基于满足超声波探伤的高压开关焊接壳体

收稿日期：2016-01-21。作者简介：徐鹏（1990-），男（汉族），江苏高邮人，助理工程师,主要从事高压开关工艺设计工作。地址：上海市松江区思贤路3555号，联系电话：[phone]-82037,电子信箱：[e-mail]基于满足超声波探伤要求的GIS焊接壳体对接环焊缝焊接工艺优化徐鹏王建华张旸（正泰电气股份有限公司，上海201614）GrithweldprocessoptimizationbasedonmeetingtheultrasonictestingofHighvoltageswitchweldinghousing摘要：本文介绍了铝合金的焊接原理、高压开关铝壳体环缝焊接方法、超声波在筒体探伤时的应用，根据改善环缝焊接工艺前后超声波探伤合格率，证明了焊接工艺的改善能够提高壳体质量，满足用户新要求。关键词：铝合金（Aluminum）；熔化焊接(Fusionwelding)；超声波探伤（ultrasonictest）；焊接工艺（weldprocess）；焊接壳体（weldingshell）引言：2014年4月21日，中国电科院、浙江电科院对某厂在浙北-福州1000KV特高压线路的GIS筒体对接环焊缝进行超声波探伤抽检，发现两处超标缺陷。2014年浙江电科院对全省的待运行GIS筒体对接环焊缝进行大面积超声波探伤抽检，发现六个设备厂的对接环焊缝的超声波探伤存在明显的超标缺陷。以上问题均导致设备返厂。本文重点介绍了在生产中铝合金壳体对接环焊缝的焊接与超声波探伤，通过不断地改变焊接参数，坡口型式等焊前准备工作以及施焊过程中的严格规范，提升超声波探伤合格率，在实践中总结出能够长期有效解决中厚铝合金焊接壳体环缝的焊接新工艺，改善焊接质量，提高生产效率，提升产品质量。1对接环焊缝在产品中的意义GIS壳体在产品中起到将额定电流为3150A的进出线导体完全密闭在约0.45-0.65MPa压力的SF6气室中，起到与外界绝缘、绝磁的作用，要求可靠性指标高，年漏气率0.5%，维护周期10～20年【1】。高压开关焊接壳体和SF6电流互感器、电压互感器和避雷器壳体属于D级第二类低中压容器(压力范围0.1MPa～10MPa)。若壳体损伤导致SF6渗漏，不但影响GIS乃至电力系统的可靠运行，同时也会污染周围环境，危害工作人员的身体健康及生命安全。因此铝合金壳体的气密性是影响产品质量的关键因素之一。对接环缝属于压力容器中的的B类焊缝，工作时承受较大载荷，其内在质量与设备的安全运行息息相关。2GIS焊接壳体对接环焊缝的焊接工艺钨极氩弧焊（TIG）是一种非熔化极氩弧焊，电弧在惰性气体（氩气）的保护下燃烧，电弧稳定，热量集中，热影响区小，焊缝金属致密，外观美观，可以获得满意的优质焊接接头。目前，钨极氩弧焊是焊接铝及铝合金的主要方法之一。铝及铝合金的手工钨极氩弧焊多采用交流电源，为了防止起弧处及收弧处产生裂纹、气孔等缺陷，有时需加引弧板、收弧板。电弧稳定燃烧、钨极端被加热到一定温度后，次啊能将电弧移入待焊区。往往采用高频和高压脉冲装置引弧。铝合金交流TIG焊接，目前最常用的是交流方波工艺。即用电源输出的正半波（EP）实现对铝合金的熔化焊接，负半波（EN）对氧化膜进行阴极清理。图1所示是普通交流焊接电源波形。随着数字逆变技术的发展，已有焊接电源能调节正负半波的时间比例，减少负半波的时间。图2所示是交流平衡焊接电源波形[2]。图1普通交流焊接电源波形图图2交流平衡焊接电源波形3GIS焊接壳体对接环焊缝的焊接的无损检测标准目前我司的检验方法包括X射线检测，渗透检测及超声波检测。由于RT对缺陷各种方向的敏感度不同、PT只能检测便面缺陷，而UT能够实现壳体关键焊缝的检测，从而满足客户对GIS设备的质量要求。对于铝合金焊接壳体对接纵焊缝，各GIS厂家及其配套厂家长期来十分重视，多采用焊接专机甚至机器人焊接，焊后并进行X射线探伤，其质量稳定可靠。相反，铝合金焊接壳体对接环缝受装焊质量、翻孔质量等因素影响，几乎全部采用手工焊接钨极氩弧焊，对于焊接工艺、焊工技能的要求偏高，而且对其内在质量的检测往往停留在着色渗透、外观检查等手段，这些均导致铝合金焊接壳体对接环焊缝的质量被低估甚至误判。超声波检测的工作原理是：声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入工件，超声波在共建中传播时，与工件材料及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特征被改变，改变后的超声波通过检测设备被接受，并对其进行处理和分析，根据其特性，评估工件本身及其内部是否存在缺陷以及缺陷的特性。铝合金焊接壳体对接环缝按照GB150规定属于B类焊缝，该类焊缝按照“固定式压力容器安全技阴极清理EN熔池形成EP阴极清理EN熔池形成EP电源输出负半波电源输出正半波电源输出负半波电源输出正半波术监督规程”（TSGR0004-2009）规定属于局部检验（20%）检测范围，超声检测按照JB/T4730的规定执行，要求进行局部无损检测的对接接头，脉冲反射法超声检测技术等级不低于B级，合格级别不低于Ⅱ级[3]。4GIS焊接壳体对接环焊缝的焊接工艺改进我司生产的焊接壳体主要工艺流程为：下料机加组焊焊清探伤划线机加试验清理光整转下道工序。图3为对接环缝。图3跟踪翻边孔环缝加工过程，发现多道工序存在问题，且工人对一些细节问题不关注，以及焊接工艺选择不当，综合在一起，导致对接环缝的焊接质量一直得不到提高。回顾整个加工过程，将问题从三方面归纳，即焊前、焊中、焊后，总结如下：原因分析改进前改进后坡口加工碳钢刷简单打磨、焊丝无清理严格要求环缝坡口钝边在2mm以内，坡口角度30°，且整个环缝坡口高度偏差在1mm以内，这样保证了翻边孔跟支管法兰对接铆装时，坡口的间隙偏差较小，错边量小于等于1mm。焊前清理碳钢刷清理、焊丝无清理碳钢刷改为不锈钢刷，防止破坏母材；打磨之前，先用酒精洗去坡口处的油污杂质、再清理打磨坡口，去除氧化膜；对于焊丝，超过20小时没用的焊丝需要用酒精清洗，并洗刷打磨。施焊过程正面两层，背面一层，无预热、无层间无清理等采用大规范施焊，只保证熔合1、焊前需对焊缝背面熔一遍，即电弧预热；2、正面焊接每一层需清理打磨，确保前一层无气孔、夹杂；3、根据材料规格厚度，酌情增加焊层，且施焊过层中，根据实际装配状况，掌控好焊接速度及加丝量。对接环焊缝焊后处理简单打磨焊缝自检，确保无表面缺陷；再由检验人员检查焊缝尺寸，焊缝表面成型，最后做超声波探伤经改善后，焊缝质量明显有所改善，焊缝表面成型美观，鱼鳞纹均匀，焊缝边缘熔合良好，无咬边、焊瘤、凹坑等缺陷，热影响区小，符合客户要求。图4为改善后的焊缝，图5为我司探伤工作人员在进行超声波探伤。图4图55GIS焊接壳体对接环焊缝的焊接工艺改进后的评价和总结铝合金制GIS按照“固定式压力容器安全技术监督规程”（TSGR0004-2009）规定属于局部检验（20%）检测范围，采用超声波检测有利于发现表面缺陷，如气孔、未熔合、气孔、未焊透等，有助于提高GIS产品质量。我司焊接壳体环缝经超声波探伤后发现，焊缝缺陷明显减少，一次合格率由原来的30%达到现在的98%，效果明显。改善后的焊接工艺见表1表16结束语通过多举措改进焊接工艺，较好的保证了焊缝内在质量，满足了国网、南网等用户的要求，符合国家关于承压容器的无损检测规定。参考文献：[1]小型化GIS-CB罐体翻孔工艺及模具设计[J].模具工业.2011.10(3):43-45.张旸汪美珍[2]气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）铝合金筒体纵缝焊接新工艺[J].高压开关2009张旸[3]固定式压力容器安全技术监督规程（4.5.3-4.5.4）母材1焊接方法焊接参数适用范围12mm内部坡口70~75度，钝边2mm外部预热重熔（根据装配情况酌情加焊丝）内部打底＋填充＋盖面（共加丝焊3遍）外部清根＋加丝盖面打底：340-420A盖面：320-400A对接环缝10mm内部坡口70~75度，钝边2mm外部预热重熔（根据装配情况酌情加焊丝）内部打底＋填充＋盖面（共加丝焊3遍）外部清根＋加丝盖面打底：330-380A盖面：310-360A对接环缝8mm内部坡口70~75度，钝边2mm外部预热重熔（根据装配情况酌情加焊丝）内部打底＋盖面（共加丝焊2遍）外部清根＋加丝盖面打底：300-360A盖面：280-340A对接环缝