特高壓變電站主設備焊縫衍射時差法檢測適應性分析

韓凝暉，包樂慶，王國俊

(中國電力科學研究院，北京市 100192)

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特高壓變電站主設備焊縫衍射時差法檢測適應性分析

韓凝暉，包樂慶，王國俊

(中國電力科學研究院，北京市 100192)

針對特高壓變電站主設備GIS、變壓器和電抗器的使用材料、工藝結構和加工特點，提出利用衍射時差(time of flight diffraction，TOFD)超聲檢測法，對主設備進行焊縫缺陷檢測。首先從設備的材料、母材的厚度等方面深入分析TOFD超聲檢測法的適應性及檢測參數選擇原則，并對不同厚度的鋁板、鋼板進行試驗驗證。結果表明，TOFD法檢驗厚度為6 mm左右和10 mm及以上的合金鋁、碳鋼等材料的焊縫時，采用高頻率探頭，能夠清晰而準確地判斷缺陷大小、性質、自身高度。

特高壓變電站主設備；焊縫檢測；衍射時差法(TOFD)

0 引 言

為了實現能源資源更大范圍的優化配置，發展特高壓、遠距離、大容量交直流輸電技術，我國正在快速建設以特高壓為骨干網架、各級電網協調發展的堅強智能電網。特高壓變電站主設備是特高壓工程中，變電站的關鍵設備。隨著特高壓工程電壓等級的提高，輸送容量的增大，變電站主設備的GIS隔離開關罐體、變壓器的套管規格尺寸越來越大，對主設備殼體結構焊接的質量提出了更高的要求。當采用的無損檢測方法不合理或檢測的標準不適當，有可能造成產品的焊縫內部缺陷漏檢。若帶有質量缺陷的產品應用于變電站會給電網安全運行帶來極大的隱患。

現階段設備制造廠家主要采用數字實時成像射線檢測法對焊縫進行檢測，檢測比例100%。由于數字實時成像射線檢測法本身的特點，其受工件厚度、坡口角度、射線透照角度、線速度等因素影響，在實際檢測中存在漏檢、誤檢等問題，因此有必要引入新的無損檢測方法，對特高壓變電站主設備焊縫進行檢測。

衍射時差(time of flight diffraction TOFD)超聲檢測起源于上個世紀70年代早期。由英國哈威爾的國家無損檢測中心Silk博士首先提出，其原理源于Silk博士對裂紋尖端衍射信號的研究。TOFD作為實驗工具，在80年代早期，聯合國做了大量的實驗，證實TOFD作為超聲檢測技術是可行的，在可靠性和精度方面有很強的優勢。1982年，國際無損檢測中心開發了一套便攜式設備進行數據的采集和分析，歐洲、美國和日本相繼出臺了有關TOFD無損檢測標準。目前，TOFD無損檢測方法，在歐洲和美國的應用已趨于成熟，而目前國內研究較少，且沒有國家標準。

國家電網公司交流建設部擬引入TOFD超聲檢測方法對特高壓主設備焊縫進行檢測，并制定相應的企業標準。本文針對數字射線檢測的不足，結合特高壓變電站主設備的特點，重點對TOFD超聲檢測進行研究。通過理論分析TOFD超聲檢測的原理和參數，討論TOFD超聲檢測對特高壓變電站主設備的適應性。并結合對比實驗，驗證TOFD超聲檢測的檢測能力和范圍。

1 衍射時差(TOFD)超聲檢測方法的分析

1.1 TOFD超聲檢測基本原理

TOFD超聲檢測是利用缺陷端點的衍射波信號探測和測定缺陷尺寸的一種自動超聲檢測方法。該方法采用一對中心頻率、晶片尺寸、折射角相同的探頭相向對稱放置在焊縫的兩側。在檢測缺陷時，由發射探頭發射的縱波將在缺陷的上、下端點處產生出很大角度范圍內的衍射波，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。當被測工件內部沒有缺陷時，接收探頭只收到直通波和底面回波2種波形，當被測工件內部有缺陷時，TOFD超聲檢測產生4種信號，即沿表面傳播的直通波、缺陷上端衍射波、缺陷下端衍射波和底面反射回波，如圖1所示。

圖1 TOFD超聲檢測原理圖Fig.1 Principle of TOFD ultrasonic testing

在進行TOFD超聲檢測時，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，若有則說明該工件存在缺陷。

1.2 TOFD超聲檢測影響因素分析

1.2.1 材料分析

變電站主設備包括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，防止發熱，在設計制造過程中還大量采用了穩定的純奧氏體組織。

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

1.2.2 厚度分析

根據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間窗口范圍越大，缺陷信號越易于分辨。因此，TOFD超聲檢測對于壁厚較厚的工件檢測效果較好。由于特高壓變電站主設備殼體厚度一般為6～25 mm，屬于超薄工件。我國目前尚沒有制定國家標準。歐美國家的TOFD標準對被檢工件壁厚都有明確規定：歐洲標準化委員會2000年頒布的ENV583-6應用壁厚為6～300 mm，2004年推出了CEN/TS14751適應壁厚為≥6 mm；而美國試驗與材料協會的ASTM2373為9～300 mm，超出此壁厚范圍需要通過演示證明；美國機械工程師協會制定的最新版ASME2235-9適應壁厚為≥13 mm。各國標準中對工件厚度的下線要求不一致，同時也說明10 mm左右是適應的難點，因此需對檢測效果進行試驗驗證。

2 TOFD無損檢測參數應用分析

2.1 探頭折射角

在探頭中心間距及入射點不變的情況下，探頭折射角過大或過小，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，處于探頭的近場區，聲場分布較復雜，雖然對衍射波幅度影響不大，但對反射波幅度影響較大，側向波的波幅會隨著折射角的減小而增大，以致超過缺陷的波幅，影響缺陷的識別。根據特高壓變電站主設備殼體焊縫的特點，探頭折射角選擇60°～70°。

2.2 探頭頻率

在實際操作中，需對探頭頻率進行特別關注。探頭頻率越低，波長越長，其幅值衰減越小，則探測深度越深，但分辨力較差，不利于內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定的覆蓋范圍，其決定了直通波和底面波的時間范圍窗口。如果直通波和底面波之間的時間間隔過小，缺陷信號將很難被分辨出來。實際應用中，希望最少達到20個周期，當然越多越好。分析表明：特高壓變電站主設備殼體厚度在20 mm的工件上時間范圍是2.7 μs，采用10 MHz探頭，1周期0.1 μs，達到27個周期，可以獲得較好的分辨率。殼體厚度10 mm的工件上時間范圍是1.35 μs，對于10 MHz的探頭，1周期的時間是0.1 μs，能達到13.5個周期，探頭最高頻率可達15 MHz，最高可達到22.5個周期，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目越多，深度分辨率越高。通過增加頻率可以很容易增加周期數，但衰減和散射也隨之而來，激發能量也隨之減小，聲束擴散也減小。

對于特高壓變電站主設備殼體厚度在20 mm及以上的焊縫檢測，選用5 MHz探頭；對于20 mm以下的焊縫檢測，應選用10 MHz或更高的高頻率探頭，分辨力高，再利用先進的信號處理技術分析，能夠達到滿意的效果。

2.3 探頭晶片尺寸

探頭晶片尺寸的大小對聲束指向性、近場區長度、遠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，探頭未擴散區掃查范圍大，遠距離掃查范圍相對變小，發現遠距離缺陷能力增強；但隨著晶片尺寸的增加，近場區長度迅速增加，對探傷不利。特高壓變電站主設備殼體焊縫宜采用3～6 mm的探頭晶片。

2.4 信號處理系統

隨著信號技術的發展，信號處理技術和解釋軟件在超聲檢測中得到了廣泛應用，信號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分類等。抑制噪聲技術包括：多次平均法、匹配濾波器、相關法、頻譜分析、時頻變換、人工神經網絡、小波分析等。對于奧氏體不銹鋼粗晶材料的超聲檢測中，材料中缺陷的信號和晶粒散射引起的噪聲信號具有不同的頻譜特性，利用此特性對信號進行處理，增大缺陷信號的強度，提高信噪比。

信號處理系統采樣數量越多，重構的波形越精確。要得到理想的波形，每周期需要采10個或更多個點(例如，對于10 MHz探頭來說，這就意味著數字化頻率應該是100 MHz或者更高)。但是，數字化頻率越高，采樣點的數量越大，存儲空間要求越大，掃描速度越低。解釋軟件從大量的數據中抽取足夠數量的特征信息，通過模式識別、人工神經網絡及專家系統等方法對缺陷進行自動識別。

3 試驗驗證

3.1 檢測參數

本文利用TOFD超聲檢測對不同厚度及材質的特高壓主設備材料進行分析，具體參數設置如表1所示。

表1 儀器及探頭的選擇和設置

Table 1 Selection and setting of instrument and probe

3.2 6 mm厚的鋁板試驗

在試板底面加工3個電火花槽，規格依次為槽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。分別對試板母材和槽進行試驗，如圖2、3所示。母材試驗中，直通波與底面回波清晰可見，同時兩者之間沒有任何信號顯示，表明試板母材無缺陷。通過對電火花槽的TOFD檢測試驗可以清晰發現反映3個電火花槽的3處缺陷信號，由于缺陷高度的不同，信號強度呈遞減狀態，表明TOFD在對厚度為6 mm的鋁板進行檢測時可以有效發現缺陷。

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

圖2 6 mm鋁板母材(無缺陷)TOFD信號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Fig.3 TOFD signal of EDM groove at bottom of 6 mm aluminium sheet

另一組對6 mm鋁試板的對比試驗如圖4所示。焊縫上存在2處裂紋，從TOFD信號可以輕松觀察到2處缺陷顯示。由于缺陷的自身高度達到5 mm，因此裂紋上尖端直接將直通波信號截斷，下尖端與底面波重合。對第1處缺陷位置進行解剖，如圖5所示。通過滲透檢測，發現缺陷為裂紋，裂紋高度為5 mm，與TOFD超聲檢測結果一致。

圖4 6 mm鋁試板對接焊縫裂紋TOFD信號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

對厚度為12 mm和16 mm的鋁試板中的焊縫缺陷進行TOFD超聲檢測，如圖6、7所示。可以發現12 mm鋁試板中間一處為點狀缺陷，16 mm鋁試板3處表面為開口缺陷，缺陷信號都較為明顯。

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

圖7 16 mm鋁板焊縫上表面開口缺陷TOFD信號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

對20 mm厚的鋼板層間裂紋和氣孔進行試驗。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顯示Fig.9 blowhole defects signal of welds on 20 mm steel sheet

4 結 論

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

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

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

(3)TOFD超聲檢測法檢驗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備監造方面的工作；

包樂慶(1961)男，碩士研究生，高級工程師，主要從事特高壓主設備監造方面的工作；

王國俊(1976)，男，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向為焊接，材料加工與無損檢測。