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(jié)構(gòu)給超聲波檢測(cè)帶來(lái)了很大難度。本文通過(guò)選用窄脈沖縱波斜探頭、自制對(duì)比試塊、建立DAC曲線等步驟，并選擇合理的超聲波檢測(cè)工藝，從而有效檢測(cè)罐體對(duì)接焊縫中未熔合、未焊透等嚴(yán)重缺陷。

關(guān)鍵詞：超聲波檢測(cè)；奧氏體不銹鋼；窄脈沖縱波單斜探頭；對(duì)比試塊

中圖分類號(hào)：TG115.28 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(kāi)關(guān)設(shè)備（GIS）主要包括斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、避雷器等設(shè)備，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜。由于運(yùn)行電壓較高，罐體內(nèi)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(chǎn)品質(zhì)量，防止因焊接不良導(dǎo)致漏氣，需要對(duì)焊接罐體進(jìn)行相應(yīng)無(wú)損檢測(cè)。超聲波無(wú)損檢測(cè)具有靈敏度高、穿透能力強(qiáng)、檢驗(yàn)速度快、能檢出微小且不連續(xù)的缺陷、設(shè)備便攜、易操作、對(duì)檢驗(yàn)人員無(wú)傷害等優(yōu)點(diǎn)。超聲波在鋼材內(nèi)部穿透能力很強(qiáng)，可檢測(cè)較厚鋼板的焊縫；對(duì)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(duì)壓力容器焊縫探傷未焊透和裂紋等危險(xiǎn)性缺陷檢測(cè)靈敏度較高。因此，超聲波檢測(cè)技術(shù)在GIS焊接殼體焊接質(zhì)量檢驗(yàn)中得到了廣泛應(yīng)用 [1]。

1 GIS斷路器罐體焊接工藝

現(xiàn)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(dòng)焊）、GMAW（二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊）或者SAW焊+GMAW焊。例如，550kV斷路器低溫用罐體，采用16Mn對(duì)SUS304板卷板后對(duì)接焊接，主筒體縱縫為A類焊接接頭，環(huán)縫對(duì)接為B類焊接接頭。其中，縱縫采用SAW焊接方法，環(huán)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(yù)開(kāi)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(nèi)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(gè)焊縫坡口，然后再采用SAW焊接方法依次焊接內(nèi)壁坡口的反1、反2道焊縫。B類焊接接頭采用GMAW二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊接，預(yù)開(kāi)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(nèi)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(gè)焊縫坡口，然后再采用GMAW焊接方法依次焊接內(nèi)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(guò)程中容易出現(xiàn)氣孔（單個(gè)氣孔和密集氣孔）和點(diǎn)狀?yuàn)A渣、咬邊、裂紋、未焊透、未熔合等缺陷。在V形坡口和X形內(nèi)坡口清根工藝中，如果清根不徹底，將會(huì)產(chǎn)出未焊透現(xiàn)象。針對(duì)GIS罐體焊縫質(zhì)量問(wèn)題，制造廠以射線檢測(cè)為主，但射線檢測(cè)對(duì)缺陷的方向性敏感度強(qiáng)，容易漏檢坡口未熔合、未焊透等缺陷，通常要求制造廠進(jìn)行X射線探傷后，再進(jìn)行超聲波探傷，進(jìn)一步保證焊接質(zhì)量。

2 斷路器罐體異種鋼焊接超聲波檢測(cè)的難點(diǎn)

GIS斷路器罐體異種鋼焊接超聲波檢測(cè)時(shí)，存在有以下幾方面的難點(diǎn)。

①斷路器罐體板厚一般為8～10mm，采用常規(guī)超聲波探頭探傷時(shí)，焊縫一般位于近場(chǎng)區(qū)，而進(jìn)場(chǎng)區(qū)的檢測(cè)容易導(dǎo)致信號(hào)失真，無(wú)法探測(cè)缺陷的真實(shí)性。

②斷路器罐體多為圓弧面，而常規(guī)超聲波探頭晶片尺寸大，且為平面，檢測(cè)時(shí)耦合效果不理想，干擾對(duì)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(jié)構(gòu)，奧氏體鋼的導(dǎo)熱性差，焊縫熔池中金屬的冷卻速度慢，在凝固過(guò)程中沒(méi)有相變，導(dǎo)致了粗的柱狀晶體的形成。晶粒粗大，晶界面上的散射就會(huì)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(shí)，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(qū)會(huì)使超聲波的傳播路徑發(fā)生扭曲變化，改變反射點(diǎn)位置，也會(huì)影響基于DAC曲線法測(cè)定缺陷尺寸的精度，特別是對(duì)缺陷深度的定位會(huì)產(chǎn)生一定誤差[3]。

⑤異種鋼焊縫探傷時(shí)，由于兩種材質(zhì)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(shù)發(fā)生改變。

因此，針對(duì)GIS斷路器罐體異種鋼焊接與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，解決異種鋼焊接超聲波探傷中的難點(diǎn)問(wèn)題，選擇合理的超聲波檢測(cè)工藝十分必要。

3 GIS斷路器罐體超聲波檢測(cè)工藝

3.1 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

GIS斷路器罐體中SF6氣體壓力為0.60MPa，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB150.4-2011，壓力容器規(guī)定超聲波檢測(cè)的技術(shù)等級(jí)為B級(jí)，其檢測(cè)方法采用NB/T47013.3-2015規(guī)定中所述，合格指標(biāo)為Ⅱ級(jí)。

3.2 超聲波探傷儀的選擇

選擇的探傷儀應(yīng)與探頭相匹配，以便獲得最佳靈敏度和信噪比。聲束通過(guò)母材和焊接接頭分別測(cè)繪的兩條距離-波幅曲線間距一般應(yīng)小于10dB。掃查靈敏度應(yīng)使檢測(cè)范圍內(nèi)最大聲程處反射體回波高度達(dá)到20%以上，信噪比應(yīng)達(dá)到2∶1?？紤]到儀器的水平線性、垂直線性、動(dòng)態(tài)范圍等因素，結(jié)合探傷要求的靈敏度，最終確定使用奧林巴斯型號(hào)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(guī)律與波長(zhǎng)有著密不可分的關(guān)系。奧氏體不銹鋼的晶粒粗大，若使用較短波長(zhǎng)探傷，則信噪比低、衰減大，因此，在奧氏體不銹鋼焊縫探傷時(shí)，一般選用縱波探傷。此外，根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的部位、探傷部位的厚度、坡口的形式，同時(shí)考慮晶粒尺寸、波長(zhǎng)、信噪比和分辨率等綜合因素，最終確定使用美國(guó)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(duì)比試塊的設(shè)計(jì)和制作

對(duì)比試塊的材料與被檢工件材料相同，試塊的中部設(shè)置一條對(duì)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(shè)備無(wú)損檢測(cè)給出對(duì)比試塊的形狀和尺寸如圖2所示，并且要求試塊加工前應(yīng)對(duì)焊縫作射線檢驗(yàn)，不應(yīng)存在裂紋等條狀缺陷及≥φ1mm的點(diǎn)狀缺陷。但是，NB/T 47013.3-2005給出對(duì)比試塊在實(shí)際應(yīng)用中存在以下問(wèn)題：①對(duì)比試塊的長(zhǎng)度只有100mm，在建立DAC曲線的過(guò)程中，實(shí)際探頭移動(dòng)的距離≤50mm，探頭的移動(dòng)距離非常有限，無(wú)法有效檢測(cè)人工缺陷孔，給DAC曲線的建立帶來(lái)了非常大的困難；②對(duì)比試塊中，人工缺陷孔密

布在焊縫及熔合區(qū)內(nèi)，在DAC曲線建立過(guò)程中，由于人工缺陷孔的相互干擾，無(wú)法準(zhǔn)確有效地找到人工缺陷孔的最高波，導(dǎo)致在實(shí)際探傷應(yīng)用時(shí)對(duì)缺陷的深度無(wú)法精準(zhǔn)定位。

因此，設(shè)計(jì)制作一組便于使用的對(duì)比試塊，其尺寸與形狀見(jiàn)圖3，自制的對(duì)比試塊分為四個(gè)獨(dú)立的試塊，每個(gè)

試塊上面都只加工了一個(gè)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(shí)際探傷應(yīng)用過(guò)程中，能夠精準(zhǔn)地確定缺陷的位置。設(shè)計(jì)制作對(duì)比試塊有以下優(yōu)點(diǎn)：①對(duì)比試塊的制作過(guò)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(shí)際探傷應(yīng)用時(shí)更準(zhǔn)確有效；②自制對(duì)比試塊的長(zhǎng)度足夠，探頭的移動(dòng)距離更加寬泛，在DAC曲線建立的過(guò)程中可以使用二次波對(duì)人工缺陷孔進(jìn)行檢測(cè)，可以有效地針對(duì)焊接接頭的上層焊接區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，保證缺陷不漏檢，提高超聲波探傷的檢驗(yàn)靈敏度。

3.5 DAC曲線的制作

焊接接頭探傷時(shí)，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(zhì)量評(píng)定[5]。DAC曲線制作詳細(xì)步驟如下。

①將探頭置于試塊1的上表面，移動(dòng)探頭并調(diào)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(biāo)記點(diǎn)，確定DAC曲線第一點(diǎn)。

②將探頭置于試塊2的上表面，移動(dòng)探頭并調(diào)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(diǎn)，并在示波屏面板上作出標(biāo)記點(diǎn)，確定DAC曲線第二點(diǎn)。

③將探頭置于試塊1的下表面，移動(dòng)探頭并調(diào)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(diǎn)，并在示波屏面板上作出標(biāo)記點(diǎn)，確定DAC曲線第三點(diǎn)。

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

⑤利用以上四點(diǎn)制作距離-波幅曲線。曲線由參考線RL、定量線SL和評(píng)定線EL組成，見(jiàn)圖4。

為比較焊接接頭組織與母材的差異，可使聲束只經(jīng)過(guò)母材區(qū)域，利用熔合區(qū)的橫孔，即利用試塊3、試塊4來(lái)測(cè)繪另一條距離-波幅曲線。距離-波幅曲線各曲線的靈敏度見(jiàn)表1。

3.6 檢驗(yàn)與質(zhì)量評(píng)級(jí)

檢驗(yàn)與質(zhì)量評(píng)級(jí)參照標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013.3-2015規(guī)定，以不低于評(píng)定線φ2X40-8dB靈敏度進(jìn)行掃查，焊縫兩側(cè)采用一、二次波檢測(cè)。掃查方式有鋸齒形掃查及前后、左右、環(huán)繞和轉(zhuǎn)角掃查等。缺陷的定位、定量和質(zhì)量評(píng)級(jí)具體參照NB/T47013.3-2015中Ⅰ級(jí)驗(yàn)收合格要求。

4 結(jié)論

根據(jù)GIS斷路器殼體的奧氏體不銹鋼與碳鋼的對(duì)接焊縫特點(diǎn)，選用高頻率、窄脈沖縱波斜探頭進(jìn)行有效檢測(cè)，并選擇合理的超聲波檢測(cè)工藝，從而有效發(fā)現(xiàn)罐體的奧氏體不銹鋼與碳鋼的對(duì)接焊縫中未熔合、未焊透等嚴(yán)重缺陷。同時(shí)，對(duì)超聲波探傷人員進(jìn)行關(guān)于GIS斷路器罐體異種鋼焊接超聲波檢測(cè)工藝方法的培訓(xùn)，保證對(duì)超聲波檢測(cè)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題做出正確的分析、判斷和處理。

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