相控陣技術(shù)在制冷壓力容器環(huán)向封閉焊縫中的研究與應(yīng)用

郭破江 李敬一 古湘龍 侯華金 張杰文

（長沙格力暖通制冷設(shè)備有限公司，湖南 長沙410600）

1 概述

制冷行業(yè)常用壓力容器產(chǎn)品有換熱器，經(jīng)濟(jì)器、分離容器、儲罐等。其中經(jīng)濟(jì)器、分離容器、儲罐一般為筒體兩端采用封頭密封結(jié)構(gòu)。一般地，其筒體直徑范圍在325～1100mm 不等，厚度范圍一般6～12mm。其主要功能是起閃蒸、補(bǔ)氣增焓、氣液分離等作用。其中筒體最后一端被封頭封死的焊縫稱之為最后一道環(huán)向封閉焊縫。（如圖1 所示）

2 現(xiàn)狀

制冷行業(yè)壓力容器的A、B 類焊接接頭系數(shù)一般均采用1.0，同時因其冷媒介質(zhì)對含水量有嚴(yán)格要求，故在生產(chǎn)過程耐壓試驗一般不采用液壓試驗而采用氣壓試驗。根據(jù)TSG 21-2016《固容規(guī)》3.2.10.2.2.2（4）（5）規(guī)定，制冷行業(yè)壓力容器的A、B 類焊接接頭需按要求進(jìn)行全部無損檢測。結(jié)合NB/T47012-2010《制冷裝置用壓力容器》9.6.2.2 規(guī)定，圓筒與封頭的最后一道環(huán)向封閉焊縫，只有當(dāng)筒體直徑≤600mm 且采用不帶墊板的氣保焊打底時，才可不進(jìn)行無損檢測。因制冷壓力容器對產(chǎn)品內(nèi)部清潔度有嚴(yán)格要求，此類對接焊均采用帶墊板焊減少焊口氧化物，故制冷行業(yè)壓力容器的最后一道環(huán)向封閉焊縫無論直徑大小均必須進(jìn)行全部無損檢測。

制冷行業(yè)所制造的經(jīng)濟(jì)器、分離容器等因其功能需閃蒸或進(jìn)行氣液分離，容器內(nèi)部常常需組焊內(nèi)件滿足使用功能，因而產(chǎn)品的最后一道環(huán)向封閉焊縫受制于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響（如下圖1），無法進(jìn)行射線檢測。

對于A 型脈沖反射法超聲檢測，按NB/T47013.3-2015《承壓設(shè)備無損檢測》B 級檢測標(biāo)準(zhǔn)要求，需進(jìn)行單面雙側(cè)檢測，實(shí)際焊口處的蝶形或橢圓形封頭側(cè)直邊高度為25mm，其余為弧面，焊口封頭側(cè)無法達(dá)到鋸齒形掃查寬度要求，故無法滿足B級雙側(cè)檢測要求。并且若采用A 超檢測，需按TSG 21-2016《固容規(guī)》3.2.10.2.1 規(guī)定，附加射線檢測或可記錄的超聲檢測，目前承壓設(shè)備可記錄的超聲檢測，僅有TOFD 超聲檢測和相控陣超聲檢測。由于TOFD 檢測厚度范圍為大于等于12mm，制冷行業(yè)常用的經(jīng)濟(jì)器、分離容器常用厚度范圍在6-12mm，故不適用。

圖1 制冷壓力容器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)之一

綜上，射線檢測受制于內(nèi)件影響無法透照，A 超無法滿足標(biāo)準(zhǔn)B 級檢測要求，TOFD 作為可記錄的超聲檢測受制于母材厚度不適用，故制冷行業(yè)壓力容器筒體與封頭的最后一道環(huán)向封閉焊縫的探傷成為難點(diǎn)。

3 超聲相控陣檢測原理

相控陣超聲檢測技術(shù)作為現(xiàn)階段工業(yè)探傷新興熱門技術(shù)，其源于軍事領(lǐng)域的雷達(dá)探測技術(shù)，后應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，隨著不斷發(fā)展，現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展迅速，目前相控陣技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入相對成熟階段。相控陣超聲核心技術(shù)在于超聲探頭（陣列換能器）通過將一個壓電晶片，分割成多個小單元，形成多個壓力晶片，規(guī)則排列這些陣元形成陣列?；诨莞? 菲涅原理，探頭發(fā)出聲波后，計算機(jī)通過計算控制各個小晶片的延遲時間使之干涉疊加形成相應(yīng)的波陣面，即相位控制，達(dá)到控制聲速角度偏轉(zhuǎn)和深度聚焦。（如圖2、圖3）

圖2 聲速角度偏轉(zhuǎn)

圖3 聲速聚焦

常用的陣列類型有線陣、環(huán)陣、矩陣。其圖像顯示模式有A掃、B 掃、S 掃、C 掃、D 掃五種模式。因相控陣具有射線檢測所具有的可記錄功能，可提供質(zhì)量追溯反查，同時其成像系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)B/C/D/S 等多種成像，使得檢測人員對缺陷的識別更加直觀，并且相比于射線檢測，其更加安全環(huán)保，與A 超相比，沿線掃查檢測效率更高等優(yōu)點(diǎn)（如圖4）。

圖4 掃描示意圖

4 相控陣解決方案

制冷行業(yè)壓力容器因其母材厚度一般在6-12mm，設(shè)計上通常使用V 型坡口，為解決上述難點(diǎn)問題，筆者在制冷壓力容器行業(yè)引進(jìn)相控陣檢測技術(shù)。以Q345R 材質(zhì)8mm 板厚，V 型坡口，單側(cè)坡口角度45°，焊縫寬度22mm 為例。具體實(shí)施方案如下

4.1 設(shè)備器材

表1 方案設(shè)備器材及其型號

4.2 方法步驟

方案采用橫波一次反射法進(jìn)行檢測，5M16 陣元線陣探頭，角度設(shè)定范圍為35～75°，配合楔塊進(jìn)行S 掃描，一次波掃描焊縫根部，二次波覆蓋焊縫及其熱影響區(qū)。依次建立聚集法則→設(shè)置探頭參數(shù)→探頭零點(diǎn)校準(zhǔn)→設(shè)置楔塊參數(shù)→楔塊校準(zhǔn)→設(shè)置焊縫形式→設(shè)置掃描參數(shù)→聲速校準(zhǔn)→角度補(bǔ)償校準(zhǔn)→制作TCG 曲線→調(diào)節(jié)掃查靈敏度和表面補(bǔ)償→校準(zhǔn)編碼器，作單面雙側(cè)沿線掃查＋扇掃描。必要時增加10～15°斜平行掃查。

圖5 相控陣檢測工裝方案示意圖

4.3 缺陷識別

檢測數(shù)據(jù)的有效性評價至少應(yīng)滿足以下要求：

a.數(shù)據(jù)是基于掃查步進(jìn)的設(shè)置而采集的；

b.采集的數(shù)據(jù)量滿足所檢測焊縫的長度要求；

c.數(shù)據(jù)的丟失量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，不允許超過整個掃查的一定比例，且不允許相鄰數(shù)據(jù)連續(xù)丟失。

確定以上檢測數(shù)據(jù)滿足要求后，按照缺陷評定標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合D 型顯示、C 型顯示、S 掃描確定缺陷的長度、水平位置、深度，結(jié)合A 型顯示確定缺陷的波幅。

除按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行幅度、長度測量外，還需要關(guān)注缺陷的深度及水平位置信息，不同缺陷出現(xiàn)的位置不同，比如坡口未熔合缺陷主要出現(xiàn)在坡口位置，而未焊透缺陷在根部。以此可通過缺陷的特征來判斷缺陷的類型。

5 結(jié)論

相控陣檢測技術(shù)近年來在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展迅速，本文利用相控陣檢測技術(shù)的以下優(yōu)點(diǎn)，將其引進(jìn)運(yùn)用到制冷行業(yè)：

5.1 檢測結(jié)果可記錄、反查；相較于射線檢測，效率更高，且更加安全環(huán)保。

5.2 其結(jié)果有多種成像顯示方式，可組合顯示甚至三維模擬，缺陷直觀、評定方便，相較A 超，對檢測人員要求更低。

5.3 無需前后移動探頭就能對焊縫進(jìn)行缺陷檢測，檢測速度快，效率高，可實(shí)現(xiàn)自動化檢測。

通過引進(jìn)相控陣檢測技術(shù)，有效解決了制冷行業(yè)含內(nèi)件的壓力容器的最后一道帶墊板焊環(huán)向封閉焊縫的無損檢測問題。同時提出了一套具體可實(shí)施的檢測方案，供各行業(yè)類似檢測困難的讀者參考借鑒。