浅谈相控阵超声检测技术在苏通管廊铝合金外壳的应用

战丽丽

摘  要：苏通GIL综合管廊工程举世瞩目，迄今为止是世界上第一次在输电通道中采用特高压GIL进行输电的工程。苏通特高压GIL管廊工程具有显著的特点，如最先进的技术水平、最大的输送电容量、最高的电压等级、最长的输送距离等显著的特点，名副其实地被誉为“万里长江第一廊”。由此可见，GIL其中使用的零部件的技术和质量要求很严格，针对零部件之一的铝合金外壳的生产和检验，为更好地满足质量和交货期的要求，特采用了先进的相控阵超声检测技术。

关键词：苏通管廊  铝合金外壳  螺旋焊管  螺旋焊缝  相控阵超声检测技术

Abstract：So far， it is the first time that the super high voltage Gil is used in the power transmission channel in the world. Sutong UHV GIL pipeline corridor project has remarkable characteristics， such as the most advanced technology level， the largest transmission capacity， the highest voltage class， the longest transmission distance and so on， truly known as "the first corridor of the Yangtze River". It can be seen that the technical and quality requirements of the components used in Gil are very strict， aiming at the production and inspection of one of the components， the aluminum alloy shell， in order to better meet the quality and delivery requirements， the advanced phased array ultrasonic testing technology is specially used.

Key Words：Sutong pipe gallery; Aluminium alloy casing; Spiral welded pipe; Spiral weld; Phased array ultrasonic testing technology

GIL（Gas-insulated Metal Enclosed Transmission Line，气体绝缘金属封闭输电线路）是将金属导电杆封闭在金属外壳内，利用金属导电杆的方式进行输电，金属外壳接地，且内部通过充惰性气体至规定的压力从而进行绝缘。简言之，GIL就是具备封闭兼绝缘特性的输电线路。

GIL具有没有电或热的老化现象、传输电容量比普通电缆的大、运行不受外界环境的影响等优点，同时还具有运行可靠度高、安全性高、经济性好、节约用地面积等显著特点，所以GIL尤其适合作为架空输电方式和电缆送电存在受限情况时的补充输电技术等某些受限的场所和特定场所的使用。

连接苏州和南通两地的特高压苏通GIL综合管廊工程采用两回6相1 000 kV，管线6相总长约35 km，单相长度5.8 km，通过江底隧道穿越长江两岸，很大程度上解决并实现了华东特高压交流双环网合环有效顺利地运行。

1  相控阵超声检测技术简介

1.1 相控阵超声的检测原理

相控陣超声检测（简称PAUT）的主机探头的压电晶片较多，目前使用的探头由64个压电晶片组成，其中每个压电晶片各形成一个接收和发射的阵元，为达到对波束进行的偏转与聚焦，压电晶片在发射电路的激励下通过控制脉冲的延迟，从而改变各个发射或者接收的超声波到达物体内某点的相位关系所形成的相位差，由此实现对产品的检测。

1.2 相控阵超声检测的优点

（1）使用的探头尺寸比常规超声检测的更小，这样能更方便地检测难以接近的部位。

（2）能对复杂结构件和盲区位置的缺陷进行检测，很大程度上避免了漏检的风险。

（3）能进行电子扫描，实现了对产品进行多角度、全方位且高速的检测，而且缺陷显示非常直观。

（4）由于聚焦功能，所以分辨率和灵敏度皆高于常规超声检测。

（5）很大程度上节约了系统成本。

1.3 相控阵超声检测技术在国内的应用

相控阵超声检测技术较多应用于医学方面，鉴于PAUT的特性及优点，现在也正逐步地应用在工业行业的无损检测，比如火车轮轴的无损检测、汽轮机叶片的无损检测等。目前在国内，PAUT已经大量应用的工程有西气东输工程，其中在某些特殊的部门如航空系统和核工业系统等也有少量应用。

笔者公司依托北京航空航天大学、中国船级社，并与北京安可为科技有限公司合作，将相控阵超声检测技术运用到笔者公司生产的铝合金外壳的焊缝检测，特别是苏通GIL零部件之一的铝合金外壳使用的螺旋焊管的螺旋焊缝的检测。

2  相控阵超声检测技术在螺旋焊缝的应用

2.1 铝合金外壳用螺旋焊管焊缝介绍

作为苏通GIL综合管廊零部件之一的铝合金外壳，采用了螺旋焊管与法兰对接焊接的形式，标准段的铝合金外壳的长度为18 m，用于苏通GIL管廊铝合金外壳的螺旋焊管的规格是φ900mm×10mm。众所周知，螺旋焊管的焊缝是呈螺旋状的，根据实际使用铝卷的宽度和相关参数，对螺旋焊缝的比例进行计算，可以计算出螺旋焊缝的单位焊缝长度为2 247 mm/m，可见1根18 m的螺旋焊管，焊缝长度达到40.5 m/根。如此长的焊缝，用普通的超声检测存在工作量大、工作效率低、容易漏检等诸多缺点，所以该公司特将相控阵超声检测技术应用在此工程上。

2.2 相控阵设备的选型

目前市场上销售的相控阵设备，部分厂家还未完善好设备。该公司最终使用奥林巴斯（OLYMPUS）OmniScan MX2仪器进行检测，此仪器实现了扫查装置和数据采集的移动同步，并具备存储和分辨功能，同时仪器具备全功能S扫描及A、B、C扫描，扫描图形更直观、快捷、方便。针对检测苏通GIL的螺旋焊管的螺旋焊缝，采用的探头是5L64-A2，此探头符合机械行业标准JB/T 11731《无损检测 超声相控阵探头通用技术条件》的要求。

2.3 相控阵超声设备的主要辅助设备和工装

2.3.1 专用工装

螺旋焊缝在检测期间，会使用大量的耦合剂。相控阵超声检测使用的耦合剂是清洁的水。水是流体，考虑到由于水的流失，不仅造成成本的浪费，还会影响现场工作环境，所以根据该公司实际情况，将车间的废弃产品进行重新改造再利用，制作了专用工装水槽。此工装水槽放在待检螺旋焊管的下方，检测期间耦合的水顺势流入工装水槽中，这样不仅改善了现场环境，还能将工作中使用的水进行回收和排放，真正做到了安全、环保、节能。工装水槽需要定期进行清理，另外考虑到现场存在灰尘、铝屑等异物，这些异物会影响水槽的清理，所以特将水槽内设计了过滤式排水阀，避免了因异物堵塞下水管的风险。

2.3.2 高度调节架

根据螺旋焊管的规格尺寸，计算出焊管的高度，然后根据工装水槽的高度、螺旋焊管的高度、滚轮架的高度、移动式平台的高度等制作高度调节架，目的是让操作者操作时的高度与检测螺旋的高度持平，避免螺旋焊管过高或者过低给操作者带来不便。高度调节架置于工装水槽之上。

2.3.3 滚轮架

由于螺旋焊管的焊缝是呈螺旋状的，所以配备了专用滚轮架，滚轮架置于高度调节架之上，便于控制螺旋焊管的周向旋转。

2.3.4 手持扫查设备

针对GIL综合管廊的螺旋焊管的螺旋焊缝，特使用手持扫查设备，只需要人工扶该设备，便可对焊缝进行双面检测。手持扫查设备连接耦合用水管和编码器。同时，操作者在扫查时可以对螺旋焊缝表面质量再次检查确认，实现了外观检验的复验。

2.3.5 移动式工作台

制作了专用的移动式工作台，工作台可以沿着平行于螺旋焊管轴线的方向进行平移。移动式工作台与滚轮架并用，实现了螺旋焊管周向旋转和纵向平移的功能，这样操作者只需站在移动式工作台上扶持手持扫查设备便可实现对螺旋焊缝进行100%的扫查检测。另外，为更便于操作者的工作，在移动工作台的底部平面上且靠近操作者的位置设置了可脚踏的控制开关，克服了操作者由于手持扫查设备导致的无法再用手控制移动开关的局限性。

2.3.6 扫查要求

扫查前操作者应在螺旋焊管扫查面上做好扫查起始点和扫查方向等标记，按沿线扫查方式进行扫查，运行速度≤100 mm/s，螺旋焊缝适宜速度保持沿工件轴线方向1～2 m/min，若需对螺旋焊管在长度方向进行分段扫查，则各段扫查区的重叠范围≥20 mm。

2.3.7 应用实例

对1根18 m螺旋焊管进行相控阵超声检测，检测过程如下。

（1）校调相控阵超声检测设备。

包括灵敏度的调校、曲线的制作、补偿等的校调及检测前的相关准备工作。

（2）检测螺旋焊缝。

摆放好扫查工装，探头与焊缝两侧距离相等，然后开机进行检测。

根据波的声学传播的特性，超声波从主机探头发出后，首先进入楔块，然后经过折射波进入铝合金螺旋焊管，此折射波称之为一次波，利用一次波可以检测螺旋焊缝的根部。进入铝合金螺旋焊管的折射波，在焊管内壁形成反射波，此反射波称之为二次波，利用二次波可以检测螺旋焊缝的全部。图1为检测螺旋焊缝的相控阵超声检测示意图。

（3）分析判定图像。

将仪器中的存储卡存储到电脑上，使用OmniPC-4.4R3软件打开，结合A、B、C、S扫描显示，对缺陷的幅度、长度、位置进行测量。如焊缝有缺陷，则需要对被检焊缝的缺陷位置进行标识，按照评定的记录对焊缝缺陷部位使用皮尺进行测量确认，并在螺旋焊管表面做好缺陷长度、深度、等级等标记。

（4）出具报告。

检测完成，出具检测报告。报告中需包括被检产品的名称、材质、规格、检测结果、检测规范、检测日期、检测人员等信息。

3  应用效果

3.1 安全

PAUT是基于常規超声UT检测原理的技术，PAUT无电离辐射，使用水作为耦合剂，对人体和环境无害，是一种绿色的检测方法。

3.2 准确

PAUT对未熔合和裂纹等面积缺陷比较敏感，相对于普通超声检测、射线检测，缺陷检出率更高。另外PAUT受人工因素影响小，克服了常规超声检测受人工缺陷判定水平影响较大的缺点。

3.3 高效

每根18 m的螺旋焊管，PAUT检测只需45 min，比普通超声UT检测快1倍，可见相控阵超声检测的效率远比普通超声检测高;相控阵超声检测还可以交叉作业，且对环境、时间没有特定的要求;同时，相控阵超声检测所有检测记录能数字化存储，便于追溯和保存。

4  结语

通过相控阵超声检测技术在苏通GIL综合管廊工程零部件之一的铝合金螺旋焊缝的应用，可以看出相控阵超声检测技术有安全、准确、高效等应用效果。这对组织制定相控阵超声检测的缺陷判定企业标准提供了强有力的理论依据。

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