金彥楓 顧丹峰 劉泉 侯彥華 苗剛 張鵬

(1．甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070；2．上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518； 3．上海市金山區(qū)特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，上海 201518)

近年來(lái)，新能源改變傳統(tǒng)能源應(yīng)用的弊端，正在高速發(fā)展，高溫熔鹽作為潛熱蓄熱相變材料的一種，在太陽(yáng)能發(fā)電中應(yīng)用較廣，某迪拜項(xiàng)目中熔鹽儲(chǔ)罐是其關(guān)鍵設(shè)備，若發(fā)生質(zhì)量問題將嚴(yán)重影響整體項(xiàng)目運(yùn)行。

超聲相控陣技術(shù)發(fā)展已有二三十年的歷史，其基本原理是利用指定排列的線陣列或面陣列的陣元按照一定時(shí)序來(lái)激發(fā)超聲脈沖信號(hào)，使超聲波陣面在聲場(chǎng)中某一點(diǎn)形成聚焦，增強(qiáng)對(duì)聲場(chǎng)中微小缺陷檢測(cè)的靈敏度，同時(shí)，可以利用對(duì)陣列的不同激勵(lì)時(shí)序在聲場(chǎng)中形成不同空間位置的聚焦而實(shí)現(xiàn)較大范圍的聲束掃查。因此，在超聲相控陣換能器不移動(dòng)的前提下就可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)高靈敏度的動(dòng)態(tài)聚焦掃查，這正是超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)越特點(diǎn)，是常規(guī)超聲檢測(cè)不具備的，其在國(guó)內(nèi)工業(yè)應(yīng)用已初具規(guī)模，在保障核電、軍工、壓力容器等起到了應(yīng)有的作用[1-6]。

本文主要對(duì)熔鹽儲(chǔ)罐大批量較大厚度嵌入板和接管特殊焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速超聲相控陣檢測(cè)介紹，通過分析其特殊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)比常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法，采用模擬仿真及試塊驗(yàn)證，最終實(shí)際檢測(cè)發(fā)現(xiàn)問題并調(diào)整焊接工藝，較好地保證了產(chǎn)品焊接質(zhì)量。

1 特殊T型焊接接頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

嵌入板和接管特殊焊接結(jié)構(gòu)實(shí)物如圖1所示，其中嵌入板的壁厚為90 mm，材料為A-516 Gr.70N，接管尺寸為?168.3 mm×10.97 mm，材料為A 335 Gr.F11。實(shí)際焊接節(jié)點(diǎn)如圖2所示。

圖1 嵌入板和接管焊接結(jié)構(gòu)實(shí)物

此焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：嵌入板壁厚較厚，同時(shí)在與接管進(jìn)行焊接時(shí)，中間三分之一不進(jìn)行焊接，也就是說(shuō)中間三分之一嵌入板和接管完全不接觸，這種非全焊透結(jié)構(gòu)對(duì)坡口加工和焊接操作均提出了較高的要求。當(dāng)嵌入板坡口設(shè)計(jì)或加工不當(dāng)時(shí)，焊接作業(yè)時(shí)易產(chǎn)生根部未焊透和嵌入板側(cè)坡口未熔合等缺陷。接管直徑較小，嵌入板較厚，對(duì)焊接質(zhì)量和后續(xù)無(wú)損檢測(cè)同樣有較大影響。

圖2 嵌入板和接管焊接節(jié)點(diǎn)

2 常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法檢測(cè)分析

2.1 射線檢測(cè)

對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行射線檢測(cè)最大問題是大厚度差問題。此嵌入板厚度很大，和接管焊接后，透照厚度差較大，這樣就導(dǎo)致底片黑度差較大，黑度過低或過高，這都會(huì)影響射線照相靈敏度，還有厚度差大導(dǎo)致邊蝕效應(yīng)，影響判別，容易漏檢較小缺陷[7]。透照時(shí)采用的射線源電壓也是一個(gè)要考慮的重要因素，還要采取一些減少邊蝕的措施。對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行的射線檢測(cè)只能源在外，底片在接管內(nèi)部，效率低下，且拍攝的底片很多未發(fā)現(xiàn)根部缺陷，造成漏檢，在此不再累敘和展示射線底片。

2.2 超聲檢測(cè)

常規(guī)超聲檢測(cè)需要采用完備的檢測(cè)工藝，就檢測(cè)位置來(lái)說(shuō)有以下幾種方式：(1)采用直探頭在接管內(nèi)部對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)；(2)采用斜探頭放置在嵌入板側(cè)或接管側(cè)采用一次反射波進(jìn)行檢測(cè)；(3)采用斜探頭放置在嵌入板側(cè)采用一次波檢測(cè)對(duì)向焊縫。

上述檢測(cè)均有一定的局限性：(1)接管直徑較小，人工在接管內(nèi)部檢測(cè)空間受限，同時(shí)嵌入板中間三分之一未進(jìn)行焊接，需要對(duì)此位置進(jìn)行識(shí)別，否則容易把根部缺陷漏檢或誤判未焊接位置為焊接缺陷；(2)采用一次反射波可部分檢測(cè)，但漏檢位置加多，在嵌入板側(cè)超聲波需連續(xù)穿透二個(gè)壁厚，超聲波聲能損失較大，且一次反射波對(duì)結(jié)構(gòu)影響需仔細(xì)判別；(3)對(duì)向檢測(cè)可實(shí)施，但需探頭上下左右前后不停移動(dòng)，同時(shí)判別結(jié)構(gòu)影響，超聲波穿透厚度較大，影響靈敏度和分辨率。不管哪個(gè)位置進(jìn)行檢測(cè)，由于常規(guī)超聲檢測(cè)時(shí)沒有結(jié)構(gòu)建模功能，無(wú)法有效識(shí)別結(jié)構(gòu)信號(hào)，尤其是內(nèi)部三分之一未焊接部位，其兩側(cè)焊接后非常容易產(chǎn)生端角信號(hào)，除非信號(hào)典型，否則很難分辨是否為未焊透或未熔合缺陷。

2.3 TOFD檢測(cè)

根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，TOFD衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)一般應(yīng)用為對(duì)接全焊透低碳鋼焊縫，盡管根據(jù)其原理，采用一發(fā)一收可以檢測(cè)到此焊縫的衍射波信號(hào)，但表面波和底波判別和常規(guī)對(duì)接結(jié)構(gòu)差別較大，定位嚴(yán)重不準(zhǔn)，不易實(shí)施。

綜上所述，常規(guī)幾種無(wú)損檢測(cè)方法均不易或不宜實(shí)施。

3 相控陣檢測(cè)方法

相控陣所使用的探頭不同于常規(guī)超聲探頭，壓電晶片不再是一個(gè)整體，而是由多個(gè)獨(dú)立小晶片單元組成的陣列，采用計(jì)算機(jī)軟件控制各晶片按照一定的延時(shí)發(fā)射和接收超聲波，再不移動(dòng)探頭的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)區(qū)域的掃查、偏轉(zhuǎn)與聚焦等功能操作。利用聚焦特性，相控陣技術(shù)可以提高聚焦區(qū)域聲場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度、回波信號(hào)和信噪比，從而提高缺陷的檢出率以及缺陷的定量精度等[8]。針對(duì)此結(jié)構(gòu)決定采用相控陣檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)參照ASME第V卷，驗(yàn)收參照ASME第Ⅷ.1卷APPENDIX 12。

相控陣設(shè)備采用奧林巴斯的OMNISX系列，編碼器為ENC1-2.5-LM，周向掃查架HST-LITE/PA-LEFT，斜楔SA32-N55S-IHC，探頭為5L64-A32，濾波帶寬頻率2.5～8 MHz，16晶片，晶片間距0.5 mm，S掃查，步進(jìn)1 mm/1°，對(duì)向掃查，靈敏度采用?38 mm×2 mm橫孔回波。

3.1 工藝仿真

采用專用軟件進(jìn)行工藝仿真(見圖3)，實(shí)際探頭放置如圖4所示。

3.2 試塊驗(yàn)證

檢測(cè)前按照實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)制作試塊，試塊材料和產(chǎn)品一致，焊接節(jié)點(diǎn)和焊接方法一致，分別在試塊的嵌入板測(cè)上表面附近、焊縫中部、焊縫根部位置附近加工?38 mm×2 mm的三個(gè)橫孔(見圖5)，試塊實(shí)物如圖6所示。

對(duì)模擬試塊進(jìn)行缺陷模擬和驗(yàn)證，檢測(cè)結(jié)果如圖7所示，從圖中可看出，模擬缺陷很好地被檢出，且缺陷定位較為準(zhǔn)確，檢測(cè)均一次波檢出。

3.3 檢測(cè)實(shí)施

3.3.1 原工藝檢測(cè)結(jié)果

原焊接工藝為坡口角度30°，當(dāng)初考慮減少焊接及機(jī)加工工作量，但由于坡口角度較小，采用手工電弧焊操作空間有限，對(duì)焊接操作人員要求很高，在根部位置大量產(chǎn)生未焊透缺陷，檢測(cè)缺陷如圖8所示。

圖3 檢測(cè)工藝仿真

圖4 探頭實(shí)際放置位置示意圖

圖5 檢測(cè)用模擬試塊

圖6 檢測(cè)用模擬試塊實(shí)物

圖7 模擬試塊檢測(cè)結(jié)果

圖8 根部缺陷圖譜

對(duì)缺陷進(jìn)行解剖分析，證實(shí)缺陷確實(shí)是根部未焊透，且長(zhǎng)度較長(zhǎng)，需調(diào)整焊接工藝。在此檢測(cè)過程中，需要采用焊接不見幾何結(jié)構(gòu)建模功能，以便很好的分辨內(nèi)部三分之一未焊接部位的根部信號(hào)是否為缺陷信號(hào)，且工藝結(jié)構(gòu)輸入要基本反映焊接后的實(shí)際參數(shù)。通過對(duì)比分析，若是此位置焊接良好，根部信號(hào)不明顯，若焊接未熔合，A掃信號(hào)平滑上升，且保持一段長(zhǎng)度后下降，且一側(cè)信號(hào)明顯，另一側(cè)檢測(cè)不明顯。另外，中間三分之一不焊接部分，超聲波是無(wú)法穿透的，因此其反映的圖像為非穿透聲波，而是為反射聲波的圖像，這一點(diǎn)務(wù)必要牢記。

3.3.2 調(diào)整工藝檢測(cè)

更改焊接工藝節(jié)點(diǎn)，改變坡口角度30°為45°，增加操作空間，再次進(jìn)行檢測(cè)，根部缺陷消失，僅個(gè)別焊縫發(fā)現(xiàn)夾渣缺陷，如圖9所示。

圖9 焊縫內(nèi)部夾渣缺陷圖

對(duì)缺陷返修處理，證實(shí)缺陷性質(zhì)，同時(shí)返修后未發(fā)現(xiàn)缺陷。

3.3.3 補(bǔ)充檢測(cè)

針對(duì)此焊接結(jié)構(gòu)，由于有焊縫腰高，相控陣檢測(cè)時(shí)根據(jù)工藝模擬對(duì)腰高部位不能全部掃查到位，可采用磁粉表面檢測(cè)進(jìn)行補(bǔ)充檢測(cè)，由于磁粉檢測(cè)可檢出表面下3 mm內(nèi)缺陷，且靈敏度很高，完全可以完成對(duì)此焊縫的補(bǔ)充覆蓋。磁粉檢測(cè)1280臺(tái)設(shè)備、2560道焊縫未發(fā)現(xiàn)缺陷。

4 結(jié)語(yǔ)

此種T型焊接接頭的特點(diǎn)是壁厚較大，且中間三分之一不進(jìn)行焊接，采用常規(guī)超聲波檢測(cè)和射線檢測(cè)有一定的局限性，同時(shí)TOFD檢測(cè)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)，采用對(duì)向相控陣檢測(cè)可有效檢測(cè)易產(chǎn)生的缺陷，且檢測(cè)結(jié)果直觀可見。但要采用對(duì)比試塊進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)注意中間三分之一不焊接部位的識(shí)別及對(duì)焊縫腰高部位進(jìn)行表面補(bǔ)充檢測(cè)。