相控阵技术在制冷压力容器环向封闭焊缝中的研究与应用

2020-12-10郭破江李敬一古湘龙侯华金张杰文

科学技术创新 2020年35期

郭破江李敬一古湘龙侯华金张杰文

（长沙格力暖通制冷设备有限公司，湖南长沙410600）

1 概述

制冷行业常用压力容器产品有换热器，经济器、分离容器、储罐等。其中经济器、分离容器、储罐一般为筒体两端采用封头密封结构。一般地，其筒体直径范围在325～1100mm 不等，厚度范围一般6～12mm。其主要功能是起闪蒸、补气增焓、气液分离等作用。其中筒体最后一端被封头封死的焊缝称之为最后一道环向封闭焊缝。（如图1 所示）

2 现状

制冷行业压力容器的A、B 类焊接接头系数一般均采用1.0，同时因其冷媒介质对含水量有严格要求，故在生产过程耐压试验一般不采用液压试验而采用气压试验。根据TSG 21-2016《固容规》3.2.10.2.2.2（4）（5）规定，制冷行业压力容器的A、B 类焊接接头需按要求进行全部无损检测。结合NB/T47012-2010《制冷装置用压力容器》9.6.2.2 规定，圆筒与封头的最后一道环向封闭焊缝，只有当筒体直径≤600mm 且采用不带垫板的气保焊打底时，才可不进行无损检测。因制冷压力容器对产品内部清洁度有严格要求，此类对接焊均采用带垫板焊减少焊口氧化物，故制冷行业压力容器的最后一道环向封闭焊缝无论直径大小均必须进行全部无损检测。

制冷行业所制造的经济器、分离容器等因其功能需闪蒸或进行气液分离，容器内部常常需组焊内件满足使用功能，因而产品的最后一道环向封闭焊缝受制于内部结构的影响（如下图1），无法进行射线检测。

对于A 型脉冲反射法超声检测，按NB/T47013.3-2015《承压设备无损检测》B 级检测标准要求，需进行单面双侧检测，实际焊口处的蝶形或椭圆形封头侧直边高度为25mm，其余为弧面，焊口封头侧无法达到锯齿形扫查宽度要求，故无法满足B级双侧检测要求。并且若采用A 超检测，需按TSG 21-2016《固容规》3.2.10.2.1 规定，附加射线检测或可记录的超声检测，目前承压设备可记录的超声检测，仅有TOFD 超声检测和相控阵超声检测。由于TOFD 检测厚度范围为大于等于12mm，制冷行业常用的经济器、分离容器常用厚度范围在6-12mm，故不适用。

图1 制冷压力容器产品结构之一

综上，射线检测受制于内件影响无法透照，A 超无法满足标准B 级检测要求，TOFD 作为可记录的超声检测受制于母材厚度不适用，故制冷行业压力容器筒体与封头的最后一道环向封闭焊缝的探伤成为难点。

3 超声相控阵检测原理

相控阵超声检测技术作为现阶段工业探伤新兴热门技术，其源于军事领域的雷达探测技术，后应用于医学领域，随着不断发展，现在工业领域发展迅速，目前相控阵技术已经进入相对成熟阶段。相控阵超声核心技术在于超声探头（阵列换能器）通过将一个压电晶片，分割成多个小单元，形成多个压力晶片，规则排列这些阵元形成阵列。基于惠更斯- 菲涅原理，探头发出声波后，计算机通过计算控制各个小晶片的延迟时间使之干涉叠加形成相应的波阵面，即相位控制，达到控制声速角度偏转和深度聚焦。（如图2、图3）

图2 声速角度偏转

图3 声速聚焦

常用的阵列类型有线阵、环阵、矩阵。其图像显示模式有A扫、B 扫、S 扫、C 扫、D 扫五种模式。因相控阵具有射线检测所具有的可记录功能，可提供质量追溯反查，同时其成像系统能够实现B/C/D/S 等多种成像，使得检测人员对缺陷的识别更加直观，并且相比于射线检测，其更加安全环保，与A 超相比，沿线扫查检测效率更高等优点（如图4）。

图4 扫描示意图

4 相控阵解决方案

制冷行业压力容器因其母材厚度一般在6-12mm，设计上通常使用V 型坡口，为解决上述难点问题，笔者在制冷压力容器行业引进相控阵检测技术。以Q345R 材质8mm 板厚，V 型坡口，单侧坡口角度45°，焊缝宽度22mm 为例。具体实施方案如下

4.1 设备器材

表1 方案设备器材及其型号

4.2 方法步骤

方案采用横波一次反射法进行检测，5M16 阵元线阵探头，角度设定范围为35～75°，配合楔块进行S 扫描，一次波扫描焊缝根部，二次波覆盖焊缝及其热影响区。依次建立聚集法则→设置探头参数→探头零点校准→设置楔块参数→楔块校准→设置焊缝形式→设置扫描参数→声速校准→角度补偿校准→制作TCG 曲线→调节扫查灵敏度和表面补偿→校准编码器，作单面双侧沿线扫查＋扇扫描。必要时增加10～15°斜平行扫查。