GIS 殼體角焊縫的相控陣超聲檢測方法

羅宏建，張 浩，鄒君文，徐冬梅

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.中國電力科學研究院有限公司，北京 100055）

0 引言

GIS（氣體絕緣全封閉組合電器）由于具有結構緊湊、占地面積小、可靠性高、配置靈活等優(yōu)點逐步成為開關設備的主流設備[1-4]。GIS 殼體由金屬板材焊接而成，焊接過程中，容易出現(xiàn)氣孔、未焊透、未熔合、裂紋等缺陷[5-7]。由于GIS服役環(huán)境一般存在較大溫差，容易造成這些遺留缺陷的擴展，從而導致GIS 殼體氣體泄漏[8]。針對GIS 殼體對接焊縫的質量檢測，國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)了多種行之有效的檢測手段[9-12]。然而由于結構原因，目前只能采用滲透檢測對GIS 殼體角焊縫質量進行評估。因為滲透檢測只能檢測角焊縫的表面開口缺陷，無法檢測內(nèi)部缺陷，而且GIS 安裝完畢后不能從殼體內(nèi)部對角焊縫實施檢測，因此目前GIS 角焊縫的質量檢測存在很大局限性，造成GIS 殼體角焊縫泄漏頻發(fā)。例如2019 年12月，浙江某220 kV 變電站就曾發(fā)生A 相斷路器氣室直筒法蘭焊接處漏氣，如圖1 所示。

本文介紹了一種基于相控陣超聲波檢測的GIS 殼體與法蘭端面角焊縫的無損評估方法，實現(xiàn)角焊縫內(nèi)外部缺陷檢測，從而把控角焊縫質量，保障GIS 設備安全運行。

1 超聲相控陣檢測原理

圖1 GIS 殼體角焊縫針孔泄漏

超聲波相控陣技術來源于相控陣雷達，初期主要應用于醫(yī)療領域，20 世紀80 年代初期被引入到工業(yè)檢測領域。超聲相控陣換能器基于惠更斯原理設計，由多個相互獨立的壓電晶片組成線性或圓形等陣列，按照一定的規(guī)則和時序通過電子控制延遲激發(fā)各個晶片，每個晶片發(fā)射的超聲波疊加形成一個整體波陣面，通過不同的延遲法則，實現(xiàn)超聲波角度、聚焦深度和焦點尺寸的控制，如圖2 所示[13]。與傳統(tǒng)超聲波檢測相比，超聲相控陣檢測具有檢測速度快、靈敏度高、靈活性好、檢測結果直觀等優(yōu)點[14-16]，特別適合類似GIS殼體角焊縫的復雜幾何形狀工件的檢測。

圖2 超聲相控陣換能器發(fā)射原理

2 GIS 殼體角焊縫的CIVA 仿真研究

2.1 聲束覆蓋仿真

CIVA 軟件是一款專業(yè)應用于無損檢測的仿真軟件，可用于超聲、X 射線、渦流3 種無損檢測方法的仿真。本文利用CIVA 軟件中的超聲仿真模塊對角焊縫檢測進行仿真，整個過程主要由兩部分組成： 一是對聲束覆蓋進行仿真，主要是為了選用合適的晶片及聲束角度，使聲束覆蓋整個焊縫，并驗證現(xiàn)有探頭和楔塊是否能夠滿足檢測要求；二是在角焊縫的不同區(qū)域添加缺陷，驗證聲束覆蓋有效性和對典型缺陷的檢測效果。

如圖3 所示，典型GIS 殼體角焊縫由筒體與端部法蘭焊接而成，分為外焊縫和內(nèi)焊縫，外焊縫及內(nèi)焊縫中間存在未焊透結構。按照此GIS 殼體角焊縫試件建立CIVA 仿真模型，如圖4 所示。數(shù)值仿真中，檢測參數(shù)設置如下： 探頭中心頻率為5 MHz，晶片數(shù)量為64 個，晶片寬度為10 mm，晶片間距為0.6 mm，楔塊角度55°，高度為43 mm。設置2 組扇掃對角焊縫進行檢測，使用晶片及所用角度范圍如表1 所示。從圖4 可以看出，仿真產(chǎn)生的第1 組聲束（直射波）覆蓋了內(nèi)焊縫區(qū)域，第2 組聲束（一次反射波）覆蓋了外焊縫區(qū)域，可見2 組聲束的組合能實現(xiàn)GIS 殼體角焊縫的全覆蓋檢測。

圖3 角焊縫結構示意

圖4 聲束覆蓋示意

表1 探頭參數(shù)設置

2.2 缺陷檢測仿真

在角焊縫模型中添加缺陷進行模擬檢測仿真，驗證檢測效果。添加的模擬缺陷包括2 個固有缺陷和9 個典型缺陷。固有缺陷是GIS 殼角焊縫中允許存在的未焊透缺陷（位置如圖3 所示）。典型缺陷設置見表2，缺陷位置見圖5 所示（圖中小方塊僅標示位置，不表示實際形狀）。

表2 缺陷詳細參數(shù)

圖5 典型缺陷示意

對角焊縫進行相控陣超聲檢測的數(shù)值仿真，1號、3號、7號和8號缺陷的成像圖分別如圖6—圖9所示。從相控陣超聲成像圖中可以發(fā)現(xiàn)明顯的高強度聲反射區(qū)域，圖6、圖7 中的反射區(qū)域位置與內(nèi)焊縫的1 號缺陷、3 號缺陷吻合，圖8、圖9 的反射區(qū)域經(jīng)過一次反射折算也能與外焊縫的7 號缺陷、8 號缺陷吻合，可見不論對于內(nèi)焊縫的缺陷，還是外焊縫的缺陷，在當前檢測參數(shù)下均能有效檢出。模擬缺陷回波強度見表3，表中數(shù)值表示相應角度波束檢測到1—9 號缺陷時的發(fā)射相對能量，數(shù)值越大代表發(fā)射能量越強。由模擬計算結果可知，2 組聲束設置互補，能夠實現(xiàn)內(nèi)外焊縫所有缺陷的有效檢出；所有筒體內(nèi)側焊縫的缺陷，第1 組及第2 組聲束均能檢測到，而且第1 組直射波的靈敏度相對較高；而對于外焊縫的8 號、9 號缺陷只有1 組聲束能檢出，表明外焊縫的缺陷容易漏檢。

圖6 1 號模擬缺陷示意

圖7 3 號模擬缺陷示意

圖8 7 號模擬缺陷示意

圖9 8 號模擬缺陷示意

表3 缺陷回波強度當量（dB 不考慮衰減）

3 GIS 角焊縫檢測的試驗研究

對GIS 角焊縫試件進行相控陣超聲檢測試驗。檢測系統(tǒng)由檢驗儀器、編碼器及相控陣探頭組成，如圖10 所示。待檢試件如圖11 所示，GIS筒體規(guī)格Φ557 mm×8 mm，在筒體法蘭角焊縫內(nèi)側及外側加工6 個人工缺陷，設置如表4 所示。

圖10 檢測系統(tǒng)

對檢測系統(tǒng)進行校準，包括楔塊延時校準、角度校準、靈敏度校準。首先利用CSK-IA 試塊的R100 弧面校正探頭的電子觸發(fā)時刻與聲束進入被測工件瞬間之間的延遲，即楔塊延時校準。然后進行扇掃描角度校準，利用CSK-IA 試塊的R100 弧面對不同偏轉角度聲束的回波高度差值進行修正。最后進行靈敏度校準，利用CSK-ⅡA試塊的Ф2 mm×40 mm 橫通孔繪制TCG（距離增益補償）曲線。

圖11 待檢測GIS 殼體

表4 缺陷清單

角焊縫的掃查包括2 組聲束的掃查。探頭楔塊前沿距離端部法蘭10 mm，以TCG 靈敏度，沿罐體環(huán)向使用直射波對角焊縫內(nèi)側區(qū)域進行掃查，得到第1 組聲束數(shù)據(jù)圖，如圖12 所示。探頭往后移動，使其前沿距離端部法蘭35 mm 采用一次反射波對角焊縫外側區(qū)域進行掃查，得到第2 組聲束數(shù)據(jù)圖，如圖13 所示。

圖12 第1 組聲束數(shù)據(jù)

圖13 第2 組聲束數(shù)據(jù)

以圖12 為例，左上圖為A 型脈沖圖，顯示的是60°聲束的檢測情況；右上圖為為扇形掃描圖，顯示的是40°到70°聲束的掃查情況： 下圖顯示的是60°聲束的B 掃描圖，橫坐標為掃查軸，縱坐標為深度軸，顏色表示聲壓強度。從圖12 及圖13 的B 掃描圖依次發(fā)現(xiàn)了1—6 號缺陷，缺陷檢測情況如表5 所示?？梢?，不論內(nèi)焊縫的缺陷還是外焊縫的缺陷，相控陣超聲均能有效檢出，而且還能精確判斷缺陷的當量及位置。

表5 缺陷檢測結果

4 結語

針對GIS 殼體角焊縫結構復雜、質量評估難的問題，本文介紹了一種GIS 角焊縫的相控陣超聲檢測方法。基于CIVA 仿真平臺的模擬計算結果表明，通過2 組參數(shù)設置能夠實現(xiàn)對GIS 殼體角焊縫的聲束全覆蓋。對于添加的固有缺陷和模擬缺陷，2 組扇形掃描能夠相互補充，實現(xiàn)缺陷的100%檢出。試驗結果表明，相控陣超聲檢測可以清晰分辨出缺陷信號及焊縫結構信號，而且還能以圖像的形式直觀顯示檢測結果，實現(xiàn)了GIS角焊縫質量的有效管控。