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薄壁变形铝合金壳体对接焊缝超声检测方法

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。

GIS铝合金超声检测

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:

斜探头折射角(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:

近场区计算公式

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
铝合金超声波检测1号试块

图2. 铝合金超声波检测1号试块

2.2 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。

2.3 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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