GIS斷路器罐體異種鋼焊接的超聲波檢測研究

王曉生　孫明道　劉曉鋒

摘 要：GIS斷路器罐體采用奧氏體不銹鋼與碳鋼異種金屬焊接制造。斷路器罐體異種鋼焊接結構給超聲波檢測帶來了很大難度。本文通過選用窄脈沖縱波斜探頭、自制對比試塊、建立DAC曲線等步驟，并選擇合理的超聲波檢測工藝，從而有效檢測罐體對接焊縫中未熔合、未焊透等嚴重缺陷。

關鍵詞：超聲波檢測；奧氏體不銹鋼；窄脈沖縱波單斜探頭；對比試塊

中圖分類號：TG115.28 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2017）06-0092-04

Ultrasonic Inspection of Dissimilar Steel Welding of GIS Breaker Tank

Wang Xiaosheng Sun Mingdao Liu Xiaofeng

（Henan Lever High Voltage Switch Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467013）

Abstract： The dissimilar welding structure of GIS circuit breaker is made of austenitic stainless and carbon steel. It had difficulty in the ultrasonic inspection of circuit breaker tank with dissimilar steel welding structure. In this paper，the method of the narrow pulse longitudinal wave probe， homemade reference block and the establishment of DAC curve was used. Finally， we develop a reasonable ultrasonic testing process. By the method， the serious defect of incomplete fusion and lack of penetration was solved.

Keywords： narrow pulse longitudinal wave angle probe；austenitic stain steel；ultrasonic testing；reference block

氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）主要包括斷路器、隔離開關、接地開關、避雷器等設備，內部結構復雜。由于運行電壓較高，罐體內通常充SF6絕緣氣體，罐體通常由金屬材料焊接而成。為了保證產品質量，防止因焊接不良導致漏氣，需要對焊接罐體進行相應無損檢測。超聲波無損檢測具有靈敏度高、穿透能力強、檢驗速度快、能檢出微小且不連續的缺陷、設備便攜、易操作、對檢驗人員無傷害等優點。超聲波在鋼材內部穿透能力很強，可檢測較厚鋼板的焊縫；對于平面狀缺陷，盡管有的缺陷很深，只要超聲波直射至缺陷面，均能得到很高的缺陷波，因而超聲波對壓力容器焊縫探傷未焊透和裂紋等危險性缺陷檢測靈敏度較高。因此，超聲波檢測技術在GIS焊接殼體焊接質量檢驗中得到了廣泛應用 [1]。

1 GIS斷路器罐體焊接工藝

現階段，GIS斷路器罐體主要由碳鋼（16Mn或Q235A）與奧氏體不銹鋼（SUS304）焊接而成，焊接方法使用SAW焊（埋弧自動焊）、GMAW（二氧化碳氣體保護焊）或者SAW焊+GMAW焊。例如，550kV斷路器低溫用罐體，采用16Mn對SUS304板卷板后對接焊接，主筒體縱縫為A類焊接接頭，環縫對接為B類焊接接頭。其中，縱縫采用SAW焊接方法，環縫采用GMAW焊接方法，焊接坡口形式如圖1所示。

A類焊接接頭采用SAW焊接，預開V型坡口，先用SAW焊接方法依次焊接外壁坡口的正1、正2道焊縫，在內壁坡口根部作清根處理，去除可能的焊縫根部缺陷，并確保隨后焊透整個焊縫坡口，然后再采用SAW焊接方法依次焊接內壁坡口的反1、反2道焊縫。B類焊接接頭采用GMAW二氧化碳氣體保護焊焊接，預開V型坡口，先用GMAW焊接外壁坡口的正1、正2、正3道焊縫，在內壁坡口根部作清根處理，去除可能的焊縫根部缺陷，并確保隨后焊透整個焊縫坡口，然后再采用GMAW焊接方法依次焊接內壁坡口的反1、反2道焊縫。

受焊接工藝和操作人員的影響，在焊接過程中容易出現氣孔（單個氣孔和密集氣孔）和點狀夾渣、咬邊、裂紋、未焊透、未熔合等缺陷。在V形坡口和X形內坡口清根工藝中，如果清根不徹底，將會產出未焊透現象。針對GIS罐體焊縫質量問題，制造廠以射線檢測為主，但射線檢測對缺陷的方向性敏感度強，容易漏檢坡口未熔合、未焊透等缺陷，通常要求制造廠進行X射線探傷后，再進行超聲波探傷，進一步保證焊接質量。

2 斷路器罐體異種鋼焊接超聲波檢測的難點

GIS斷路器罐體異種鋼焊接超聲波檢測時，存在有以下幾方面的難點。

①斷路器罐體板厚一般為8～10mm，采用常規超聲波探頭探傷時，焊縫一般位于近場區，而進場區的檢測容易導致信號失真，無法探測缺陷的真實性。

②斷路器罐體多為圓弧面，而常規超聲波探頭晶片尺寸大，且為平面，檢測時耦合效果不理想，干擾對缺陷的判斷。

③由于斷路器的使用功能，斷路器采用碳鋼（16Mn或Q235A）與奧氏體不銹鋼（SUS304）焊接結構，奧氏體鋼的導熱性差，焊縫熔池中金屬的冷卻速度慢，在凝固過程中沒有相變，導致了粗的柱狀晶體的形成。晶粒粗大，晶界面上的散射就會加劇，造成雜波干擾增大，大大降低了超聲波的穿透性。因此，奧氏體不銹鋼超聲波探傷時，隨著超聲波衰減的增大，就得不到充分的信噪比[2]。

④奧氏體不銹鋼的柱狀晶區會使超聲波的傳播路徑發生扭曲變化，改變反射點位置，也會影響基于DAC曲線法測定缺陷尺寸的精度，特別是對缺陷深度的定位會產生一定誤差[3]。

⑤異種鋼焊縫探傷時，由于兩種材質的差異引起的聲速變化，將造成K值改變，從而影響缺陷的定量及定位的參數發生改變。

因此，針對GIS斷路器罐體異種鋼焊接與結構特點，解決異種鋼焊接超聲波探傷中的難點問題，選擇合理的超聲波檢測工藝十分必要。

3 GIS斷路器罐體超聲波檢測工藝

3.1 檢測標準

GIS斷路器罐體中SF6氣體壓力為0.60MPa，依據標準GB150.4-2011，壓力容器規定超聲波檢測的技術等級為B級，其檢測方法采用NB/T47013.3-2015規定中所述，合格指標為Ⅱ級。

3.2 超聲波探傷儀的選擇

選擇的探傷儀應與探頭相匹配，以便獲得最佳靈敏度和信噪比。聲束通過母材和焊接接頭分別測繪的兩條距離-波幅曲線間距一般應小于10dB。掃查靈敏度應使檢測范圍內最大聲程處反射體回波高度達到20%以上，信噪比應達到2∶1。考慮到儀器的水平線性、垂直線性、動態范圍等因素，結合探傷要求的靈敏度，最終確定使用奧林巴斯型號為EPOCH-XT的超聲波探傷儀。

3.3 探頭的選擇

超聲波探傷中的信噪比及衰減規律與波長有著密不可分的關系。奧氏體不銹鋼的晶粒粗大，若使用較短波長探傷，則信噪比低、衰減大，因此，在奧氏體不銹鋼焊縫探傷時，一般選用縱波探傷。此外，根據檢測對象的部位、探傷部位的厚度、坡口的形式，同時考慮晶粒尺寸、波長、信噪比和分辨率等綜合因素，最終確定使用美國GE MWK70小尺寸窄脈沖縱波斜探頭。探頭頻率為4MHz，探頭角度為45°。

3.4 對比試塊的設計和制作

對比試塊的材料與被檢工件材料相同，試塊的中部設置一條對接接頭，該焊接接頭的坡口形式與工件焊接接頭相似，且采用同樣的焊接工藝制成[4]。NB/T 47013.3-2005承壓設備無損檢測給出對比試塊的形狀和尺寸如圖2所示，并且要求試塊加工前應對焊縫作射線檢驗，不應存在裂紋等條狀缺陷及≥φ1mm的點狀缺陷。但是，NB/T 47013.3-2005給出對比試塊在實際應用中存在以下問題：①對比試塊的長度只有100mm，在建立DAC曲線的過程中，實際探頭移動的距離≤50mm，探頭的移動距離非常有限，無法有效檢測人工缺陷孔，給DAC曲線的建立帶來了非常大的困難；②對比試塊中，人工缺陷孔密

布在焊縫及熔合區內，在DAC曲線建立過程中，由于人工缺陷孔的相互干擾，無法準確有效地找到人工缺陷孔的最高波，導致在實際探傷應用時對缺陷的深度無法精準定位。

因此，設計制作一組便于使用的對比試塊，其尺寸與形狀見圖3，自制的對比試塊分為四個獨立的試塊，每個

試塊上面都只加工了一個人工缺陷孔，有效隔離了多孔之間的相互干擾。建立DAC曲線后，在實際探傷應用過程中，能夠精準地確定缺陷的位置。設計制作對比試塊有以下優點：①對比試塊的制作過程中，焊接接頭的坡口形式與GCB斷路器罐體的焊接接頭相似，且采用同樣的焊接工藝制作而成，在實際探傷應用時更準確有效；②自制對比試塊的長度足夠，探頭的移動距離更加寬泛，在DAC曲線建立的過程中可以使用二次波對人工缺陷孔進行檢測，可以有效地針對焊接接頭的上層焊接區域進行檢測，保證缺陷不漏檢，提高超聲波探傷的檢驗靈敏度。

3.5 DAC曲線的制作

焊接接頭探傷時，可利用試塊1、試塊2中焊縫中心的橫空制作距離-波幅曲線確定靈敏度和焊縫質量評定[5]。DAC曲線制作詳細步驟如下。

①將探頭置于試塊1的上表面，移動探頭并調整儀器靈敏度，使深度3mm的φ2橫通孔的最大反射回波高度為滿刻度的80%，并在示波屏面板上作出標記點，確定DAC曲線第一點。

②將探頭置于試塊2的上表面，移動探頭并調整儀器靈敏度，確定深度8mm（T/2）的φ2橫通孔的反射回波的最高點，并在示波屏面板上作出標記點，確定DAC曲線第二點。

③將探頭置于試塊1的下表面，移動探頭并調整儀器靈敏度，確定深度13mm（T-3mm）的φ2橫通孔的反射回波的最高點，并在示波屏面板上作出標記點，確定DAC曲線第三點。

④將探頭置于試塊1的上表面，移動探頭使用二次波進行探查，確定深度19mm（T+3mm）的φ2橫通孔的反射回波的最高點并在示波屏面板上作出標記點，確定DAC曲線第四點。

⑤利用以上四點制作距離-波幅曲線。曲線由參考線RL、定量線SL和評定線EL組成，見圖4。

為比較焊接接頭組織與母材的差異，可使聲束只經過母材區域，利用熔合區的橫孔，即利用試塊3、試塊4來測繪另一條距離-波幅曲線。距離-波幅曲線各曲線的靈敏度見表1。

3.6 檢驗與質量評級

檢驗與質量評級參照標準NB/T47013.3-2015規定，以不低于評定線φ2X40-8dB靈敏度進行掃查，焊縫兩側采用一、二次波檢測。掃查方式有鋸齒形掃查及前后、左右、環繞和轉角掃查等。缺陷的定位、定量和質量評級具體參照NB/T47013.3-2015中Ⅰ級驗收合格要求。

4 結論

根據GIS斷路器殼體的奧氏體不銹鋼與碳鋼的對接焊縫特點，選用高頻率、窄脈沖縱波斜探頭進行有效檢測，并選擇合理的超聲波檢測工藝，從而有效發現罐體的奧氏體不銹鋼與碳鋼的對接焊縫中未熔合、未焊透等嚴重缺陷。同時，對超聲波探傷人員進行關于GIS斷路器罐體異種鋼焊接超聲波檢測工藝方法的培訓，保證對超聲波檢測中可能出現的問題做出正確的分析、判斷和處理。

參考文獻：

[1]羅宏建，周重回，夏強峰.特高壓GIS罐體對接焊縫的超聲波檢測[J].浙江電力，2015（1）：24-26.

[2]萬升云，熊臘生，石勝平.奧氏體不銹鋼與普通碳鋼對接環焊縫的超聲波探傷[J].無損檢測，2003（5）：274-275.

[3]鄭中興.奧氏體不銹鋼焊縫的超聲探傷方法[J].無損探傷，2005（4）：12-16.

[4]薛擁軍，張禮典，高軍.奧氏體不銹鋼對接焊接接頭超聲波檢測對比試塊的制作[J].無損檢測，2011（7）：47-49.

[5]鄒斌，柴軍輝，黃輝，等.承壓設備奧氏體不銹鋼對接焊縫超聲檢測的儀器調校[J].化工裝備技術，2010（4）：44-45.