王國(guó)俊，武英利，韓晉鋒

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100055；2.國(guó)網(wǎng)晉城供電公司，山西 晉城 048000）

特高壓鋼管塔對(duì)接環(huán)焊縫超聲波檢測(cè)影響因素分析

王國(guó)俊1，武英利1，韓晉鋒2

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100055；2.國(guó)網(wǎng)晉城供電公司，山西 晉城 048000）

特高壓鋼管塔對(duì)接環(huán)焊縫的超聲波檢測(cè)，依據(jù) GB/T 11345和Q/GDW 707進(jìn)行檢測(cè)。由于鋼管塔構(gòu)件和焊縫的錯(cuò)邊、余高和焊縫寬度等情況，易導(dǎo)致檢測(cè)誤判。對(duì)鋼管塔法蘭-鋼管對(duì)接環(huán)焊縫超聲波檢測(cè)若干影響因素進(jìn)行了分析，提出了識(shí)別和判定方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管塔對(duì)接環(huán)焊縫焊接質(zhì)量的有效控制。

焊接；鋼管塔；法蘭；對(duì)接焊縫；超聲波檢測(cè)

鋼管塔具有結(jié)構(gòu)傳力清晰、用鋼量少、占地面積小、塔型美觀及附加荷載小等優(yōu)點(diǎn)，有利于充分發(fā)揮材料的承載能力[1-2]。皖電東送淮南至上海特高壓交流輸電示范工程全線(xiàn)路采用同塔雙回路架設(shè)，全線(xiàn)路共有鋼管塔1 421基。

工程鋼管塔采用了帶頸法蘭和直縫焊管對(duì)接焊連接新型結(jié)構(gòu)，要求鋼管與法蘭的對(duì)接環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量為一級(jí)[3]，對(duì)接焊縫總長(zhǎng)約327 km。焊縫的質(zhì)量關(guān)系到整塔的安全穩(wěn)定，工程要求制造廠(chǎng)家進(jìn)行100%無(wú)損檢測(cè)。超聲波檢測(cè)具有儀器設(shè)備小、操作靈活、探傷靈敏度高、面積形缺陷檢出率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地控制鋼管塔對(duì)接焊縫的焊接質(zhì)量，所以皖電東送工程選用超聲波方法檢驗(yàn)鋼管與法蘭對(duì)接環(huán)焊縫[3]。

GB/T 11345規(guī)定了壁厚大于8mm的對(duì)接焊縫超聲波檢驗(yàn)方法、質(zhì)量判定標(biāo)準(zhǔn)。Q/GDW 707則規(guī)定了壁厚小于8mm的對(duì)接焊縫超聲波檢驗(yàn)方法、質(zhì)量判定標(biāo)準(zhǔn)。該工程按照上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，常出現(xiàn)檢測(cè)成功率不高的情形，影響了檢測(cè)質(zhì)量與檢測(cè)效率。工程急需根據(jù)超聲波檢測(cè)原理，分析特高壓鋼管塔對(duì)接環(huán)焊縫的特點(diǎn)及其對(duì)超聲波檢測(cè)的影響，提出實(shí)施超聲波檢測(cè)必須關(guān)注的影響因素，進(jìn)行綜合判斷的方法，為應(yīng)用超聲波檢測(cè)判斷焊接接頭中缺陷的形狀及性質(zhì)提供重要參考。

1 對(duì)接環(huán)焊縫超聲檢測(cè)面臨的問(wèn)題

1.1 焊接件形狀及尺寸對(duì)超聲探測(cè)面的限制

鋼管塔采用直縫鋼管與帶頸法蘭連接，環(huán)焊縫法蘭側(cè)頸部受到過(guò)渡錐面的限制，不能放置超聲波探頭,如圖1所示。與帶頸法蘭焊接的直縫鋼管直徑通常在159～965mm，其中相對(duì)大直徑管的焊縫探測(cè)面可選擇在鋼管側(cè)外壁面、內(nèi)壁面及法蘭側(cè)內(nèi)壁面，即大直徑管條件下，可以實(shí)現(xiàn)鋼管側(cè)雙面單側(cè)、法蘭側(cè)單面的超聲波檢測(cè)；小直徑管的焊縫外壁曲率較大，可通過(guò)修磨探頭實(shí)現(xiàn)探測(cè)面與探頭耦合，但內(nèi)壁因接觸不良及難以觀測(cè)等原因不適合超聲檢測(cè)，即小直徑管條件下，只能在鋼管側(cè)單面單側(cè)實(shí)現(xiàn)超聲波檢測(cè)。

圖1 帶頸法蘭檢測(cè)探頭放置示意圖

1.2 鋼管塔直縫鋼管壁厚的影響

利用橫波檢測(cè)時(shí)，如鋼管壁厚4～14mm范圍內(nèi)，超聲波聲束在管壁中聲程較短，易受聲壓近場(chǎng)區(qū)聲波干涉的影響，造成回波時(shí)大時(shí)小，無(wú)法對(duì)缺陷進(jìn)行定性定量，易產(chǎn)生誤判或漏判。同時(shí)，由于直縫鋼管管壁薄，超聲波聲束進(jìn)入工件遇到焊縫內(nèi)相鄰的缺陷時(shí)，造成缺陷回波聲程差別很小，導(dǎo)致相鄰缺陷回波不易被區(qū)分[4-6]，影響超聲檢測(cè)分辨力。

1.3 焊縫寬度過(guò)大導(dǎo)致掃查范圍減小

帶頸法蘭與直縫鋼管焊接過(guò)程中，各鋼管塔生產(chǎn)廠(chǎng)家主要采用了三種工藝方法：一種是手工氣體保護(hù)焊打底和蓋面（開(kāi)V形坡口，針對(duì)厚度小于8mm的鋼管）；一種是手工氣體保護(hù)焊打底和自動(dòng)埋弧焊蓋面（開(kāi)V形坡口，針對(duì)厚度大于8mm的鋼管）；少量生產(chǎn)廠(chǎng)家采用全埋弧自動(dòng)焊（不開(kāi)坡口，兩面焊，針對(duì)厚度大于8mm的鋼管）。由于生產(chǎn)廠(chǎng)家所選用的焊接規(guī)范相對(duì)較大，造成了焊接接頭余高寬度方向尺寸過(guò)大，壁厚4mm鋼管焊縫表面寬度在10 mm左右，壁厚14mm鋼管焊縫表面寬度有可能達(dá)到28mm。采用常規(guī)探頭難以?huà)卟楹缚p中上部區(qū)域。

1.4 焊縫余高大可能導(dǎo)致信號(hào)混淆

根據(jù)《特高壓鋼管塔加工技術(shù)規(guī)定》的要求，焊縫余高應(yīng)當(dāng)不大于3mm，但是由于生產(chǎn)廠(chǎng)家焊接人員的技術(shù)水平以及工藝規(guī)范大的緣故，造成焊縫余高相對(duì)較大，一般都超出技術(shù)規(guī)定的上限范圍。超聲波檢測(cè)時(shí)，由于余高的存在，超聲波聲束入射到余高上時(shí)會(huì)產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成發(fā)射橫波S′和反射縱波L′,也稱(chēng)為變形橫波和變形縱波[7-8]，如圖2所示， 沿余高表面從A～C之間的點(diǎn)，聲波的入射角各不相同，因此各點(diǎn)反射橫波和反射縱波的傳播方向也不同。反射橫波和反射縱波傳到上表面，又在上表面余高上反射，部分沿原路徑返回被探頭接收。在這種情況下可能與存在的缺陷的二次回波非常相似，造成誤檢或漏檢。

圖2 焊縫余高產(chǎn)生的干擾波示意圖

1.5 焊接接頭錯(cuò)邊可能導(dǎo)致誤判

考慮到現(xiàn)實(shí)存在直縫鋼管管口的不規(guī)則情況，帶頸法蘭的頸部厚度一般都比直縫鋼管的厚度大1～2mm。由于鋼管的橢圓度、垂直度存在一定的偏差，造成在對(duì)接過(guò)程中，必然出現(xiàn)焊接接頭錯(cuò)邊現(xiàn)象，如圖3所示。如果按照法蘭頸部厚度為基準(zhǔn)厚度進(jìn)行檢測(cè)，按照理想的焊接接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和評(píng)判，A點(diǎn)會(huì)誤判為焊縫一次波掃查的內(nèi)部缺陷。

圖3 焊接接頭錯(cuò)邊導(dǎo)致誤判示意圖

1.6 反射波誤識(shí)別導(dǎo)致漏判

超聲波檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)階段主要使用A型掃描，波形較為復(fù)雜，與掃查速度、方向有關(guān)[9-10]。缺陷的大小取決于波的當(dāng)量值，缺陷的性質(zhì)取決于波形。當(dāng)量值小的缺陷有可能是危害性缺陷，如坡口未熔合，短小裂紋，檢測(cè)過(guò)程中一定要對(duì)出現(xiàn)的波形進(jìn)行分析。

2 提高焊縫缺陷檢出率的措施

2.1 根據(jù)焊接件形狀及尺寸確定超聲探測(cè)面

鋼管塔超聲波檢測(cè)過(guò)程中，由于法蘭側(cè)不能放置探頭，所以應(yīng)注意焊接件形狀及尺寸。對(duì)于壁厚大于8mm的鋼管，當(dāng)直徑為273～356mm時(shí)，應(yīng)采用單面單側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)直徑大于356mm時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用雙面單側(cè)進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于壁厚小于8mm的鋼管，應(yīng)采用單面單側(cè)進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 不同厚度采用不同方法進(jìn)行檢測(cè)

當(dāng)壁厚小于8mm時(shí)，應(yīng)采用爬波檢測(cè)，可以選用并列式或串列式雙晶爬波探頭，但選擇并列式探頭時(shí)，由于探頭尺寸過(guò)大，為保證探頭與鋼管表面充分耦合，探頭楔塊應(yīng)修磨加工成與被測(cè)管外壁相吻合的曲面。

當(dāng)壁厚大于等于8mm時(shí)，應(yīng)采用橫波檢測(cè)，盡量采用入射角度較大的探頭，使得一次發(fā)射波能夠進(jìn)入焊縫。

當(dāng)懷疑焊縫中存在缺陷或?qū)τ诒诤裥∮?mm的焊縫進(jìn)行缺陷定位時(shí)，可以使用小徑管探頭或不同入射角度探頭進(jìn)行復(fù)檢。

2.3 按不同焊縫寬度采用小前沿探頭進(jìn)行檢測(cè)

由于鋼管塔焊縫表面寬度較大，為增大一次波的檢測(cè)范圍，克服二次波檢測(cè)靈敏度較低的問(wèn)題，使一次波的掃描范圍在焊縫中心線(xiàn)深度1/4以上，應(yīng)選用短前沿探頭。盡量選取近場(chǎng)長(zhǎng)度小的探頭，以克服近場(chǎng)的影響，盡量使一次波的掃描范圍在 1.64～3N[3]。

2.4 采用水平定位消除焊縫余高大帶來(lái)的偽信號(hào)

余高反射波深度一般比鋼管壁厚稍大，水平定位在焊縫中心線(xiàn)遠(yuǎn)離探頭一側(cè)。檢測(cè)過(guò)程中通過(guò)單面雙側(cè)可以明顯判定缺陷是否為余高，鋼管塔對(duì)接焊縫法蘭側(cè)外表面為斜臺(tái)不能放置探頭因此不能據(jù)此判斷為余高。但可利用蘸有耦合劑的手拍打焊縫根部反射面或修磨焊縫余高，觀察反射波是否發(fā)生變化判斷是否為余高。爬波檢測(cè)時(shí)也可以通過(guò)這種方法識(shí)別余高波。

2.5 焊接接頭錯(cuò)邊反射波的水平定位

焊接接頭錯(cuò)邊產(chǎn)生的變型回波較多，橫波檢查時(shí)易產(chǎn)生變型反射縱波、變型反射橫波、變形波、“山”形波等，爬波檢測(cè)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生表面縱波、變形波等，檢查過(guò)程中，錯(cuò)邊產(chǎn)生的回波水平定位通常位于焊縫之外，當(dāng)還有異議時(shí)，可以采用變換探頭K值的方法進(jìn)行比對(duì)。

2.6 缺陷波的識(shí)別

不同的缺陷產(chǎn)生不同的反射波。點(diǎn)狀圓形缺陷反射波回波幅度較小，形尖銳、陡峭，稍微轉(zhuǎn)動(dòng)探頭波幅快速降低；密集性缺陷可能在屏幕上形成多個(gè)反射回波，波幅高低不一，但移動(dòng)探頭會(huì)使反射回波此起彼伏；條狀缺陷反射回波在探頭沿長(zhǎng)條方向移動(dòng)時(shí)特征包絡(luò)線(xiàn)有緩慢起伏，垂直移動(dòng)式快速降低，消失很快；面形缺陷反射回波在與缺陷平面垂直方向的兩側(cè)，回波高度迅速降落；未焊透反射回波在探頭沿焊縫平行移動(dòng)時(shí)，其特征包絡(luò)線(xiàn)平穩(wěn)，水平及深度定位在焊縫坡口位置。

3 結(jié)論

（1）鋼管塔對(duì)接焊縫的截面形狀影響超聲波檢驗(yàn)工作的質(zhì)量。采用本文提供的措施，可以消除誤判，從而提高超聲波檢測(cè)的質(zhì)量，進(jìn)而達(dá)到控制焊接質(zhì)量的目的。

（2）綜合考慮鋼管塔焊縫超聲波檢測(cè)的影響因素，掌握焊縫缺陷反射波的特征，可以進(jìn)一步減少漏判，提高缺陷檢出率。

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Influence Factors Analysis on Ultrasonic Testing of Ultra High Voltage(UHV)Steel Pipe Tower Butt Circum ferentialW eld

WANG Guojun1,WU Yingli1,HAN Jinfeng2
（1.China Electric Power Research Institute,Beijing 100055,China;2.Jincheng Power Supply Company,Jingcheng 048000,Shanxi,China)

According to the criteria of GB/T 11345 and Q/GDW 707,ultrasonic testing was applied into butt circum ferential weld of UHV steel tower.Weld offset，reinforcement，weld width of steel towermay lead tomisjudgments of ultrasonic testing.In this paper,aiming to the analysis on the influence factors of steel tower flange and butt circumferential weld on exact implementation of ultrasonic testing,the methods of distinguish and judgment of ultrasonic testing were put forward.It can realize efficient controlling ofwelding quality for steel tower butt circumferentialweld.

welding;steel pipe tower;flange;buttweld;ultrasonic testing

TE973.6

B

1001－3938（2015）11-0044-04

王國(guó)俊（1976—），男，中國(guó)電力科學(xué)研究院高級(jí)工程師，主要從事焊接及無(wú)損檢測(cè)研究。

2015-02-26

羅 剛