，可以計(jì)算出螺旋焊縫的單位焊縫長(zhǎng)度為2 247 mm/m，可見(jiàn)1根18 m的螺旋焊管，焊縫長(zhǎng)度達(dá)到40.5 m/根。如此長(zhǎng)的焊縫，用普通的超聲檢測(cè)存在工作量大、工作效率低、容易漏檢等諸多缺點(diǎn)，所以該公司特將相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用在此工程上。

2.2 相控陣設(shè)備的選型

目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的相控陣設(shè)備，部分廠家還未完善好設(shè)備。該公司最終使用奧林巴斯（OLYMPUS）OmniScan MX2儀器進(jìn)行檢測(cè)，此儀器實(shí)現(xiàn)了掃查裝置和數(shù)據(jù)采集的移動(dòng)同步，并具備存儲(chǔ)和分辨功能，同時(shí)儀器具備全功能S掃描及A、B、C掃描，掃描圖形更直觀、快捷、方便。針對(duì)檢測(cè)蘇通GIL的螺旋焊管的螺旋焊縫，采用的探頭是5L64-A2，此探頭符合機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 11731《無(wú)損檢測(cè) 超聲相控陣探頭通用技術(shù)條件》的要求。

2.3 相控陣超聲設(shè)備的主要輔助設(shè)備和工裝

2.3.1 專(zhuān)用工裝

螺旋焊縫在檢測(cè)期間，會(huì)使用大量的耦合劑。相控陣超聲檢測(cè)使用的耦合劑是清潔的水。水是流體，考慮到由于水的流失，不僅造成成本的浪費(fèi)，還會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，所以根據(jù)該公司實(shí)際情況，將車(chē)間的廢棄產(chǎn)品進(jìn)行重新改造再利用，制作了專(zhuān)用工裝水槽。此工裝水槽放在待檢螺旋焊管的下方，檢測(cè)期間耦合的水順勢(shì)流入工裝水槽中，這樣不僅改善了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，還能將工作中使用的水進(jìn)行回收和排放，真正做到了安全、環(huán)保、節(jié)能。工裝水槽需要定期進(jìn)行清理，另外考慮到現(xiàn)場(chǎng)存在灰塵、鋁屑等異物，這些異物會(huì)影響水槽的清理，所以特將水槽內(nèi)設(shè)計(jì)了過(guò)濾式排水閥，避免了因異物堵塞下水管的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.2 高度調(diào)節(jié)架

根據(jù)螺旋焊管的規(guī)格尺寸，計(jì)算出焊管的高度，然后根據(jù)工裝水槽的高度、螺旋焊管的高度、滾輪架的高度、移動(dòng)式平臺(tái)的高度等制作高度調(diào)節(jié)架，目的是讓操作者操作時(shí)的高度與檢測(cè)螺旋的高度持平，避免螺旋焊管過(guò)高或者過(guò)低給操作者帶來(lái)不便。高度調(diào)節(jié)架置于工裝水槽之上。

2.3.3 滾輪架

由于螺旋焊管的焊縫是呈螺旋狀的，所以配備了專(zhuān)用滾輪架，滾輪架置于高度調(diào)節(jié)架之上，便于控制螺旋焊管的周向旋轉(zhuǎn)。

2.3.4 手持掃查設(shè)備

針對(duì)GIL綜合管廊的螺旋焊管的螺旋焊縫，特使用手持掃查設(shè)備，只需要人工扶該設(shè)備，便可對(duì)焊縫進(jìn)行雙面檢測(cè)。手持掃查設(shè)備連接耦合用水管和編碼器。同時(shí)，操作者在掃查時(shí)可以對(duì)螺旋焊縫表面質(zhì)量再次檢查確認(rèn)，實(shí)現(xiàn)了外觀檢驗(yàn)的復(fù)驗(yàn)。

2.3.5 移動(dòng)式工作臺(tái)

制作了專(zhuān)用的移動(dòng)式工作臺(tái)，工作臺(tái)可以沿著平行于螺旋焊管軸線(xiàn)的方向進(jìn)行平移。移動(dòng)式工作臺(tái)與滾輪架并用，實(shí)現(xiàn)了螺旋焊管周向旋轉(zhuǎn)和縱向平移的功能，這樣操作者只需站在移動(dòng)式工作臺(tái)上扶持手持掃查設(shè)備便可實(shí)現(xiàn)對(duì)螺旋焊縫進(jìn)行100%的掃查檢測(cè)。另外，為更便于操作者的工作，在移動(dòng)工作臺(tái)的底部平面上且靠近操作者的位置設(shè)置了可腳踏的控制開(kāi)關(guān)，克服了操作者由于手持掃查設(shè)備導(dǎo)致的無(wú)法再用手控制移動(dòng)開(kāi)關(guān)的局限性。

2.3.6 掃查要求

掃查前操作者應(yīng)在螺旋焊管掃查面上做好掃查起始點(diǎn)和掃查方向等標(biāo)記，按沿線(xiàn)掃查方式進(jìn)行掃查，運(yùn)行速度≤100 mm/s，螺旋焊縫適宜速度保持沿工件軸線(xiàn)方向1～2 m/min，若需對(duì)螺旋焊管在長(zhǎng)度方向進(jìn)行分段掃查，則各段掃查區(qū)的重疊范圍≥20 mm。

2.3.7 應(yīng)用實(shí)例

對(duì)1根18 m螺旋焊管進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程如下。

（1）校調(diào)相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備。

包括靈敏度的調(diào)校、曲線(xiàn)的制作、補(bǔ)償?shù)鹊男Ｕ{(diào)及檢測(cè)前的相關(guān)準(zhǔn)備工作。

（2）檢測(cè)螺旋焊縫。

擺放好掃查工裝，探頭與焊縫兩側(cè)距離相等，然后開(kāi)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。

根據(jù)波的聲學(xué)傳播的特性，超聲波從主機(jī)探頭發(fā)出后，首先進(jìn)入楔塊，然后經(jīng)過(guò)折射波進(jìn)入鋁合金螺旋焊管，此折射波稱(chēng)之為一次波，利用一次波可以檢測(cè)螺旋焊縫的根部。進(jìn)入鋁合金螺旋焊管的折射波，在焊管內(nèi)壁形成反射波，此反射波稱(chēng)之為二次波，利用二次波可以檢測(cè)螺旋焊縫的全部。圖1為檢測(cè)螺旋焊縫的相控陣超聲檢測(cè)示意圖。

（3）分析判定圖像。

將儀器中的存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)到電腦上，使用OmniPC-4.4R3軟件打開(kāi)，結(jié)合A、B、C、S掃描顯示，對(duì)缺陷的幅度、長(zhǎng)度、位置進(jìn)行測(cè)量。如焊縫有缺陷，則需要對(duì)被檢焊縫的缺陷位置進(jìn)行標(biāo)識(shí)，按照評(píng)定的記錄對(duì)焊縫缺陷部位使用皮尺進(jìn)行測(cè)量確認(rèn)，并在螺旋焊管表面做好缺陷長(zhǎng)度、深度、等級(jí)等標(biāo)記。

（4）出具報(bào)告。

檢測(cè)完成，出具檢測(cè)報(bào)告。報(bào)告中需包括被檢產(chǎn)品的名稱(chēng)、材質(zhì)、規(guī)格、檢測(cè)結(jié)果、檢測(cè)規(guī)范、檢測(cè)日期、檢測(cè)人員等信息。

3? 應(yīng)用效果

3.1 安全

PAUT是基于常規(guī)超聲UT檢測(cè)原理的技術(shù)，PAUT無(wú)電離輻射，使用水作為耦合劑，對(duì)人體和環(huán)境無(wú)害，是一種綠色的檢測(cè)方法。

3.2 準(zhǔn)確

PAUT對(duì)未熔合和裂紋等面積缺陷比較敏感，相對(duì)于普通超聲檢測(cè)、射線(xiàn)檢測(cè)，缺陷檢出率更高。另外PAUT受人工因素影響小，克服了常規(guī)超聲檢測(cè)受人工缺陷判定水平影響較大的缺點(diǎn)。

3.3 高效

每根18 m的螺旋焊管，PAUT檢測(cè)只需45 min，比普通超聲UT檢測(cè)快1倍，可見(jiàn)相控陣超聲檢測(cè)的效率遠(yuǎn)比普通超聲檢測(cè)高;相控陣超聲檢測(cè)還可以交叉作業(yè)，且對(duì)環(huán)境、時(shí)間沒(méi)有特定的要求;同時(shí)，相控陣超聲檢測(cè)所有檢測(cè)記錄能數(shù)字化存儲(chǔ)，便于追溯和保存。

4? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在蘇通GIL綜合管廊工程零部件之一的鋁合金螺旋焊縫的應(yīng)用，可以看出相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)有安全、準(zhǔn)確、高效等應(yīng)用效果。這對(duì)組織制定相控陣超聲檢測(cè)的缺陷判定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供了強(qiáng)有力的理論依據(jù)。

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