GIS断路器罐体异种钢焊接的超声波检测研究

王晓生　孙明道　刘晓锋

摘 要：GIS断路器罐体采用奥氏体不锈钢与碳钢异种金属焊接制造。断路器罐体异种钢焊接结构给超声波检测带来了很大难度。本文通过选用窄脉冲纵波斜探头、自制对比试块、建立DAC曲线等步骤，并选择合理的超声波检测工艺，从而有效检测罐体对接焊缝中未熔合、未焊透等严重缺陷。

关键词：超声波检测；奥氏体不锈钢；窄脉冲纵波单斜探头；对比试块

中图分类号：TG115.28 文献标识码：A 文章编号：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

气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）主要包括断路器、隔离开关、接地开关、避雷器等设备，内部结构复杂。由于运行电压较高，罐体内通常充SF6绝缘气体，罐体通常由金属材料焊接而成。为了保证产品质量，防止因焊接不良导致漏气，需要对焊接罐体进行相应无损检测。超声波无损检测具有灵敏度高、穿透能力强、检验速度快、能检出微小且不连续的缺陷、设备便携、易操作、对检验人员无伤害等优点。超声波在钢材内部穿透能力很强，可检测较厚钢板的焊缝；对于平面状缺陷，尽管有的缺陷很深，只要超声波直射至缺陷面，均能得到很高的缺陷波，因而超声波对压力容器焊缝探伤未焊透和裂纹等危险性缺陷检测灵敏度较高。因此，超声波检测技术在GIS焊接壳体焊接质量检验中得到了广泛应用 [1]。

1 GIS断路器罐体焊接工艺

现阶段，GIS断路器罐体主要由碳钢（16Mn或Q235A）与奥氏体不锈钢（SUS304）焊接而成，焊接方法使用SAW焊（埋弧自动焊）、GMAW（二氧化碳气体保护焊）或者SAW焊+GMAW焊。例如，550kV断路器低温用罐体，采用16Mn对SUS304板卷板后对接焊接，主筒体纵缝为A类焊接接头，环缝对接为B类焊接接头。其中，纵缝采用SAW焊接方法，环缝采用GMAW焊接方法，焊接坡口形式如图1所示。

A类焊接接头采用SAW焊接，预开V型坡口，先用SAW焊接方法依次焊接外壁坡口的正1、正2道焊缝，在内壁坡口根部作清根處理，去除可能的焊缝根部缺陷，并确保随后焊透整个焊缝坡口，然后再采用SAW焊接方法依次焊接内壁坡口的反1、反2道焊缝。B类焊接接头采用GMAW二氧化碳气体保护焊焊接，预开V型坡口，先用GMAW焊接外壁坡口的正1、正2、正3道焊缝，在内壁坡口根部作清根处理，去除可能的焊缝根部缺陷，并确保随后焊透整个焊缝坡口，然后再采用GMAW焊接方法依次焊接内壁坡口的反1、反2道焊缝。

受焊接工艺和操作人员的影响，在焊接过程中容易出现气孔（单个气孔和密集气孔）和点状夹渣、咬边、裂纹、未焊透、未熔合等缺陷。在V形坡口和X形内坡口清根工艺中，如果清根不彻底，将会产出未焊透现象。针对GIS罐体焊缝质量问题，制造厂以射线检测为主，但射线检测对缺陷的方向性敏感度强，容易漏检坡口未熔合、未焊透等缺陷，通常要求制造厂进行X射线探伤后，再进行超声波探伤，进一步保证焊接质量。

2 断路器罐体异种钢焊接超声波检测的难点

GIS断路器罐体异种钢焊接超声波检测时，存在有以下几方面的难点。

①断路器罐体板厚一般为8～10mm，采用常规超声波探头探伤时，焊缝一般位于近场区，而进场区的检测容易导致信号失真，无法探测缺陷的真实性。

②断路器罐体多为圆弧面，而常规超声波探头晶片尺寸大，且为平面，检测时耦合效果不理想，干扰对缺陷的判断。

③由于断路器的使用功能，断路器采用碳钢（16Mn或Q235A）与奥氏体不锈钢（SUS304）焊接结构，奥氏体钢的导热性差，焊缝熔池中金属的冷却速度慢，在凝固过程中没有相变，导致了粗的柱状晶体的形成。晶粒粗大，晶界面上的散射就会加剧，造成杂波干扰增大，大大降低了超声波的穿透性。因此，奥氏体不锈钢超声波探伤时，随着超声波衰减的增大，就得不到充分的信噪比[2]。

④奥氏体不锈钢的柱状晶区会使超声波的传播路径发生扭曲变化，改变反射点位置，也会影响基于DAC曲线法测定缺陷尺寸的精度，特别是对缺陷深度的定位会产生一定误差[3]。

⑤异种钢焊缝探伤时，由于两种材质的差异引起的声速变化，将造成K值改变，从而影响缺陷的定量及定位的参数发生改变。

因此，针对GIS断路器罐体异种钢焊接与结构特点，解决异种钢焊接超声波探伤中的难点问题，选择合理的超声波检测工艺十分必要。

3 GIS断路器罐体超声波检测工艺

3.1 检测标准

GIS断路器罐体中SF6气体压力为0.60MPa，依据标准GB150.4-2011，压力容器规定超声波检测的技术等级为B级，其检测方法采用NB/T47013.3-2015规定中所述，合格指标为Ⅱ级。

3.2 超声波探伤仪的选择

选择的探伤仪应与探头相匹配，以便获得最佳灵敏度和信噪比。声束通过母材和焊接接头分别测绘的两条距离-波幅曲线间距一般应小于10dB。扫查灵敏度应使检测范围内最大声程处反射体回波高度达到20%以上，信噪比应达到2∶1。考虑到仪器的水平线性、垂直线性、动态范围等因素，结合探伤要求的灵敏度，最终确定使用奥林巴斯型号为EPOCH-XT的超声波探伤仪。

3.3 探头的选择

超声波探伤中的信噪比及衰减规律与波长有着密不可分的关系。奥氏体不锈钢的晶粒粗大，若使用较短波长探伤，则信噪比低、衰减大，因此，在奥氏体不锈钢焊缝探伤时，一般选用纵波探伤。此外，根据检测对象的部位、探伤部位的厚度、坡口的形式，同时考虑晶粒尺寸、波长、信噪比和分辨率等综合因素，最终确定使用美国GE MWK70小尺寸窄脉冲纵波斜探头。探头频率为4MHz，探头角度为45°。

3.4 对比试块的设计和制作

对比试块的材料与被检工件材料相同，试块的中部设置一条对接接头，该焊接接头的坡口形式与工件焊接接头相似，且采用同样的焊接工艺制成[4]。NB/T 47013.3-2005承压设备无损检测给出对比试块的形狀和尺寸如图2所示，并且要求试块加工前应对焊缝作射线检验，不应存在裂纹等条状缺陷及≥φ1mm的点状缺陷。但是，NB/T 47013.3-2005给出对比试块在实际应用中存在以下问题：①对比试块的长度只有100mm，在建立DAC曲线的过程中，实际探头移动的距离≤50mm，探头的移动距离非常有限，无法有效检测人工缺陷孔，给DAC曲线的建立带来了非常大的困难；②对比试块中，人工缺陷孔密

布在焊缝及熔合区内，在DAC曲线建立过程中，由于人工缺陷孔的相互干扰，无法准确有效地找到人工缺陷孔的最高波，导致在实际探伤应用时对缺陷的深度无法精准定位。

因此，设计制作一组便于使用的对比试块，其尺寸与形状见图3，自制的对比试块分为四个独立的试块，每个

试块上面都只加工了一个人工缺陷孔，有效隔离了多孔之间的相互干扰。建立DAC曲线后，在实际探伤应用过程中，能够精准地确定缺陷的位置。设计制作对比试块有以下优点：①对比试块的制作过程中，焊接接头的坡口形式与GCB断路器罐体的焊接接头相似，且采用同样的焊接工艺制作而成，在实际探伤应用时更准确有效；②自制对比试块的长度足够，探头的移动距离更加宽泛，在DAC曲线建立的过程中可以使用二次波对人工缺陷孔进行检测，可以有效地针对焊接接头的上层焊接区域进行检测，保证缺陷不漏检，提高超声波探伤的检验灵敏度。

3.5 DAC曲线的制作

焊接接头探伤时，可利用试块1、试块2中焊缝中心的横空制作距离-波幅曲线确定灵敏度和焊缝质量评定[5]。DAC曲线制作详细步骤如下。

①将探头置于试块1的上表面，移动探头并调整仪器灵敏度，使深度3mm的φ2横通孔的最大反射回波高度为满刻度的80%，并在示波屏面板上作出标记点，确定DAC曲线第一点。

②将探头置于试块2的上表面，移动探头并调整仪器灵敏度，确定深度8mm（T/2）的φ2横通孔的反射回波的最高点，并在示波屏面板上作出标记点，确定DAC曲线第二点。

③将探头置于试块1的下表面，移动探头并调整仪器灵敏度，确定深度13mm（T-3mm）的φ2横通孔的反射回波的最高点，并在示波屏面板上作出标记点，确定DAC曲线第三点。

④将探头置于试块1的上表面，移动探头使用二次波进行探查，确定深度19mm（T+3mm）的φ2横通孔的反射回波的最高点并在示波屏面板上作出标记点，确定DAC曲线第四点。

⑤利用以上四点制作距离-波幅曲线。曲线由参考线RL、定量线SL和评定线EL组成，见图4。

为比较焊接接头组织与母材的差异，可使声束只经过母材区域，利用熔合区的横孔，即利用试块3、试块4来测绘另一条距离-波幅曲线。距离-波幅曲线各曲线的灵敏度见表1。

3.6 检验与质量评级

检验与质量评级参照标准NB/T47013.3-2015规定，以不低于评定线φ2X40-8dB灵敏度进行扫查，焊缝两侧采用一、二次波检测。扫查方式有锯齿形扫查及前后、左右、环绕和转角扫查等。缺陷的定位、定量和质量评级具体参照NB/T47013.3-2015中Ⅰ级验收合格要求。

4 结论

根据GIS断路器壳体的奥氏体不锈钢与碳钢的对接焊缝特点，选用高频率、窄脉冲纵波斜探头进行有效检测，并选择合理的超声波检测工艺，从而有效发现罐体的奥氏体不锈钢与碳钢的对接焊缝中未熔合、未焊透等严重缺陷。同时，对超声波探伤人员进行关于GIS断路器罐体异种钢焊接超声波检测工艺方法的培训，保证对超声波检测中可能出现的问题做出正确的分析、判断和处理。

参考文献：

[1]罗宏建，周重回，夏强峰.特高压GIS罐体对接焊缝的超声波检测[J].浙江电力，2015（1）：24-26.

[2]万升云，熊腊生，石胜平.奥氏体不锈钢与普通碳钢对接环焊缝的超声波探伤[J].无损检测，2003（5）：274-275.

[3]郑中兴.奥氏体不锈钢焊缝的超声探伤方法[J].无损探伤，2005（4）：12-16.

[4]薛拥军，张礼典，高军.奥氏体不锈钢对接焊接接头超声波检测对比试块的制作[J].无损检测，2011（7）：47-49.

[5]邹斌，柴军辉，黄辉，等.承压设备奥氏体不锈钢对接焊缝超声检测的仪器调校[J].化工装备技术，2010（4）：44-45.