相控陣技術在制冷壓力容器環向封閉焊縫中的研究與應用

郭破江 李敬一 古湘龍 侯華金 張杰文

（長沙格力暖通制冷設備有限公司，湖南 長沙410600）

1 概述

制冷行業常用壓力容器產品有換熱器，經濟器、分離容器、儲罐等。其中經濟器、分離容器、儲罐一般為筒體兩端采用封頭密封結構。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向封閉焊縫。（如圖1 所示）

2 現狀

制冷行業壓力容器的A、B 類焊接接頭系數一般均采用1.0，同時因其冷媒介質對含水量有嚴格要求，故在生產過程耐壓試驗一般不采用液壓試驗而采用氣壓試驗。根據TSG 21-2016《固容規》3.2.10.2.2.2（4）（5）規定，制冷行業壓力容器的A、B 類焊接接頭需按要求進行全部無損檢測。結合NB/T47012-2010《制冷裝置用壓力容器》9.6.2.2 規定，圓筒與封頭的最后一道環向封閉焊縫，只有當筒體直徑≤600mm 且采用不帶墊板的氣保焊打底時，才可不進行無損檢測。因制冷壓力容器對產品內部清潔度有嚴格要求，此類對接焊均采用帶墊板焊減少焊口氧化物，故制冷行業壓力容器的最后一道環向封閉焊縫無論直徑大小均必須進行全部無損檢測。

制冷行業所制造的經濟器、分離容器等因其功能需閃蒸或進行氣液分離，容器內部常常需組焊內件滿足使用功能，因而產品的最后一道環向封閉焊縫受制于內部結構的影響（如下圖1），無法進行射線檢測。

對于A 型脈沖反射法超聲檢測，按NB/T47013.3-2015《承壓設備無損檢測》B 級檢測標準要求，需進行單面雙側檢測，實際焊口處的蝶形或橢圓形封頭側直邊高度為25mm，其余為弧面，焊口封頭側無法達到鋸齒形掃查寬度要求，故無法滿足B級雙側檢測要求。并且若采用A 超檢測，需按TSG 21-2016《固容規》3.2.10.2.1 規定，附加射線檢測或可記錄的超聲檢測，目前承壓設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，制冷行業常用的經濟器、分離容器常用厚度范圍在6-12mm，故不適用。

圖1 制冷壓力容器產品結構之一

綜上，射線檢測受制于內件影響無法透照，A 超無法滿足標準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，故制冷行業壓力容器筒體與封頭的最后一道環向封閉焊縫的探傷成為難點。

3 超聲相控陣檢測原理

相控陣超聲檢測技術作為現階段工業探傷新興熱門技術，其源于軍事領域的雷達探測技術，后應用于醫學領域，隨著不斷發展，現在工業領域發展迅速，目前相控陣技術已經進入相對成熟階段。相控陣超聲核心技術在于超聲探頭（陣列換能器）通過將一個壓電晶片，分割成多個小單元，形成多個壓力晶片，規則排列這些陣元形成陣列。基于惠更斯- 菲涅原理，探頭發出聲波后，計算機通過計算控制各個小晶片的延遲時間使之干涉疊加形成相應的波陣面，即相位控制，達到控制聲速角度偏轉和深度聚焦。（如圖2、圖3）

圖2 聲速角度偏轉

圖3 聲速聚焦

常用的陣列類型有線陣、環陣、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，可提供質量追溯反查，同時其成像系統能夠實現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，其更加安全環保，與A 超相比，沿線掃查檢測效率更高等優點（如圖4）。

圖4 掃描示意圖

4 相控陣解決方案

制冷行業壓力容器因其母材厚度一般在6-12mm，設計上通常使用V 型坡口，為解決上述難點問題，筆者在制冷壓力容器行業引進相控陣檢測技術。以Q345R 材質8mm 板厚，V 型坡口，單側坡口角度45°，焊縫寬度22mm 為例。具體實施方案如下

4.1 設備器材

表1 方案設備器材及其型號

4.2 方法步驟

方案采用橫波一次反射法進行檢測，5M16 陣元線陣探頭，角度設定范圍為35～75°，配合楔塊進行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。依次建立聚集法則→設置探頭參數→探頭零點校準→設置楔塊參數→楔塊校準→設置焊縫形式→設置掃描參數→聲速校準→角度補償校準→制作TCG 曲線→調節掃查靈敏度和表面補償→校準編碼器，作單面雙側沿線掃查＋扇掃描。必要時增加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

檢測數據的有效性評價至少應滿足以下要求：

a.數據是基于掃查步進的設置而采集的；

b.采集的數據量滿足所檢測焊縫的長度要求；

c.數據的丟失量滿足標準要求，不允許超過整個掃查的一定比例，且不允許相鄰數據連續丟失。

確定以上檢測數據滿足要求后，按照缺陷評定標準要求，結合D 型顯示、C 型顯示、S 掃描確定缺陷的長度、水平位置、深度，結合A 型顯示確定缺陷的波幅。

除按照標準要求進行幅度、長度測量外，還需要關注缺陷的深度及水平位置信息，不同缺陷出現的位置不同，比如坡口未熔合缺陷主要出現在坡口位置，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 結論

相控陣檢測技術近年來在工業領域發展迅速，本文利用相控陣檢測技術的以下優點，將其引進運用到制冷行業：

5.1 檢測結果可記錄、反查；相較于射線檢測，效率更高，且更加安全環保。

5.2 其結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 無需前后移動探頭就能對焊縫進行缺陷檢測，檢測速度快，效率高，可實現自動化檢測。

通過引進相控陣檢測技術，有效解決了制冷行業含內件的壓力容器的最后一道帶墊板焊環向封閉焊縫的無損檢測問題。同時提出了一套具體可實施的檢測方案，供各行業類似檢測困難的讀者參考借鑒。