薄壁变形铝合金壳体对接焊缝超声波检测方法

薄壁变形铝合金壳体对接焊缝超声波检测方法

GIS壳体规格φ700mmx16mm，由变形铝合金板材卷制成的容器，壳体纵焊缝和环焊缝均采用自动焊接技术焊接而成。壳体内部填充高压绝缘气体，内部气压为0.6MPa。要求对壳体纵焊缝和环焊缝进行超声检测，检测要求依据NB/T47013.3-2015《承压设备无损检测 超声检测》附录H《铝和铝合金对接接头超声检测方法和质量分级》相关规定实施。验收级别依据TSG R0004-2014《固定式压力容器检验规程》第4.5.3.4.2条，GIS壳体对接焊缝局部超声检测技术等级不低于B级，合格级别不低于II级。

图1. GIS铝合金超声检测

1、探头参数选择

1.1探头折射角（K值）

探头折射角依据表1（NB/T47013.3-2015第6.3.6条表25）推荐选择，表1为推荐采用的斜探头在钢中的横波声束折射角（K值），即厚度范围 4~25mm的钢制工件进行超声检测，应选择折射角（K值）为K2.0~K3.0的斜探头。在声速测量实验中测得钢的横波传播声速约3240m/s，铝合金的横波传播声速约3100m/s，利用snell折射定律计算出横波声束在铝合金中的折射角，换算结果如表2所示。结合上述要求，厚度为16mm的GIS壳体对接接头超声检测选用K3的横波斜探头较宜。

表1 推荐采用的斜探头折射角（K值）和标称频率

工件厚度t/mm	折射角（K值）	标称频率/MHz
6~25	63°~72°（2.0~3.0）	4~5
>25~40	56°~68°（1.5~2.5）	2~5
>40	45°~63°（1.0~2.0）	2~2.5

表2 探头标称K值与对应的铝合金中K值

探头标称K值	1	1.5	2	2.5	3
铝合金中K值	0.92	1.32	1.65	1.93	2.16

（1）snell声束折射定律：

a、 ：钢中横波传播声速；

b、 ：铝合金中横波传播速度；

c、 ：钢中横波折射角；

d、 ：铝合金中横波折射角。

（2）探头折射角（K值）计算公式：

1.2探头频率f

由于GIS壳体焊缝厚度较薄，壳体母材厚度仅为16mm，超声检测GIS薄壁壳体焊缝可忽略声波散射的影响，而超声波检测中灵敏度和分辨率显得非常重要，频率是影响分辨率的重要因素。根据相关试验数据表明：超声波检测壁厚不大于30mm的铝合金工件，选用频率为5MHz的横波斜探头，检测灵敏度和分辨率均较佳。

1.3探头晶片尺寸

晶片尺寸是影响超声检测结果的重要因素，主要对衰减系数、近场区大小和反射当量存在较大影响。GIS壳体焊缝厚度较薄，考虑近场区由于声波的干涉而出现一系列声压极大极小值，对超声波检测结果影响最大，根据近场区计算公式3可知，探头晶片尺寸与近场区N成正比。因此选用较小的探头晶片可以有效避免近场区声波干涉的影响。根据目前现有的探头规格，宜选用尺寸为6mmx6mm的晶片。

（1）近场区N计算公式：

a、Fs：探头晶片面积大小；

b、λ：超声横波在铝合金中传播的波长。

2、试验方法

2.1 仪器调校

GIS壳体对接焊缝实施检测前应对仪器进行调校，主要调校铝合金中横波传播声速、延迟（零偏）及铝合金中声束折射角（K值），应采用与GIS壳体铝合金声学性能相同或相似材质的标准试块进行调校，仪器调校方法与钢制工件超声检测方法相同。

2.2 DAC曲线绘制

依据NB/T47013.3-2015附录H，厚度为16mm的GIS薄壁铝合金壳体，应采用与GIS壳体铝合金材质声学性能相同或相似的1号铝合金对比试块制作DAC曲线。试块规格如图2，横孔深度为5mm、15mm、25mm、35mm，DAC曲线灵敏度如表3（NB/T47013.3-2015附录H表H.2）。

表3 DAC曲线灵敏度

评定线	定量线	判废线
Φ2mm-18	Φ2mm-12	Φ2mm-4

图2. 铝合金超声波检测1号试块

2.3 检测方法

探头扫查方式、缺陷定位、缺陷深度、缺陷长度测量与钢制工件超声检测方法相同。

2.4 缺陷评级

GIS铝合金壳体不允许存在裂纹、未熔合、未焊透等缺陷，缺陷回波在评定线以下评为I级，在评定线以上的按照下表4（NB/T47013.3-2015附录H表H.3）评级。

表4 铝合金承压设备对接接头超声检测质量分级（/mm）

等级	工件厚度	反射波幅所在区域	允许的单个缺陷指示长度
I	8~40	I	20
	>40~80		40
	8~40	II	10
	>40~80		t/4，最大不超过20
II	8~40	I	30
	>40~80		60
	8~40	II	15
	>40~80		t/3，最大不超过25
III	8~80	II	超过II级者
		III	所有缺陷
		I	超过II级者

3、总结

（1）GIS壳体对接焊缝局部超声检测等级不低于B级，质量合格级别不低于II级。

（2）GIS薄壁铝合金壳体对接焊缝超声检测应选用大K值探头，选用标称K值为K3的横波斜探头；标称频率为5MHz；小尺寸晶片，小前沿探头，选用晶片尺寸为6mmx6mm。

（3）应采用GIS壳体铝合金声学性能相同或相似材质的标准试块进行仪器调校、1号铝合金对比试块进行绘制DAC曲线。

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