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        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

        2020-12-10 04:09:52郭破江李敬一古湘龍侯華金張杰文
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2020年35期
        關(guān)鍵詞:封頭環(huán)向掃查

        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(shí)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(yàn)一般不采用液壓試驗(yàn)而采用氣壓試驗(yàn)。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(shí),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(gè)壓電晶片,分割成多個(gè)小單元,形成多個(gè)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(jì)算機(jī)通過計(jì)算控制各個(gè)小晶片的延遲時(shí)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(shí)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(jì)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(shí)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(jià)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(shí)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。

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