淺談相控陣超聲檢測技術在蘇通管廊鋁合金外殼的應用

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摘? 要：蘇通GIL綜合管廊工程舉世矚目，迄今為止是世界上第一次在輸電通道中采用特高壓GIL進行輸電的工程。蘇通特高壓GIL管廊工程具有顯著的特點，如最先進的技術水平、最大的輸送電容量、最高的電壓等級、最長的輸送距離等顯著的特點，名副其實地被譽為“萬里長江第一廊”。由此可見，GIL其中使用的零部件的技術和質量要求很嚴格，針對零部件之一的鋁合金外殼的生產和檢驗，為更好地滿足質量和交貨期的要求，特采用了先進的相控陣超聲檢測技術。

關鍵詞：蘇通管廊? 鋁合金外殼? 螺旋焊管? 螺旋焊縫? 相控陣超聲檢測技術

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，氣體絕緣金屬封閉輸電線路）是將金屬導電桿封閉在金屬外殼內，利用金屬導電桿的方式進行輸電，金屬外殼接地，且內部通過充惰性氣體至規定的壓力從而進行絕緣。簡言之，GIL就是具備封閉兼絕緣特性的輸電線路。

GIL具有沒有電或熱的老化現象、傳輸電容量比普通電纜的大、運行不受外界環境的影響等優點，同時還具有運行可靠度高、安全性高、經濟性好、節約用地面積等顯著特點，所以GIL尤其適合作為架空輸電方式和電纜送電存在受限情況時的補充輸電技術等某些受限的場所和特定場所的使用。

連接蘇州和南通兩地的特高壓蘇通GIL綜合管廊工程采用兩回6相1 000 kV，管線6相總長約35 km，單相長度5.8 km，通過江底隧道穿越長江兩岸，很大程度上解決并實現了華東特高壓交流雙環網合環有效順利地運行。

1? 相控陣超聲檢測技術簡介

1.1 相控陣超聲的檢測原理

相控陣超聲檢測（簡稱PAUT）的主機探頭的壓電晶片較多，目前使用的探頭由64個壓電晶片組成，其中每個壓電晶片各形成一個接收和發射的陣元，為達到對波束進行的偏轉與聚焦，壓電晶片在發射電路的激勵下通過控制脈沖的延遲，從而改變各個發射或者接收的超聲波到達物體內某點的相位關系所形成的相位差，由此實現對產品的檢測。

1.2 相控陣超聲檢測的優點

（1）使用的探頭尺寸比常規超聲檢測的更小，這樣能更方便地檢測難以接近的部位。

（2）能對復雜結構件和盲區位置的缺陷進行檢測，很大程度上避免了漏檢的風險。

（3）能進行電子掃描，實現了對產品進行多角度、全方位且高速的檢測，而且缺陷顯示非常直觀。

（4）由于聚焦功能，所以分辨率和靈敏度皆高于常規超聲檢測。

（5）很大程度上節約了系統成本。

1.3 相控陣超聲檢測技術在國內的應用

相控陣超聲檢測技術較多應用于醫學方面，鑒于PAUT的特性及優點，現在也正逐步地應用在工業行業的無損檢測，比如火車輪軸的無損檢測、汽輪機葉片的無損檢測等。目前在國內，PAUT已經大量應用的工程有西氣東輸工程，其中在某些特殊的部門如航空系統和核工業系統等也有少量應用。

筆者公司依托北京航空航天大學、中國船級社，并與北京安可為科技有限公司合作，將相控陣超聲檢測技術運用到筆者公司生產的鋁合金外殼的焊縫檢測，特別是蘇通GIL零部件之一的鋁合金外殼使用的螺旋焊管的螺旋焊縫的檢測。

2? 相控陣超聲檢測技術在螺旋焊縫的應用

2.1 鋁合金外殼用螺旋焊管焊縫介紹

作為蘇通GIL綜合管廊零部件之一的鋁合金外殼，采用了螺旋焊管與法蘭對接焊接的形式，標準段的鋁合金外殼的長度為18 m，用于蘇通GIL管廊鋁合金外殼的螺旋焊管的規格是φ900mm×10mm。眾所周知，螺旋焊管的焊縫是呈螺旋狀的，根據實際使用鋁卷的寬度和相關參數，對螺旋焊縫的比例進行計算，可以計算出螺旋焊縫的單位焊縫長度為2 247 mm/m，可見1根18 m的螺旋焊管，焊縫長度達到40.5 m/根。如此長的焊縫，用普通的超聲檢測存在工作量大、工作效率低、容易漏檢等諸多缺點，所以該公司特將相控陣超聲檢測技術應用在此工程上。

2.2 相控陣設備的選型

目前市場上銷售的相控陣設備，部分廠家還未完善好設備。該公司最終使用奧林巴斯（OLYMPUS）OmniScan MX2儀器進行檢測，此儀器實現了掃查裝置和數據采集的移動同步，并具備存儲和分辨功能，同時儀器具備全功能S掃描及A、B、C掃描，掃描圖形更直觀、快捷、方便。針對檢測蘇通GIL的螺旋焊管的螺旋焊縫，采用的探頭是5L64-A2，此探頭符合機械行業標準JB/T 11731《無損檢測 超聲相控陣探頭通用技術條件》的要求。

2.3 相控陣超聲設備的主要輔助設備和工裝

2.3.1 專用工裝

螺旋焊縫在檢測期間，會使用大量的耦合劑。相控陣超聲檢測使用的耦合劑是清潔的水。水是流體，考慮到由于水的流失，不僅造成成本的浪費，還會影響現場工作環境，所以根據該公司實際情況，將車間的廢棄產品進行重新改造再利用，制作了專用工裝水槽。此工裝水槽放在待檢螺旋焊管的下方，檢測期間耦合的水順勢流入工裝水槽中，這樣不僅改善了現場環境，還能將工作中使用的水進行回收和排放，真正做到了安全、環保、節能。工裝水槽需要定期進行清理，另外考慮到現場存在灰塵、鋁屑等異物，這些異物會影響水槽的清理，所以特將水槽內設計了過濾式排水閥，避免了因異物堵塞下水管的風險。

2.3.2 高度調節架

根據螺旋焊管的規格尺寸，計算出焊管的高度，然后根據工裝水槽的高度、螺旋焊管的高度、滾輪架的高度、移動式平臺的高度等制作高度調節架，目的是讓操作者操作時的高度與檢測螺旋的高度持平，避免螺旋焊管過高或者過低給操作者帶來不便。高度調節架置于工裝水槽之上。

2.3.3 滾輪架

由于螺旋焊管的焊縫是呈螺旋狀的，所以配備了專用滾輪架，滾輪架置于高度調節架之上，便于控制螺旋焊管的周向旋轉。

2.3.4 手持掃查設備

針對GIL綜合管廊的螺旋焊管的螺旋焊縫，特使用手持掃查設備，只需要人工扶該設備，便可對焊縫進行雙面檢測。手持掃查設備連接耦合用水管和編碼器。同時，操作者在掃查時可以對螺旋焊縫表面質量再次檢查確認，實現了外觀檢驗的復驗。

2.3.5 移動式工作臺

制作了專用的移動式工作臺，工作臺可以沿著平行于螺旋焊管軸線的方向進行平移。移動式工作臺與滾輪架并用，實現了螺旋焊管周向旋轉和縱向平移的功能，這樣操作者只需站在移動式工作臺上扶持手持掃查設備便可實現對螺旋焊縫進行100%的掃查檢測。另外，為更便于操作者的工作，在移動工作臺的底部平面上且靠近操作者的位置設置了可腳踏的控制開關，克服了操作者由于手持掃查設備導致的無法再用手控制移動開關的局限性。

2.3.6 掃查要求

掃查前操作者應在螺旋焊管掃查面上做好掃查起始點和掃查方向等標記，按沿線掃查方式進行掃查，運行速度≤100 mm/s，螺旋焊縫適宜速度保持沿工件軸線方向1～2 m/min，若需對螺旋焊管在長度方向進行分段掃查，則各段掃查區的重疊范圍≥20 mm。

2.3.7 應用實例

對1根18 m螺旋焊管進行相控陣超聲檢測，檢測過程如下。

（1）校調相控陣超聲檢測設備。

包括靈敏度的調校、曲線的制作、補償等的校調及檢測前的相關準備工作。

（2）檢測螺旋焊縫。

擺放好掃查工裝，探頭與焊縫兩側距離相等，然后開機進行檢測。

根據波的聲學傳播的特性，超聲波從主機探頭發出后，首先進入楔塊，然后經過折射波進入鋁合金螺旋焊管，此折射波稱之為一次波，利用一次波可以檢測螺旋焊縫的根部。進入鋁合金螺旋焊管的折射波，在焊管內壁形成反射波，此反射波稱之為二次波，利用二次波可以檢測螺旋焊縫的全部。圖1為檢測螺旋焊縫的相控陣超聲檢測示意圖。

（3）分析判定圖像。

將儀器中的存儲卡存儲到電腦上，使用OmniPC-4.4R3軟件打開，結合A、B、C、S掃描顯示，對缺陷的幅度、長度、位置進行測量。如焊縫有缺陷，則需要對被檢焊縫的缺陷位置進行標識，按照評定的記錄對焊縫缺陷部位使用皮尺進行測量確認，并在螺旋焊管表面做好缺陷長度、深度、等級等標記。

（4）出具報告。

檢測完成，出具檢測報告。報告中需包括被檢產品的名稱、材質、規格、檢測結果、檢測規范、檢測日期、檢測人員等信息。

3? 應用效果

3.1 安全

PAUT是基于常規超聲UT檢測原理的技術，PAUT無電離輻射，使用水作為耦合劑，對人體和環境無害，是一種綠色的檢測方法。

3.2 準確

PAUT對未熔合和裂紋等面積缺陷比較敏感，相對于普通超聲檢測、射線檢測，缺陷檢出率更高。另外PAUT受人工因素影響小，克服了常規超聲檢測受人工缺陷判定水平影響較大的缺點。

3.3 高效

每根18 m的螺旋焊管，PAUT檢測只需45 min，比普通超聲UT檢測快1倍，可見相控陣超聲檢測的效率遠比普通超聲檢測高;相控陣超聲檢測還可以交叉作業，且對環境、時間沒有特定的要求;同時，相控陣超聲檢測所有檢測記錄能數字化存儲，便于追溯和保存。

4? 結語

通過相控陣超聲檢測技術在蘇通GIL綜合管廊工程零部件之一的鋁合金螺旋焊縫的應用，可以看出相控陣超聲檢測技術有安全、準確、高效等應用效果。這對組織制定相控陣超聲檢測的缺陷判定企業標準提供了強有力的理論依據。

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