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、環縫采用TIG焊或半自動MIG焊。現場的罐體焊縫滲漏現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，采用常規超聲波探頭探傷時焊縫一般位于近場區，而近場區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。為了避免常規探頭探傷時近場區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、盲區少。

（3）工件中近場區長度小[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，發現可疑缺陷信號后再以前后、左右、轉角、環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.