劉 泉, 金彥楓,張 崢,侯彥華,徐 成,張向英,程旺富

(上海藍濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518)

開架式海水氣化器是一種專門用于將液化天然氣(LNG)氣化的熱交換器，是LNG接受終端的關(guān)鍵設(shè)備之一。氣化器的基本單元是傳熱管。若干鋁合金星型傳熱管板狀排列，兩端與集氣管或集液管焊接形成一個板型管束，再由若干個管束板組成氣化器[1]。某項目開架式海水氣化器的板型管束如圖1所示，每個板型管束由86根等間距分布的鋁合金星型傳熱管與集氣管、集液管焊接而成。鋁合金星型傳熱管的材料牌號為SB-221 6063-T5，規(guī)格(直徑×壁厚，下同)為39 mm×9.5 mm；集管材料牌號為SB-241 5083，規(guī)格為165 mm×25 mm。鋁合金星型傳熱管與集管角焊縫的焊接方式為鎢極氬弧焊打底、熔化極惰性氣體保護焊(MIG)填充蓋面，焊接過程中易產(chǎn)生較多的焊接缺陷，常見氣孔、熱裂紋、未熔合、夾雜等[2]。

圖1 開架式海水氣化器板型管束

開架式海水氣化器設(shè)備是國產(chǎn)化的重點設(shè)備，其在設(shè)計、制造、檢驗及質(zhì)量控制方面要求十分嚴格。鋁合金星型傳熱管與集管角焊縫為該設(shè)備的主要焊接節(jié)點，通常使用滲透檢測技術(shù)來檢測其表面缺陷。為檢測該焊縫的內(nèi)部焊接質(zhì)量，筆者采用了多種工藝及工裝，成功對該結(jié)構(gòu)實施了射線檢測。

1 傳熱管與集管角焊縫結(jié)構(gòu)及缺陷分析

鋁合金星型傳熱管與集管角焊縫的結(jié)構(gòu)比較特殊，既不是插入式結(jié)構(gòu)，也不是安放式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的傳熱管加工有60°坡口，集管加工有30°坡口，坡口深度約為12 mm，焊縫結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳熱管與集管角焊縫排列緊密，焊縫間距僅為5.5 mm，其常見的焊接缺陷及成因分析如下。

圖2 星型傳熱管與集管角焊縫結(jié)構(gòu)示意

1.1 氣孔

鋁合金星型傳熱管及集管材料導(dǎo)熱系數(shù)大，焊接過程的加熱速度和冷卻速度較快，導(dǎo)致焊接時熔池中的氣體在凝固前不能及時逸出，形成氣孔缺陷(見圖3)。該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生氣孔主要原因為：① 焊接環(huán)境濕度過大；② 氣體保護不當(dāng)；③ 坡口存在油污、灰塵、氧化物等雜質(zhì)；④ 焊絲的氫含量過高；⑤ 人員操作不當(dāng)。

圖3 傳熱管與集管角焊縫的氣孔缺陷

1.2 未熔合

鋁合金星型傳熱管及集管的焊縫邊緣與坡口形成焊接死角，當(dāng)采用MIG焊進行蓋面時，若未能將靠近坡口邊緣的死角熔開，便會形成坡口未熔合。此結(jié)構(gòu)焊接時為水平固定焊，熔敷金屬易向集管坡口側(cè)流動，在傳熱管坡口側(cè)易產(chǎn)生坡口未熔合(見圖4)。

圖4 傳熱管坡口側(cè)未熔合缺陷

1.3 裂紋

鋁合金星型傳熱管及集管材料導(dǎo)熱系數(shù)大，焊縫在凝固過程中其晶界上易產(chǎn)生易熔共晶體，導(dǎo)致熱裂紋的產(chǎn)生。鋁合金星型傳熱管及集管材料線膨脹系數(shù)大(是普通碳鋼的2倍)且熱導(dǎo)率較高，焊接收弧處極其容易產(chǎn)生收縮凹坑從而使焊縫的內(nèi)應(yīng)力增加，很大程度地增加了熱裂紋產(chǎn)生的幾率。傳熱管與集管角焊縫縮孔裂紋缺陷如圖5所示。

圖5 傳熱管與集管角焊縫縮孔裂紋缺陷

1.4 夾雜

鋁合金星型傳熱管與集管在焊接前坡口、焊絲清理不徹底，焊后雜質(zhì)殘留在焊縫金屬中易形成夾雜缺陷(見圖6)。鎢極電流過大時，其與焊絲及坡口碰撞使端頭熔化落人熔池中，產(chǎn)生夾鎢缺陷。

圖6 傳熱管與集管角焊縫夾雜缺陷

2 傳熱管與集管角焊縫的射線檢測

2.1 透照方式

鋁合金星型傳熱管與集管角焊縫按照標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.2-2015要求，可采用源在外或源在內(nèi)的方式進行透照。集管尺寸較小，源在內(nèi)方式僅能采用γ射線源，在焊縫外側(cè)進行布片；源在外方式可采用X射線源，在集管內(nèi)進行布片。采用γ射線源和X射線源均可滿足透照要求，但從成像質(zhì)量方面分析，γ射線源照射影像的質(zhì)量不如X射線照射影像的，其原因為：① γ射線譜為線狀譜，而X射線譜為連續(xù)譜，且γ放射源能量不可調(diào)節(jié)；② γ放射源在集管內(nèi)的最大焦距為140 mm，X射線在集管外側(cè)，焦距不受空間限制；③ 焊縫結(jié)構(gòu)問題導(dǎo)致在集管外側(cè)布片時，膠片無法與焊縫貼合，而X射線采用專用的工裝可以實現(xiàn)布片。因此，采用X射線外透法實施檢測，在每條焊縫的兩側(cè)分別進行透照。

2.2 射線源

鋁合金材料的線性衰減系數(shù)很小，因此射線檢測的管電壓一般不能超過150 kV。對該結(jié)構(gòu)焊縫進行射線檢測時(焊縫穿透厚度約為30 mm)，允許的最高管電壓為110 kV，試驗采用XXG2005型X射線機，電壓設(shè)置為100 kV。

2.3 膠片布置

集管規(guī)格(直徑×長×壁厚)為115 mm×6 000 mm×25 mm，其內(nèi)徑小，長度大，在集管內(nèi)側(cè)布片時，操作人員無法將手深入集管內(nèi)部，不能準(zhǔn)確對準(zhǔn)焊縫與膠片的位置。采用專利“一種開架式海水氣化器角焊縫射線檢測專用工裝”對該結(jié)構(gòu)進行布片，布片工裝結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 布片工裝結(jié)構(gòu)示意

在利用該工裝進行射線透照時，要注意以下幾點：① 支撐板曲率半徑應(yīng)略小于集管內(nèi)半徑，使射線膠片能緊貼焊縫，盡量不留間隙；② 采用塑料等非金屬材料制作該工裝，避免對開架式氣化器造成接觸污染；③ 方條上下兩面均應(yīng)刻有刻度，刻度間距為傳熱管間距，通過刻度標(biāo)識來確定射線透照位置；④ 工裝支撐板上下面可翻轉(zhuǎn)重復(fù)使用，支撐板易磨損，需定期檢查更換；⑤ 方條長度應(yīng)大于集管長度的一半，從集管兩側(cè)管口分別導(dǎo)入即可覆蓋全部焊縫位置；⑥ 需在每條焊縫的兩側(cè)進行透照，透照時需注意布片方向與透照方向一致。

2.4 透照角

透照角的合理選擇關(guān)系著底片質(zhì)量及缺陷的檢出率。理論上，當(dāng)射線穿透方向與面積型缺陷平行時，缺陷最容易被檢出，裂紋檢出試驗表明，射線穿透方向與裂紋平面的夾角不大于10°時，裂紋檢出率約為80%，且識別情況變化不大；大于15°時，檢出率有所下降[3]。為了保證射線機可以按特定角度進行透照，特制作射線機放置工裝(見圖8)，既能保證射線束按照固定角度透照，又能防止射線機墜落損壞，同時保證適當(dāng)?shù)慕咕唷?/p>

鋁合金星型傳熱管與集管角焊縫傳熱管側(cè)坡口和集管側(cè)坡口角度均為 60°，理論上透照角度為30°時，射線束與坡口平行，對缺陷有較高的檢出率(特別是坡口未熔合)。為了驗證該理論，對鋁合金星型傳熱管與集管角焊縫分別進行透照角度為30°，45°，60°的透照試驗，透照底片如圖9所示。對底片質(zhì)量進行分析得出以下結(jié)論：① 透照角度為 30°時，底片焊縫影像黑度均勻，圖像畸變較小，底片靈敏度達到要求；② 透照角度為45°時，底片焊縫影像黑度不均勻，但基本滿足要求，圖像畸變較大，對缺陷有放大作用，底片靈敏度基本滿足要求；③ 透照角度為60°時，底片焊縫影像黑度基本與母材黑度相近，無法辨識焊縫，圖像畸變嚴重，影響缺陷評定，底片靈敏度嚴重下降，不能識別缺陷。

圖9 不同透照角度下的底片影像

理論分析和試驗結(jié)果表明,檢測該焊縫的最佳透照角度為30°，可以適當(dāng)增加透照角度，有利于辨識焊縫根部缺陷，但透照角度不宜大于45°，當(dāng)透照角大于45°時，射線透照厚度差過大，導(dǎo)致底片有效評定區(qū)黑度不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，靈敏度下降，造成焊縫缺陷漏檢。

2.5 一次透照長度

一次透照長度對照相質(zhì)量和工作效率都會產(chǎn)生影響，選擇較大的一次透照長度可以提高工作效率[4]，但隨著一次透照長度增大，透照厚度比增大，橫向缺陷檢出角也增大，會使射線照相的質(zhì)量降低。在實際檢測中，一次透照長度的確定要考慮有效照射場的范圍，并遵守標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定，由于焊縫排列較為密集，焊縫縱截面呈馬鞍面，在一段區(qū)域內(nèi)截面厚度變化比較復(fù)雜，所以參照小徑管的透照方法，AB級最低黑度為1.5，采用黑度范圍來確定一次透照長度。經(jīng)試驗，取長度為300 mm的膠片進行透照，每張底片的有效評定區(qū)為相鄰的4道焊縫(長度約為260 mm)，底片成像效果較好，均能達到相關(guān)要求。

3 結(jié)論

(1) 開架式海水氣化器鋁合金星型傳熱管與集管角焊縫由于結(jié)構(gòu)原因，采用射線檢測具有一定的困難，通過采用特定工裝及一系列的試驗確定合理的工藝，能夠有效提高焊縫缺陷的檢出率、底片黑度、檢測靈敏度等。

(2) 可將濾板放在射線機窗口處，屏蔽一部分散射線，吸收部分軟射線，使透過的射線均勻化，提高射線的有效能量，降低散射比，提高射線檢測圖像的對比度。

(3) 特殊工裝及透照角度的確定試驗在實際生產(chǎn)中有較高實用價值，廢鍋爐的水冷壁等相關(guān)重要結(jié)構(gòu)均可參照此法制定合理的工藝實施射線檢測。