GIS端部法兰与筒体角焊缝评估装置及其无损评估方法

摘要

本发明公开了一种气体绝缘封闭组合电器端部法兰与筒体角焊缝评估装置及其无损评估方法。现有的检测方法不能有效解决GIS端部法兰与筒体角焊缝的无损评估问题。本发明的特征在于，所述的超声探头安装在楔块上，超声探头和编码器均与扫查架连接，使超声探头和编码器同步运行，所述的编码器通过数据线与超声波相控阵检测仪连接，所述的超声探头通过数据线与超声波相控阵检测仪相连；所述的超声探头表面涂有耦合剂，通过螺栓与楔块连接。本发明能够实现该结构全截面无损评估，不仅能检测表面缺陷，还能检测出内部缺陷；不仅能检测服役GIS端部法兰与筒体外侧角焊缝，而且还能检测内侧角焊缝，全面评估了该结构的质量。

说明书

技术领域

本发明涉及电力成套装置无损检测领域，具体地说是一种基于超声相控阵的气体绝缘封 闭组合电器端部法兰与筒体角焊缝评估装置及其无损评估方法。

背景技术

气体绝缘封闭组合电器（简称GIS）是由断路器、隔离开关、接地开关、母线等多种高 压电器组合而成的成套装置，这些设备或部件全部封闭在金属罐体内部，并充入一定压力（一 般大于0.3MPa）的SF₆气体作为绝缘和灭弧介质；其中GIS罐体是承压部件，要求SF₆年漏气 率小于1%。

GIS端部法兰与筒体角焊缝是GIS罐体的主要焊缝，GIS端部法兰与筒体角焊缝是如图1 所示的允许未焊透的插接式，该结构由端部法兰1、筒体2、角焊缝外侧3和角焊缝内侧4构 成，筒体端部插入法兰平台，通过焊接形成角焊缝内侧4及角焊缝外侧3，筒体端角保持未 焊透状态。常规GIS罐体材料为铝合金5A02-H112或碳钢Q235，直径400-1000mm，壳体厚度 6-10mm，筒体插入深度通常5mm。生产过程中，焊缝容易产生未熔合、气孔及裂纹等焊接缺 陷。GIS服役期间，由于应力及振动等原因，容易使角焊缝产生裂纹。因此应及时定期的对 该结构体进行无损评估，及时排除隐患，保证系统的稳定运行。

针对GIS端部法兰与筒体角焊缝，国内主要使用渗透检测方法。渗透检测只能检测表面 缺陷，无法检测出内部气孔、未融合、未开裂到表面的裂纹等缺陷。另外对于服役的GIS罐 体，角焊缝内侧4区域无法实施渗透检测。因此，现有的检测方法不能有效解决GIS端部法 兰与筒体角焊缝的无损评估问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有检测方法存在的缺陷，提供一种基于超声相 控阵的GIS端部法兰与筒体角焊缝评估装置，能够实现该结构全截面无损评估，不仅能检测 表面缺陷，还能检测出内部缺陷；不仅能检测服役GIS端部法兰与筒体外侧角焊缝，而且还 能检测内侧角焊缝。

为此，本发明采用的技术方案如下：GIS端部法兰与筒体角焊缝评估装置，包括超声波 相控阵检测仪、超声探头、楔块、编码器、扫查架、CSK-IIA试块、CSK-IA试块和对比试块， 其特征在于，所述的超声探头安装在楔块上，超声探头和编码器均与扫查架连接，使超声探 头和编码器同步运行，所述的编码器通过数据线与超声波相控阵检测仪连接，所述的超声探 头通过数据线与超声波相控阵检测仪相连；所述的超声探头表面涂有耦合剂，通过螺栓与楔 块连接。

本发明评估装置的基本原理为：超声探头距离法兰特定距离，沿GIS罐体表面环向移动， 编码器记录超声探头位置，超声探头按照一定的聚焦法则对角焊缝进行扇形扫描，超声波相 控阵检测仪把扇形扫描数据转换成超声图像，从而实现角焊缝的无损评估。

进一步，所述的扫查架上设有至少一个定位柱，楔块的侧面上设有至少一个定位孔，通 过定位孔与定位柱的配合实现楔块与扫查架的连接，拆装方便。

进一步，所述的定位柱和定位孔各有二个，均呈对称设置，使楔块与扫查架的连接更为 稳定可靠。

进一步，所述的编码器通过位于其前面的销轴与位于扫查架后侧的销孔相连，拆装方便。

进一步，所述的超声波相控阵检测仪为可同时显示两种成像的超声波相控阵检测仪。

进一步，所述的编码器为轮型增量旋转编码器。

进一步，CSK-IIA试块是指JB/T4730.3-2005中规定的加工有Ф2×40mm横通孔的 CSK-IIA试块；所述的CSK-IA试块是指JB/T4730.3-2005中规定的加工有R100及R50圆弧 面的CSK-IA试块；所述的对比试块为与待检工件相同或相近规格的且具有人工缺陷的试块。

进一步，所述的对比试块是指加工有Ф2mm通孔一个、20mm长深2mm焊缝内侧刻槽一处、 20mm长深2mm焊缝外侧刻槽一处、Ф2深5mm焊缝内侧锥孔一个及Ф2深5mm焊缝外侧锥孔 一个的试块。

进一步，所述的超声探头及楔块的参数由无损检测仿真软件CIVA计算及实验得出，对于 常见规格的GIS，超声探头选择10L16-A00，该探头是激发频率10MHz、晶片中心间距0.31mm、 16个晶片的面状探头；楔块选择横波折射角度60°的SA00-N60S。

本发明的另一目的是提供上述GIS端部法兰与筒体角焊缝评估装置的无损评估方法，其 步骤依次为：确定角焊缝规格；利用CIVA仿真软件进行声束覆盖设计；超声波相控阵检测仪 校准；对对比试块进行检测；对待测工件进行直射波环向扫查；对待测工件进行一次反射波 环向扫查；图像数据分析及待测工件质量评定。

所述的确定角焊缝规格，是指查阅相关图纸或实际测量，获取筒体的材质、壁厚及插入 端部法兰的深度、角焊缝焊角高度等。

所述的利用CIVA仿真软件进行声束覆盖设计，是指使用无损检测仿真软件CIVA，对角 焊缝进行建模，对建好的工件模型进行波束仿真，从而选出合适的超声探头和楔块，并确定 聚焦法则，确定直射波及一次反射波时超声探头的特定位置。对于常见规格的GIS，聚焦法 则选用40°至70°的扇形扫查。直射波检测时，楔块前沿到端部法兰距离10mm，一次反射 波时楔块前沿到端部法兰距离35mm。

所述的超声波相控阵检测仪校准，包括楔块延时校准、扇扫描角度校准、灵敏度校准。 楔块延时校准，指的是利用CSK-IA试块的R100弧面校正探头的电子触发时刻与声束进入被 测工件的瞬间之间的延迟，以便得出精确的声程、深度、表面距离的测量读数。扇扫描角度 校准，指的是利用CSK-IA试块的R100弧面对不同偏转角度声束的回波高度差值进行修正。 灵敏度校准，指的是利用CSK-IIA试块的Ф2×40mm横通孔绘制TCG曲线。

所述的对对比试块进行检测，是使用校准后的超声波相控阵检测仪，按照CIVA仿真结果， 将装有超声探头的楔块放置到特定的位置，使用直射波检测对比试块上的Ф2通孔1个、焊 缝内侧刻槽及焊缝内侧锥孔，验证该检测仪对焊缝内侧缺陷的检测能力；使用一次反射波检 测对比试块上Ф2通孔、焊缝外侧刻槽及焊缝外侧锥孔，验证该检测仪对焊缝内侧缺陷的检 测能力。

所述的对待测工件进行直射波环向扫查，以TCG评定线灵敏度，把超声探头放置在特定 的位置，沿罐体环向使用直射波对角焊缝内侧区域进行扫查，扫查过程中保证楔块前沿到端 部法兰距离满足要求。

所述的对待测工件进行一次反射波环向扫查，以TCG评定线灵敏度，把探头放置在特定 的位置，沿罐体环向使用直射波对角焊缝外侧区域进行扫查，扫查过程中保证探头楔块前沿 到端部法兰距离满足要求。

所述的图像数据分析及待测工件质量评定，是指把图像数据传输至计算机，对数据进行 分析，结合B-扫描、S-扫描及A-扫描等显示，对缺陷的位置、波幅、长度及高度进行测量， 依照JB/T4730.3-2005相关规定对缺陷进行分级。

本发明具有的有益效果：

1)相对于已存在的检测方法而言，本发明解决了GIS端部法兰与筒体角焊缝无有效评估 方法的问题。现有的渗透检测只能检测表面缺陷，无法检测出内部气孔、未融合、内部裂纹 等缺陷；另外对于服役的GIS罐体，角焊缝内侧区域无法实施渗透检测。本发明提供的基于 超声相控阵的GIS端部法兰与筒体角焊缝评估装置及其无损评估方法，能够实现该结构全截 面无损评估，不仅能检测表面缺陷，还能检测出内部缺陷；不仅能检测服役GIS端部法兰与 筒体外侧角焊缝，而且还能检测内侧角焊缝，全面评估了该结构的质量。

2)本发明还提高了检测效果。相对于已存在的检测方法，本发明使用单探头就可以实现 多角度的扫查，缺陷更容易发现，效率更高；能对一些缺陷提高检测、定位、定量和定向精 度；可以实现超声成像，通过图像分析，能提供缺陷检出率，并且超声数据可以永久保存， 检测具有直观性、可追溯性。

附图说明

图1为本发明GIS端部法兰与筒体角焊缝结构的局部示意图。

图2为本发明GIS端部法兰与筒体角焊缝的整体结构图。

图3为本发明的超声相控阵检测步骤图。

图4为本发明的直射波数据图。

图5为本发明的一次反射波数据图。

具体实施方式

下面通过说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详述，以下实施例只是描述性 的并非是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。

如图1-2所示的GIS端部法兰与筒体角焊缝超声相控阵评估装置，所述的扫查架6上设 有二个呈对称设置的定位柱，楔块5的壳体上设有二个呈对称设置的定位孔，通过定位孔与 定位柱的配合实现楔块5与扫查架6的连接。所述的编码器7通过其前面的销轴与扫查架后 侧的销孔相连。所述的编码器7为轮型增量旋转编码器。所述的编码器7通过数据线与超声 波相控阵检测仪9连接，所述的超声探头8表面涂上耦合剂后通过螺栓与楔块5连接，所述 超声探头通过数据线与超声波相控阵检测仪9相连。所述超声探头8、楔块5的参数、聚焦 法则及楔块前沿距离法兰的距离x有无损检测仿真软件CIVA及实验得出。

本实施例中检测对象是某220KV GIS罐体端部法兰与筒体角焊缝，如图3所示，本实施 例无损评估方法的步骤如下：确定角焊缝规格；利用CIVA软件进行声束覆盖设计；超声波相 控阵检测仪校准；对对比试块进行检测；对待测工件进行直射波环向扫查；对待测工件进行 一次反射波环向扫查；图像数据分析及待测工件质量评定。

1.确定角焊缝规格

经查阅图纸及实际测量得知，GIS罐体全长2m，外径φ774，壁厚8mm，材料5A02-H112， 筒体插入深度5mm，外侧角焊缝焊角高度10mm。

2.利用CIVA软件进行声束覆盖设计

使用无损检测仿真软件CIVA，对角焊缝进行建模，对建好的工件模型进行波束仿真，选 出合适的探头和楔块，并确定聚焦法则，确定直射波、一次反射波时探头楔块前沿到端部法 兰距离x。对于该规格GIS，超声探头选择10L16-A00（激发频率10MHz，16个晶片的面状探头， 晶片中心间距，0.31mm），楔块SA00-N60S（横波折射角度60°），聚焦法则使用40°至70 °的扇形扫查。直射波检测时，楔块前沿到端部法兰的距离10mm，一次反射波时楔块前沿到 端部法兰的距离35mm。

3.相控阵仪器校准

包括楔块延时校准、角度校准、灵敏度校准。楔块延时校准，利用CSK-IA试块的R100弧 面较正探头的电子触发时刻与声束进入被测工件的瞬间之间的延迟。扇扫描角度校准，利用 CSK-IA试块的R100弧面对不同偏转角度声束的回波高度差值进行修正。灵敏度校准，利用 CSK-IIA试块的Ф2×40mm横通孔绘制TCG曲线。

4.对对比试块进行检测

所述的对对比试块进行检测，使用校准后的超声相控阵检测系统，，当探头楔块前沿到 端部法兰距离距离端部法兰10mm，直射波检测能准确的检测出对比试块上的Ф2通孔1个、焊 缝内侧刻槽及焊缝内侧锥孔；当探头楔块前沿到端部法兰距离距离端部法兰35mm，使用一次 反射波能准确检测出对比试块上Ф2通孔、焊缝外侧刻槽及焊缝外侧锥孔。

5.对待测工件进行直射波环向扫查

楔块前沿到端部法兰的距离10mm，以TCG评定线灵敏度，如图2所示沿罐体环向使用直射 波对角焊缝内侧区域进行扫查，得到如图4所示数据图。

6.对待测工件进行一次反射波环向扫查

楔块前沿到端部法兰的距离35mm，以TCG评定线灵敏度，如图2所示沿罐体环向使用一次 反射波对角焊缝外侧区域进行扫查，得到如图所示5数据图。

7.图像数据分析及待测工件质量评定

把图像数据传输至计算机，对数据进行分析。图4、图5左上方是A扫数据图，右上方是S 扫数据图，下方是B扫描数据图。S扫数据图横坐标表示反射波水平位置，纵坐标表示反射波 深度，B扫描数据图表示超声探头离扫查起始点距离，纵坐标表示反射信号深度，图像中颜色 的变化代表信号波幅的大小，彩色情况下红色表示信号波幅最强，黑白情况下越黑表示信号 波幅越强。

图4的直射波数据中，距离起点172mm、528mm、707mm及762mm处共发现4处焊缝内侧区域4 缺陷，特别是707mm至731mm区域的线性区域，缺陷波幅超过了TCG判废线，缺陷长度达到24mm， 根据依照JB/T4730.3-2005，该缺陷判为不可接受缺陷。

图5的一次反射波数据中，距离起点65mm、491mm、733mm处共发现3处焊缝外侧区域3缺陷， 特别是733mm至783mm区域的线性区域，缺陷波幅超过了TCG判废线，缺陷长度达到50mm，根据 依照JB/T4730.3-2005，该缺陷判为不可接受缺陷。

可见本发明的“评估装置及其无损评估方法”，解决了GIS端部法兰与筒体角焊缝无法 全面检测的问题。本发明使用单探头就可以实现多角度的扫查，缺陷更容易发现，检测效率 更高；能对一些缺陷提高检测、定位、定量和定向精度；可以实现超声成像，通过图像分析， 缺陷检出率更高，并且超声数据可以永久保存，检测具有直观性、可追溯性。因此本发明可 以快速高效的对GIS端部法兰与筒体角焊缝进行无损评估，能在工程实际中得到很好的应用。