一種特殊厚壁結(jié)構(gòu)T型焊接接頭相控陣檢測技術(shù)

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)督檢驗所，上海 201518)

近年來，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，在太陽能發(fā)電中應(yīng)用較廣，某迪拜項目中熔鹽儲罐是其關(guān)鍵設(shè)備，若發(fā)生質(zhì)量問題將嚴(yán)重影響整體項目運行。

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序來激發(fā)超聲脈沖信號，使超聲波陣面在聲場中某一點形成聚焦，增強對聲場中微小缺陷檢測的靈敏度，同時，可以利用對陣列的不同激勵時序在聲場中形成不同空間位置的聚焦而實現(xiàn)較大范圍的聲束掃查。因此，在超聲相控陣換能器不移動的前提下就可以實現(xiàn)大范圍內(nèi)高靈敏度的動態(tài)聚焦掃查，這正是超聲相控陣檢測技術(shù)的優(yōu)越特點，是常規(guī)超聲檢測不具備的，其在國內(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]。

本文主要對熔鹽儲罐大批量較大厚度嵌入板和接管特殊焊接結(jié)構(gòu)進行快速超聲相控陣檢測介紹，通過分析其特殊結(jié)構(gòu)特點，對比常規(guī)無損檢測方法，采用模擬仿真及試塊驗證，最終實際檢測發(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)簡介

嵌入板和接管特殊焊接結(jié)構(gòu)實物如圖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。實際焊接節(jié)點如圖2所示。

圖1 嵌入板和接管焊接結(jié)構(gòu)實物

此焊接結(jié)構(gòu)特點為：嵌入板壁厚較厚，同時在與接管進行焊接時，中間三分之一不進行焊接，也就是說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)計或加工不當(dāng)時，焊接作業(yè)時易產(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，對焊接質(zhì)量和后續(xù)無損檢測同樣有較大影響。

圖2 嵌入板和接管焊接節(jié)點

2 常規(guī)無損檢測方法檢測分析

2.1 射線檢測

對此結(jié)構(gòu)進行射線檢測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]。透照時采用的射線源電壓也是一個要考慮的重要因素，還要采取一些減少邊蝕的措施。對此結(jié)構(gòu)進行的射線檢測只能源在外，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

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

上述檢測均有一定的局限性：(1)接管直徑較小，人工在接管內(nèi)部檢測空間受限，同時嵌入板中間三分之一未進行焊接，需要對此位置進行識別，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，但漏檢位置加多，在嵌入板側(cè)超聲波需連續(xù)穿透二個壁厚，超聲波聲能損失較大，且一次反射波對結(jié)構(gòu)影響需仔細(xì)判別；(3)對向檢測可實施，但需探頭上下左右前后不停移動，同時判別結(jié)構(gòu)影響，超聲波穿透厚度較大，影響靈敏度和分辨率。不管哪個位置進行檢測，由于常規(guī)超聲檢測時沒有結(jié)構(gòu)建模功能，無法有效識別結(jié)構(gòu)信號，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，除非信號典型，否則很難分辨是否為未焊透或未熔合缺陷。

2.3 TOFD檢測

根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)或國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，TOFD衍射時差法超聲檢測一般應(yīng)用為對接全焊透低碳鋼焊縫，盡管根據(jù)其原理，采用一發(fā)一收可以檢測到此焊縫的衍射波信號，但表面波和底波判別和常規(guī)對接結(jié)構(gòu)差別較大，定位嚴(yán)重不準(zhǔn)，不易實施。

綜上所述，常規(guī)幾種無損檢測方法均不易或不宜實施。

3 相控陣檢測方法

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整體，而是由多個獨立小晶片單元組成的陣列，采用計算機軟件控制各晶片按照一定的延時發(fā)射和接收超聲波，再不移動探頭的情況下實現(xiàn)對被檢測區(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)域聲場信號強度、回波信號和信噪比，從而提高缺陷的檢出率以及缺陷的定量精度等[8]。針對此結(jié)構(gòu)決定采用相控陣檢測技術(shù)，檢測標(biāo)準(zhǔn)參照ASME第V卷，驗收參照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1 mm/1°，對向掃查，靈敏度采用?38 mm×2 mm橫孔回波。

3.1 工藝仿真

采用專用軟件進行工藝仿真(見圖3)，實際探頭放置如圖4所示。

3.2 試塊驗證

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

對模擬試塊進行缺陷模擬和驗證，檢測結(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，檢測均一次波檢出。

3.3 檢測實施

3.3.1 原工藝檢測結(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，檢測缺陷如圖8所示。

圖3 檢測工藝仿真

圖4 探頭實際放置位置示意圖

圖5 檢測用模擬試塊

圖6 檢測用模擬試塊實物

圖7 模擬試塊檢測結(jié)果

圖8 根部缺陷圖譜

對缺陷進行解剖分析，證實缺陷確實是根部未焊透，且長度較長，需調(diào)整焊接工藝。在此檢測過程中，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是否為缺陷信號，且工藝結(jié)構(gòu)輸入要基本反映焊接后的實際參數(shù)。通過對比分析，若是此位置焊接良好，根部信號不明顯，若焊接未熔合，A掃信號平滑上升，且保持一段長度后下降，且一側(cè)信號明顯，另一側(cè)檢測不明顯。另外，中間三分之一不焊接部分，超聲波是無法穿透的，因此其反映的圖像為非穿透聲波，而是為反射聲波的圖像，這一點務(wù)必要牢記。

3.3.2 調(diào)整工藝檢測

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

圖9 焊縫內(nèi)部夾渣缺陷圖

對缺陷返修處理，證實缺陷性質(zhì)，同時返修后未發(fā)現(xiàn)缺陷。

3.3.3 補充檢測

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

4 結(jié)語

此種T型焊接接頭的特點是壁厚較大，且中間三分之一不進行焊接，采用常規(guī)超聲波檢測和射線檢測有一定的局限性，同時TOFD檢測也無法實現(xiàn)，采用對向相控陣檢測可有效檢測易產(chǎn)生的缺陷，且檢測結(jié)果直觀可見。但要采用對比試塊進行驗證，同時注意中間三分之一不焊接部位的識別及對焊縫腰高部位進行表面補充檢測。