高壓儲氫容器接管焊縫檢測方法及裝置與流程

本發明涉及一種高壓儲氫容器接管焊縫檢測方法及裝置。具體是固定式高壓儲氫用鋼帶錯繞式容器接管鍛件與半球形封頭對接焊縫及熱影響區缺陷檢測超聲相控陣檢測方法和檢測裝置。

背景技術：

固定式高壓儲氫用鋼帶錯繞式容器是我國自主研發、設計的產品，具有如下優點：

(1)適用于制造高參數氫氣儲罐：容器由薄或中厚鋼板和扁平鋼帶制成，長度和壁厚不受限制。中國目前已具備制造直徑2500mm，長度30m的全多層高壓容器的能力。

(2)具有抑爆抗爆功能：在工作壓力下，失效方式為“只漏不爆”，不會發生整體脆性破壞。

(3)缺陷分散：容器周身無深環焊縫，且繞帶層與容器封頭采用相互錯開的階梯狀斜面焊縫代替傳統的對接焊縫，不僅增大焊縫承載面積、提高焊縫結構可靠性，而且實現了筒體與封頭應力水平的平滑過渡。

(4)健康狀態可在線監測：容器的雙層封頭結構和帶有保護殼的鋼帶錯繞筒體結構為實現區域全覆蓋的氫氣泄漏在線監測提供了條件。

(5)制造經濟簡便：容器的內筒僅為筒體總厚度的1/8-1/6，加工質量易于保證。筒體厚度大部分由鋼帶層構成，鋼帶成本低廉、焊接質量可靠，且僅在鋼帶兩端進行焊接，大大減少了焊接和無損檢測的工作量，還避免了深、厚環焊縫和整體熱處理，因此制造中無需使用大、重型設備。

為保證容器的安全使用，固定式高壓儲氫用鋼帶錯繞式容器每隔一定周期應進行定期檢驗。固定式高壓儲氫用鋼帶錯繞式容器的埋藏缺陷檢測是定期檢驗的難點，而固定式高壓儲氫用鋼帶錯繞式容器接管鍛件與半球形封頭對接焊縫及熱影響區埋藏缺陷檢測是其定期檢驗關鍵。原因在于該部件為單層結構，缺陷擴展會造成容器破裂，而其他部位是雙層或多層結構，單層缺陷不會造成容器的整體破裂。因此宜采用合適的方法對固定式高壓儲氫用鋼帶錯繞式容器接管鍛件與半球形封頭對接焊縫及熱影響區埋藏缺陷進行檢驗。鑒于該容器結構的特殊性，在國內外還沒有現成的檢驗方法和檢測裝置。

常規的無損檢測方法主要有射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測和滲透檢測。但磁粉檢測和滲透檢測無法探測出焊縫內部缺陷，而常規射線檢測對厚壁容器面積型缺陷檢測靈敏度較低。超聲檢測具有操作方便、分辨率高、成本低、適應面廣、對厚壁容器面積型缺陷檢測靈敏度較高等優點，但接管鍛件與半球形封頭對接焊縫及熱影響區超聲檢測具體有以下難點：球型封頭為雙層結構，在球型封頭外表面檢測時，由于聲束被層板中間空隙擋住，無法檢測內層板焊縫缺陷，而在焊縫接管側由于空間限制難以進行檢測標準規定的掃查，因此該焊縫外表面兩側的超聲檢測均難以滿足檢測標準的要求，且無法保證各類缺陷的有效檢測。目前國內外沒有對此類結構焊縫進行成功檢測的報道。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是，克服現有技術中的不足，提出一種高壓儲氫容器接管焊縫檢測方法及裝置。

為解決該技術問題，本發明的解決方案是：

提供一種高壓儲氫容器接管焊縫檢測裝置，包括超聲波檢測儀和相控陣探頭；所述相控陣探頭是曲面晶片超聲相控陣探頭，在其主體表面裝有曲面晶片；該裝置還包括探頭安裝架子、空心螺桿、螺桿基座和手輪，探頭安裝架子固定在空心螺桿的首端；螺桿基座中心設有帶螺紋的通孔，空心螺桿外表面設有與之匹配的螺紋，螺桿基座套裝于空心螺桿上；手輪的中心設通孔，手輪固定套接在空心螺桿的末端；所述探頭線穿過空心螺桿，用于連接超聲波檢測儀與相控陣探頭。

本發明中，所述探頭安裝架子呈凹字形，其內部的底面裝有彈簧，所述相控陣探頭安裝于探頭安裝架子內部且與彈簧直接接觸，彈簧通過一定的壓縮量保證相控陣探頭與檢測面保持一定的壓力；探頭安裝架子通過焊接、螺接或卡接方式與空心螺桿相連。

本發明中，所述曲面晶片的曲率與接管內表面的曲率保持一致。

本發明中，所述探頭安裝架子的末端固定安裝有擋板，擋板由長條形金屬(薄)板和設于兩端的彈性橡膠材質的凸面半圓環組成。

本發明中，所述螺桿基座呈圓形杯狀，中間為沉孔，其軸向的截面呈凹字形；在螺桿基座的環形突出部分上設置多個螺孔，在突出部分的內側設斜面墊圈。

本發明中，所述空心螺桿的末端設有滑環，所述探頭線分為兩段，并由滑環實現對接。其中，滑環通常安裝在設備的旋轉中心，主要由“轉子”與“定子”兩大部分組成，是負責為旋轉體連通、輸送能源與信號的電氣部件，已有定型產品，信號線與之通常采用焊接方式。

本發明中，所述螺桿基座上設置耦合劑注入孔。

本發明進一步提供了利用前述裝置實現高壓儲氫容器接管焊縫檢測的方法，包括下述步驟：

(1)將相控陣探頭伸入接管內部最里端，并使擋板與容器內壁相碰；利用螺桿基座將裝置固定在接管的末端，然后向空心螺桿與接管之間的空隙中注入高分子凝膠作為耦合劑；

(2)啟動超聲波檢測儀，通過轉動手輪使相控陣探頭在接管內部做周向運動的同時，沿接管內部產生縱向位移；即，相控陣探頭在作周向螺旋形掃查的同時，也一并完成縱向扇形掃查；

(3)在掃查過程中觀察超聲波檢測儀顯示的掃描圖像，如發現缺陷或有疑問時停止驅動空心螺桿，并反方向轉動手輪驅動空心螺桿和相控陣探頭，進行復檢。

與現有技術相比，本發明的有益效果在于：

1、通過利用超聲相控陣檢測方法和檢測裝置，可實現容器接管鍛件與半球形封頭對接焊縫及熱影響區缺陷檢測，檢測操作簡便。

2、本發明采用相控陣技術，可實現A、B、S等多種掃查的實時成像，從而解決復雜結構輪廓回波的判斷問題，探頭進入接管內部，縱向采用左右45°電子扇形掃查，可保證焊縫所有體積型缺陷和常規超聲方法最難檢出的縱向缺陷能有效地檢出，同時左右45°電子扇形掃查，使聲束路徑不斷變化，可保證大多數面積型缺陷能可靠地檢測，個別方向的面積型缺陷可結合外壁超聲檢測來解決。周向采用手動方式驅動螺桿進行螺旋形掃查，保證檢測覆蓋率，使檢測精度和檢測可靠性明顯提高。

附圖說明

圖1為固定式高壓儲氫用鋼帶錯繞式容器結構圖；

圖2為高壓儲氫容器接管焊縫檢測裝置的總體結構框圖；

圖3為曲面晶片超聲相控陣探頭示意圖；

圖4為擋板示意圖；

圖5為探頭安裝架子示意圖；

圖6為探頭安裝示意圖

圖7為空心螺桿示意圖；

圖8為螺桿基座示意圖；

圖9為電子扇形掃查示意圖；

圖10為外表面超聲補充掃查示意圖。

附圖標記說明：

上封頭1、上接口座組合件2、氫氣傳感器接管3、加強箍4、內筒5、鋼帶6、保護殼7、下封頭8、下接口座9、鞍座組件10、擋板11、探頭安裝架子12、相控陣探頭13、螺桿基座14、手輪15、空心螺桿16、探頭線滑環17、探頭線18、超聲波檢測儀19，焊縫及熱影響區20、曲面晶片21、半圓環22、安裝孔23、壓縮彈簧24、螺孔25、螺釘26、斜面墊圈27、螺釘28、斜探頭29、橫向缺陷30、面積型缺陷31、直探頭32。

具體實施方式

固定式高壓儲氫用鋼帶錯繞式容器是一種繞帶式多層容器，典型結構如圖1所示。包括上封頭1、上接口座組合件2、氫氣傳感器接管3、加強箍4、內筒5、鋼帶6、保護殼7、下封頭8、下接口座9、鞍座組件10。只有接管鍛件以及接管鍛件與半球形封頭對接焊縫采用單層結構，此處缺陷擴展會造成容器破裂，因此固定式高壓儲氫用鋼帶錯繞式容器接管鍛件與半球形封頭對接焊縫及熱影響區埋藏缺陷檢測是其定期檢驗關鍵。

本實施例中的高壓儲氫容器接管焊縫檢測裝置，包括超聲波檢測儀19和相控陣探頭13；該相控陣探頭13是曲面晶片超聲相控陣探頭，在其主體表面裝有曲面晶片21，曲率與接管內表面的曲率保持一致。具體可采用線陣型曲面晶片，晶片采用薄膜進行保護。

該裝置還包括探頭安裝架子12、空心螺桿16、螺桿基座14和手輪15，探頭安裝架子12固定在空心螺桿16的首端；螺桿基座14中心設帶螺紋的通孔，空心螺桿16外表面設有與之匹配的螺紋，螺桿基座14套裝于空心螺桿上；手輪15的中心設通孔，手輪15固定套接在空心螺桿16的末端；空心螺桿16的末端設有滑環17。探頭線18分為兩段：一段穿過空心螺桿16后與相控陣探頭13相接，另一段與超聲波檢測儀19相接，兩者在滑環17處實現對接。

探頭安裝架子12呈凹字形，其內部的底面裝有彈簧24，相控陣探頭13安裝于探頭安裝架子12內部且與彈簧24相接；探頭安裝架子12通過焊接、螺接或卡接方式與空心螺桿16的首端相連。本實施例中，是在空心螺桿16的首端設帶螺孔25的夾持部件，探頭安裝架子12上設安裝孔23，兩者通過螺釘26實現固定。

探頭安裝架子的最外側通過焊接方式安裝擋板11。擋板11呈長條形，其兩端分別設置彈性橡膠材質的凸面半圓環22，可采用強力膠粘接。擋板11利用其彈性橡膠凸面半圓環22與接管鍛件內壁和內孔表面緊密接觸，以保證耦合劑不進入容器內部，并在外旋過程中清除在接管內的耦合劑。

螺桿基座14呈圓形杯狀，中間為沉孔，其軸向的截面呈凹字形；在螺桿基座14的環形突出部位上設置多個螺孔，在突出部位的內側設斜面墊圈27。螺桿基座14套接在接管末端的外表面上，并通過4個螺釘28壓緊斜面墊圈27，使螺桿基座14固定在接管上。螺桿基座上還設置耦合劑注入孔。

利用前述裝置實現高壓儲氫容器接管焊縫檢測的方法，包括下述步驟：

(1)將相控陣探頭13伸入接管內部最里端，并使擋板11與容器內壁相碰；利用螺桿基座14將裝置固定在接管的末端，然后向空心螺桿16與接管之間的空隙中注入高分子凝膠作為耦合劑；

(2)啟動超聲波檢測儀19，通過轉動手輪15使相控陣探頭13在接管內部做周向運動的同時，沿接管內部產生縱向位移；即，相控陣探頭13在作周向螺旋形掃查的同時，也一并完成縱向扇形掃查；

(3)在掃查過程中觀察超聲波檢測儀19顯示的掃描圖像，如發現缺陷或有疑問時停止驅動空心螺桿16，并反方向轉動手輪15驅動空心螺桿16和相控陣探頭13，進行復檢。

具體應用例子：

下面以固定式高壓儲氫用鋼帶錯繞式容器DN25接管鍛件為例，說明高壓儲氫容器接管焊縫檢測方法：

首先，根據DN25接管鍛件與焊縫規格，設計曲面晶片超聲相控陣探頭相控陣參數，曲面晶片首先要包括曲面形狀、頻率、波型、陣元尺寸、陣元數N和焦距。首先要保證曲面晶片21與接管鍛件內壁相吻合，因此選用24.9mm曲面晶片，并考慮0.1mm左右的保護薄膜。由于接管鍛件空間所限以及檢測缺陷要求，波型選擇應選擇縱波，接管鍛件超聲衰減較小，宜選擇較高的頻率，但考慮到檢測焊縫有一定的聲程，頻率也不宜過高，綜合考慮，選擇4MHz檢測頻率較為合適。由于鋼縱波聲速在5900m/s左右，對4MHz頻率，其波長λ在1.48mm左右，因此聲束可在檢測半平面內任意角度掃查而不會有柵瓣出現，或在允許的偏轉范圍之內將不會出現柵瓣，陣元間距d應小于1.48mm，最適合在λ/2左右，因此取陣元間距d為0.8mm。考慮到加工難度，陣元間隙一般取0.1mm，因此陣元寬度a為0.7mm，考慮到接管孔內空間小，曲面晶片陣元弧長取10mm，在選擇陣元數N值時應綜合考慮分辨力、延遲時間和近場長度的要求，并考慮相控陣S掃描方案，確定32個陣元，通過32個陣元逐項地適當改變相鄰發射陣元的時延量，使聲線在左右各45°扇形面積內作掃查。相控接收時，控制時延量使陣響應于扇形面積內的不同方向獲得最大輸出，從而實現相控陣探頭波束方向控制和動態聚焦的功能。焦距F選取的目標使相探陣探頭的焦區在遠側焊縫熔合線附近。根據上述要求加工曲面晶片超聲相控陣探頭13并制作整個檢測裝置。檢測時將探頭伸入接管內部最里端，使擋板11與容器內壁相碰；采用高分子凝膠作為耦合劑，通過適當方法施加在接管內壁；縱向采用左右45°電子扇形掃查，電子扇形掃查示意圖見圖9所示；周向采用手動方式驅動空心螺桿16進行螺旋形掃查，一邊驅動空心螺桿16一邊觀察掃描圖像，掃描圖像有A、B、S等多種方式，在掃查中觀察A、B、S成像的動態變化情況，從而解決復雜結構輪廓回波的判斷問題，發現缺陷或有疑問時停止驅動空心螺桿16，并反方向驅動進行復檢，周向采用手動方式驅動空心螺桿16進行螺旋形掃查，保證檢測覆蓋率，同時使檢測精度和檢測可靠性明顯提高。

本發明采用的縱向左右45°電子扇形掃查，相當于直探頭和一系列0-45°斜探頭29在接管內壁檢測，可保證焊縫所有體積型缺陷和常規超聲方向最難檢出的縱向缺陷能有效地檢出，同時左右45°電子扇形掃查，使聲束路徑不斷變化，可保證大多數面積型缺陷能可靠地檢出，個別方向的面積型缺陷可結合外壁超聲檢測來解決。外表面超聲補充掃查示意圖見圖10所示，用K1、K2值的斜探頭29在焊縫外表面進行平行掃查以檢測橫向缺陷30，用直探頭32在焊縫外表面進行掃查以檢測平行檢測面的面積型缺陷31，這樣結合本專利技術，可使焊縫中所有的缺陷能可靠檢出。

本專利技術不僅可以檢測焊縫，并能對檢測盲區(大約5mm)之外聲束掃查部位的接管質量進行檢測，由于接管也是單層結構，接管質量的檢測也是保證容器安全使用的重要措施。

最后，需要注意的是，以上列舉的僅是本發明的具體實施例。顯然，本發明不限于以上實施例，還可以有很多變形。本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容中直接導出或聯想到的所有變形，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。