一种特殊厚壁结构T型焊接接头相控阵检测技术

金彦枫 顾丹峰 刘泉 侯彦华 苗刚 张鹏

(1．甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃 兰州 730070；2．上海蓝滨石化设备有限责任公司，上海 201518； 3．上海市金山区特种设备监督检验所，上海 201518)

近年来，新能源改变传统能源应用的弊端，正在高速发展，高温熔盐作为潜热蓄热相变材料的一种，在太阳能发电中应用较广，某迪拜项目中熔盐储罐是其关键设备，若发生质量问题将严重影响整体项目运行。

超声相控阵技术发展已有二三十年的历史，其基本原理是利用指定排列的线阵列或面阵列的阵元按照一定时序来激发超声脉冲信号，使超声波阵面在声场中某一点形成聚焦，增强对声场中微小缺陷检测的灵敏度，同时，可以利用对阵列的不同激励时序在声场中形成不同空间位置的聚焦而实现较大范围的声束扫查。因此，在超声相控阵换能器不移动的前提下就可以实现大范围内高灵敏度的动态聚焦扫查，这正是超声相控阵检测技术的优越特点，是常规超声检测不具备的，其在国内工业应用已初具规模，在保障核电、军工、压力容器等起到了应有的作用[1-6]。

本文主要对熔盐储罐大批量较大厚度嵌入板和接管特殊焊接结构进行快速超声相控阵检测介绍，通过分析其特殊结构特点，对比常规无损检测方法，采用模拟仿真及试块验证，最终实际检测发现问题并调整焊接工艺，较好地保证了产品焊接质量。

1 特殊T型焊接接头结构简介

嵌入板和接管特殊焊接结构实物如图1所示，其中嵌入板的壁厚为90 mm，材料为A-516 Gr.70N，接管尺寸为∅168.3 mm×10.97 mm，材料为A 335 Gr.F11。实际焊接节点如图2所示。

图1 嵌入板和接管焊接结构实物

此焊接结构特点为：嵌入板壁厚较厚，同时在与接管进行焊接时，中间三分之一不进行焊接，也就是说中间三分之一嵌入板和接管完全不接触，这种非全焊透结构对坡口加工和焊接操作均提出了较高的要求。当嵌入板坡口设计或加工不当时，焊接作业时易产生根部未焊透和嵌入板侧坡口未熔合等缺陷。接管直径较小，嵌入板较厚，对焊接质量和后续无损检测同样有较大影响。

图2 嵌入板和接管焊接节点

2 常规无损检测方法检测分析

2.1 射线检测

对此结构进行射线检测最大问题是大厚度差问题。此嵌入板厚度很大，和接管焊接后，透照厚度差较大，这样就导致底片黑度差较大，黑度过低或过高，这都会影响射线照相灵敏度，还有厚度差大导致边蚀效应，影响判别，容易漏检较小缺陷[7]。透照时采用的射线源电压也是一个要考虑的重要因素，还要采取一些减少边蚀的措施。对此结构进行的射线检测只能源在外，底片在接管内部，效率低下，且拍摄的底片很多未发现根部缺陷，造成漏检，在此不再累叙和展示射线底片。

2.2 超声检测

常规超声检测需要采用完备的检测工艺，就检测位置来说有以下几种方式：(1)采用直探头在接管内部对焊缝进行检测；(2)采用斜探头放置在嵌入板侧或接管侧采用一次反射波进行检测；(3)采用斜探头放置在嵌入板侧采用一次波检测对向焊缝。

上述检测均有一定的局限性：(1)接管直径较小，人工在接管内部检测空间受限，同时嵌入板中间三分之一未进行焊接，需要对此位置进行识别，否则容易把根部缺陷漏检或误判未焊接位置为焊接缺陷；(2)采用一次反射波可部分检测，但漏检位置加多，在嵌入板侧超声波需连续穿透二个壁厚，超声波声能损失较大，且一次反射波对结构影响需仔细判别；(3)对向检测可实施，但需探头上下左右前后不停移动，同时判别结构影响，超声波穿透厚度较大，影响灵敏度和分辨率。不管哪个位置进行检测，由于常规超声检测时没有结构建模功能，无法有效识别结构信号，尤其是内部三分之一未焊接部位，其两侧焊接后非常容易产生端角信号，除非信号典型，否则很难分辨是否为未焊透或未熔合缺陷。

2.3 TOFD检测

根据ASME标准或国内标准，TOFD衍射时差法超声检测一般应用为对接全焊透低碳钢焊缝，尽管根据其原理，采用一发一收可以检测到此焊缝的衍射波信号，但表面波和底波判别和常规对接结构差别较大，定位严重不准，不易实施。

综上所述，常规几种无损检测方法均不易或不宜实施。

3 相控阵检测方法

相控阵所使用的探头不同于常规超声探头，压电晶片不再是一个整体，而是由多个独立小晶片单元组成的阵列，采用计算机软件控制各晶片按照一定的延时发射和接收超声波，再不移动探头的情况下实现对被检测区域的扫查、偏转与聚焦等功能操作。利用聚焦特性，相控阵技术可以提高聚焦区域声场信号强度、回波信号和信噪比，从而提高缺陷的检出率以及缺陷的定量精度等[8]。针对此结构决定采用相控阵检测技术，检测标准参照ASME第V卷，验收参照ASME第Ⅷ.1卷APPENDIX 12。

相控阵设备采用奥林巴斯的OMNISX系列，编码器为ENC1-2.5-LM，周向扫查架HST-LITE/PA-LEFT，斜楔SA32-N55S-IHC，探头为5L64-A32，滤波带宽频率2.5～8 MHz，16晶片，晶片间距0.5 mm，S扫查，步进1 mm/1°，对向扫查，灵敏度采用∅38 mm×2 mm横孔回波。

3.1 工艺仿真

采用专用软件进行工艺仿真(见图3)，实际探头放置如图4所示。

3.2 试块验证

检测前按照实际产品结构制作试块，试块材料和产品一致，焊接节点和焊接方法一致，分别在试块的嵌入板测上表面附近、焊缝中部、焊缝根部位置附近加工∅38 mm×2 mm的三个横孔(见图5)，试块实物如图6所示。

对模拟试块进行缺陷模拟和验证，检测结果如图7所示，从图中可看出，模拟缺陷很好地被检出，且缺陷定位较为准确，检测均一次波检出。

3.3 检测实施

3.3.1 原工艺检测结果

原焊接工艺为坡口角度30°，当初考虑减少焊接及机加工工作量，但由于坡口角度较小，采用手工电弧焊操作空间有限，对焊接操作人员要求很高，在根部位置大量产生未焊透缺陷，检测缺陷如图8所示。

图3 检测工艺仿真

图4 探头实际放置位置示意图

图5 检测用模拟试块

图6 检测用模拟试块实物

图7 模拟试块检测结果

图8 根部缺陷图谱

对缺陷进行解剖分析，证实缺陷确实是根部未焊透，且长度较长，需调整焊接工艺。在此检测过程中，需要采用焊接不见几何结构建模功能，以便很好的分辨内部三分之一未焊接部位的根部信号是否为缺陷信号，且工艺结构输入要基本反映焊接后的实际参数。通过对比分析，若是此位置焊接良好，根部信号不明显，若焊接未熔合，A扫信号平滑上升，且保持一段长度后下降，且一侧信号明显，另一侧检测不明显。另外，中间三分之一不焊接部分，超声波是无法穿透的，因此其反映的图像为非穿透声波，而是为反射声波的图像，这一点务必要牢记。

3.3.2 调整工艺检测

更改焊接工艺节点，改变坡口角度30°为45°，增加操作空间，再次进行检测，根部缺陷消失，仅个别焊缝发现夹渣缺陷，如图9所示。

图9 焊缝内部夹渣缺陷图

对缺陷返修处理，证实缺陷性质，同时返修后未发现缺陷。

3.3.3 补充检测

针对此焊接结构，由于有焊缝腰高，相控阵检测时根据工艺模拟对腰高部位不能全部扫查到位，可采用磁粉表面检测进行补充检测，由于磁粉检测可检出表面下3 mm内缺陷，且灵敏度很高，完全可以完成对此焊缝的补充覆盖。磁粉检测1280台设备、2560道焊缝未发现缺陷。

4 结语

此种T型焊接接头的特点是壁厚较大，且中间三分之一不进行焊接，采用常规超声波检测和射线检测有一定的局限性，同时TOFD检测也无法实现，采用对向相控阵检测可有效检测易产生的缺陷，且检测结果直观可见。但要采用对比试块进行验证，同时注意中间三分之一不焊接部位的识别及对焊缝腰高部位进行表面补充检测。