某水工閘門安裝質量超聲檢測問題探討

欽立峰

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

水利樞紐、水電站等水利工程中的水工鋼閘門多采用鋼板基材焊接制成，焊接完成后必須進行焊縫質量檢測，對于發現的焊縫質量缺陷，應采取防腐加固措施防治，鋼閘門一、二類對接焊縫一旦出現損壞必將引發攔水泄漏及嚴重事故。可見，水工閘門焊接質量是評價其制作質量優劣的重要指標，通過應用超聲技術檢測焊縫質量，為判斷水工閘門運行狀況提供依據。超聲探測技術屬于無損檢測，檢測過程對鋼結構無影響，且檢測結果準確，能保證檢測人員精確定位、快速掌握鋼閘門焊縫缺陷類型。

1 超聲檢測技術概述

超聲探傷儀是超聲檢測技術常用的儀器，該儀器主要利用超聲波原理，進行被檢物體結構內部損失情況檢測、定位及分析。超聲探傷儀根據用途不同分為非金屬探傷儀和金屬探傷儀兩類，其中金屬探傷儀主要用于各類焊縫、板材、鑄件、鍛件等結構的無損探傷，并通過分析視波屏所顯示出的傷波波形、位置、波高等進行損傷定位、損傷程度及類型分析[1]。

超聲探傷儀種類較多，但檢測原理及結構大同小異，主要由同步電路、掃描及發射電路、接收及顯示電路和電源電路等部分組成。其工作電路具體見圖1。其中同步電路屬于觸發電路，發揮著超聲探傷儀中樞的作用，其通過發射數十-數千個脈沖/s，以觸發其余電路協調一致運行；掃描電路則通過釋放鋸齒波電壓，在示波管熒光屏上顯示出水平掃描時基線；發射電路主要將所產生的上千伏電脈沖施加于發射探討，以激發壓電晶片共振，并釋放超聲波；探傷波形圖通過顯示電路顯示。

圖1 超聲探傷儀工作電路

在超聲探傷過程開始后，同步電路發出脈沖并加至掃描和發射電路，掃描電路受到觸發后啟動，并發出鋸齒波掃描電壓，加至示波管水平偏轉板后在熒光屏上投射出掃描線。發射電路受到觸發后釋放出高頻窄脈沖，加至探頭后激勵壓電晶片產生振動，并釋放超聲波。超聲波在受檢測介質中傳播，遇到缺陷或介質底面后反射回探頭，壓電晶片接收后將其轉變為電信號，并通過接收電路檢波并放大，加至示波管垂直偏轉板，同時使電子束表現出垂直偏轉，之前所投射的掃描線對應位置將出現缺陷波或底波。由缺陷波所處位置及幅度進行缺陷位置、嚴重程度等的估算[1]。

2 閘門安裝質量超聲檢測

2.1 工程概況

某引水樞紐工程是一座建立在新疆葉爾羌河“S”形河段上的兩岸引水多級排砂攔河引水樞紐，并采用都江堰式與費爾干式結合形式布置。工程由東岸總進水閘、東岸引水總干渠、東岸進水沖砂閘、東岸沖沙道、潰壩段、溢流堰、泄洪閘、西岸引水彎道、西岸進水沖砂閘及上下游河道整治段組成。該引水樞紐始建于1952年，并于1982年改建，至1987年2月建成并投入使用。該水利樞紐工程各類閘門建設期間施工技術落后，運行至今，工程呈現部分病險情，經安全評價鑒定為三類閘，列入病險水閘除險加固專項工程，需采取除險加固措施。東岸進水沖沙閘弧形鋼閘門采用預裝拼接工藝安裝，并在拼裝定位和尺寸檢查合格的基礎上從中間向四周對稱退步的方式進行鋼閘門焊接加固，并采用T型焊縫。焊接結束后嚴格按照相關規范進行焊縫質量超聲無損探傷檢測。

2.2 閘門焊縫檢測要求

《水利水電工程鋼閘門制造安裝及驗收規范》(GB/T14173-2008)根據水工閘門焊縫重要程度及受力狀況將焊縫劃分為三類，其中，閘門主梁、邊梁、腹板、翼緣板及攔污柵吊耳板、拉桿等承受主拉力的焊縫屬于一類焊縫；閘門面板、攔污柵主梁及邊梁腹板、翼緣板等承受壓力的焊縫屬于二類焊縫；其余非承壓焊縫均屬于三類焊縫[2]。對于水工閘門一、二類焊縫均可通過超聲檢測或射線檢測技術進行檢測，并確定出合格等級。

2.3 操作步驟

在應用超聲探傷儀進行引水樞紐東岸進水沖沙閘弧形鋼閘門焊縫質量及安裝質量檢測前，必須根據操作規范校準儀器，并采用標準試塊和規格探頭初步檢測校準結果，校準合格后方可繼續操作。

探頭類型必須根據待檢測對象進行選擇，該水工鋼閘門焊縫檢測選用斜探頭，其探頭K值主要根據鋼閘門板材實際厚度確定，并充分保證超聲波束能完全掃查到全部焊縫截面、超聲波探傷靈敏度足夠、超聲波束中心線應垂直于主要危險性缺陷。通過一二次波單面探測雙面焊時，為確保整個焊縫截面均能被超聲波掃查到，必須滿足以下條件：

(1)

式中：a為焊縫上端寬度的一半，mm；b為焊縫下端寬度的一半，mm；l0為探頭前沿距離，mm；T為閘門工件實際厚度，m；K為超聲探傷儀探頭K值，其取值情況見表1。

表1 超聲探傷儀探頭K值取值參照表

該進水沖沙閘弧形鋼閘門焊縫質量和安裝質量檢測結果還受到工件表面實際狀況的影響，為此必須在探測開始前修整閘門焊縫兩測探測面，通過砂紙或砂輪機將探測面銹蝕層、保護漆層等剔除，探測面修整平整后涂抹耦合劑。實際修整寬度P通常根據母材厚度確定，對于二次波探傷的8-46mm厚度的焊縫，探測面修整寬度P1≥2KT+30mm；對于一次波探傷的厚度46mm以上的焊縫，P2≥2KT+50mm[3]。

焊縫探傷超聲檢測時掃查方式主要較多，探頭可沿鋸齒形路線進行掃查并在10-15°范圍內轉動，探頭每次前進距離不應超出探頭晶片直徑，以避免發生漏檢；發現缺陷后探頭進行前后左右掃查，以找出回波最大值，并定位缺陷、確定出焊縫缺陷具體尺寸；為推斷缺陷形狀和方向，探頭應進行環繞掃查和轉角掃查；為檢驗焊縫及熱影響區橫向缺陷，探頭應進行平行掃查；對于同時應用2種探頭進行厚板焊縫探傷時，探頭應進行串列式掃查。在以上掃查過程中，必須加強探頭行進速度控制，對于既有缺陷，必須通過多種方法定位、檢測，保證探測結果的真實準確。

超聲波在構件缺陷處不連續界面會發出不同的聲波反射信號，超聲檢測則主要利用探頭發射并接收反射信號，并根據信號波幅變動進行缺陷是否存在及位置、尺寸等的判定。這種檢測方法對反射信號接收的有效性要求較高，聲波只有以適宜的角度到達缺陷位置，才能反射并被探頭所接收，若反射面角度達不到反射要求，則反射波很可能接收不到，導致漏檢。為此，在應用超聲探傷儀進行水工閘門焊縫質量及安裝質量檢測時，必須鍵入準確的參數值，保證掃描速度及探傷靈敏度能準確調節；并根據焊接形式和焊縫實際情況，選擇適用的掃查方式組合。

2.4 檢測結果

該引水樞紐東岸進水沖沙閘弧形鋼閘門設計尺寸10.4m×4.4m，經1982年改建后高為7.0m。1987年2月投運后對該弧形鋼閘門焊縫所進行的探傷報告顯示，其1#-3#閘門結構中均存在3mm以上的未焊透連續焊縫、氣孔及根部夾渣情況。自投運以來至今以逾30a，2020年4月應用CTS-2000型袖珍式金屬探傷儀斜角單探頭進行了該弧形鋼閘門焊縫復檢，并重點進行其雙面焊縫和熱影響區的單面檢測。根據檢測結果表明，該弧形鋼閘門焊縫類型為縱縫，焊接方式手工電弧焊，探傷面狀態為砂輪打磨，以漿糊為耦合劑，焊后探傷，探頭規格為2.5Z9*9K2.5，時基線聲程調節，探頭前沿距離9.6mm，實測折射角67.9°；焊縫總長度235m，檢測出的長度為235m，探傷比例100%；通過對檢測傷波典型圖及檢測數據的分析發現，全部焊縫均存在未焊透、密集氣孔、夾渣等病害，且未焊透深度最大達5-8mm。左邊梁翼緣板和上主梁翼緣板對接焊縫、右邊梁翼緣板和上主梁翼緣板對接焊縫、左邊梁翼緣板和下主梁翼緣板對接焊縫、右邊梁翼緣板和下主梁翼緣板對接焊縫、上主梁翼緣板和左吊耳翼緣板對接焊縫、上主梁翼緣板和右吊耳翼緣板對接焊縫均為一類焊縫，探傷范圍均為100%，評定等級H0-14dB，最大回波波幅

3 結 論

綜上所述，超聲波金屬探傷儀在水利樞紐工程進水沖沙閘弧形鋼閘門焊縫質量及安裝質量檢測中的應用取得了較好的檢測效果，系統自動存儲的傷波圖和損傷區域相關數據能隨用隨取，快捷準確；傷波圖及相關記錄也為弧形鋼閘門焊接安裝質量控制提供了準確依據，能有效避免人為原因造成的鋼閘門運行事故。