開架式氣化器換熱管與集管角焊縫的射線檢測

劉 泉, 金彥楓,張 崢,侯彥華,徐 成,張向英,程旺富

(上海藍濱石化設備有限責任公司，上海 201518)

開架式海水氣化器是一種專門用于將液化天然氣(LNG)氣化的熱交換器，是LNG接受終端的關鍵設備之一。氣化器的基本單元是傳熱管。若干鋁合金星型傳熱管板狀排列，兩端與集氣管或集液管焊接形成一個板型管束，再由若干個管束板組成氣化器[1]。某項目開架式海水氣化器的板型管束如圖1所示，每個板型管束由86根等間距分布的鋁合金星型傳熱管與集氣管、集液管焊接而成。鋁合金星型傳熱管的材料牌號為SB-221 6063-T5，規格(直徑×壁厚，下同)為39 mm×9.5 mm；集管材料牌號為SB-241 5083，規格為165 mm×25 mm。鋁合金星型傳熱管與集管角焊縫的焊接方式為鎢極氬弧焊打底、熔化極惰性氣體保護焊(MIG)填充蓋面，焊接過程中易產生較多的焊接缺陷，常見氣孔、熱裂紋、未熔合、夾雜等[2]。

圖1 開架式海水氣化器板型管束

開架式海水氣化器設備是國產化的重點設備，其在設計、制造、檢驗及質量控制方面要求十分嚴格。鋁合金星型傳熱管與集管角焊縫為該設備的主要焊接節點，通常使用滲透檢測技術來檢測其表面缺陷。為檢測該焊縫的內部焊接質量，筆者采用了多種工藝及工裝，成功對該結構實施了射線檢測。

1 傳熱管與集管角焊縫結構及缺陷分析

鋁合金星型傳熱管與集管角焊縫的結構比較特殊，既不是插入式結構，也不是安放式結構，該結構的傳熱管加工有60°坡口，集管加工有30°坡口，坡口深度約為12 mm，焊縫結構如圖2所示。傳熱管與集管角焊縫排列緊密，焊縫間距僅為5.5 mm，其常見的焊接缺陷及成因分析如下。

圖2 星型傳熱管與集管角焊縫結構示意

1.1 氣孔

鋁合金星型傳熱管及集管材料導熱系數大，焊接過程的加熱速度和冷卻速度較快，導致焊接時熔池中的氣體在凝固前不能及時逸出，形成氣孔缺陷(見圖3)。該結構產生氣孔主要原因為：① 焊接環境濕度過大；② 氣體保護不當；③ 坡口存在油污、灰塵、氧化物等雜質；④ 焊絲的氫含量過高；⑤ 人員操作不當。

圖3 傳熱管與集管角焊縫的氣孔缺陷

1.2 未熔合

鋁合金星型傳熱管及集管的焊縫邊緣與坡口形成焊接死角，當采用MIG焊進行蓋面時，若未能將靠近坡口邊緣的死角熔開，便會形成坡口未熔合。此結構焊接時為水平固定焊，熔敷金屬易向集管坡口側流動，在傳熱管坡口側易產生坡口未熔合(見圖4)。

圖4 傳熱管坡口側未熔合缺陷

1.3 裂紋

鋁合金星型傳熱管及集管材料導熱系數大，焊縫在凝固過程中其晶界上易產生易熔共晶體，導致熱裂紋的產生。鋁合金星型傳熱管及集管材料線膨脹系數大(是普通碳鋼的2倍)且熱導率較高，焊接收弧處極其容易產生收縮凹坑從而使焊縫的內應力增加，很大程度地增加了熱裂紋產生的幾率。傳熱管與集管角焊縫縮孔裂紋缺陷如圖5所示。

圖5 傳熱管與集管角焊縫縮孔裂紋缺陷

1.4 夾雜

鋁合金星型傳熱管與集管在焊接前坡口、焊絲清理不徹底，焊后雜質殘留在焊縫金屬中易形成夾雜缺陷(見圖6)。鎢極電流過大時，其與焊絲及坡口碰撞使端頭熔化落人熔池中，產生夾鎢缺陷。

圖6 傳熱管與集管角焊縫夾雜缺陷

2 傳熱管與集管角焊縫的射線檢測

2.1 透照方式

鋁合金星型傳熱管與集管角焊縫按照標準NB/T 47013.2-2015要求，可采用源在外或源在內的方式進行透照。集管尺寸較小，源在內方式僅能采用γ射線源，在焊縫外側進行布片；源在外方式可采用X射線源，在集管內進行布片。采用γ射線源和X射線源均可滿足透照要求，但從成像質量方面分析，γ射線源照射影像的質量不如X射線照射影像的，其原因為：① γ射線譜為線狀譜，而X射線譜為連續譜，且γ放射源能量不可調節；② γ放射源在集管內的最大焦距為140 mm，X射線在集管外側，焦距不受空間限制；③ 焊縫結構問題導致在集管外側布片時，膠片無法與焊縫貼合，而X射線采用專用的工裝可以實現布片。因此，采用X射線外透法實施檢測，在每條焊縫的兩側分別進行透照。

2.2 射線源

鋁合金材料的線性衰減系數很小，因此射線檢測的管電壓一般不能超過150 kV。對該結構焊縫進行射線檢測時(焊縫穿透厚度約為30 mm)，允許的最高管電壓為110 kV，試驗采用XXG2005型X射線機，電壓設置為100 kV。

2.3 膠片布置

集管規格(直徑×長×壁厚)為115 mm×6 000 mm×25 mm，其內徑小，長度大，在集管內側布片時，操作人員無法將手深入集管內部，不能準確對準焊縫與膠片的位置。采用專利“一種開架式海水氣化器角焊縫射線檢測專用工裝”對該結構進行布片，布片工裝結構如圖7所示。

圖7 布片工裝結構示意

在利用該工裝進行射線透照時，要注意以下幾點：① 支撐板曲率半徑應略小于集管內半徑，使射線膠片能緊貼焊縫，盡量不留間隙；② 采用塑料等非金屬材料制作該工裝，避免對開架式氣化器造成接觸污染；③ 方條上下兩面均應刻有刻度，刻度間距為傳熱管間距，通過刻度標識來確定射線透照位置；④ 工裝支撐板上下面可翻轉重復使用，支撐板易磨損，需定期檢查更換；⑤ 方條長度應大于集管長度的一半，從集管兩側管口分別導入即可覆蓋全部焊縫位置；⑥ 需在每條焊縫的兩側進行透照，透照時需注意布片方向與透照方向一致。

2.4 透照角

透照角的合理選擇關系著底片質量及缺陷的檢出率。理論上，當射線穿透方向與面積型缺陷平行時，缺陷最容易被檢出，裂紋檢出試驗表明，射線穿透方向與裂紋平面的夾角不大于10°時，裂紋檢出率約為80%，且識別情況變化不大；大于15°時，檢出率有所下降[3]。為了保證射線機可以按特定角度進行透照，特制作射線機放置工裝(見圖8)，既能保證射線束按照固定角度透照，又能防止射線機墜落損壞，同時保證適當的焦距。

鋁合金星型傳熱管與集管角焊縫傳熱管側坡口和集管側坡口角度均為 60°，理論上透照角度為30°時，射線束與坡口平行，對缺陷有較高的檢出率(特別是坡口未熔合)。為了驗證該理論，對鋁合金星型傳熱管與集管角焊縫分別進行透照角度為30°，45°，60°的透照試驗，透照底片如圖9所示。對底片質量進行分析得出以下結論：① 透照角度為 30°時，底片焊縫影像黑度均勻，圖像畸變較小，底片靈敏度達到要求；② 透照角度為45°時，底片焊縫影像黑度不均勻，但基本滿足要求，圖像畸變較大，對缺陷有放大作用，底片靈敏度基本滿足要求；③ 透照角度為60°時，底片焊縫影像黑度基本與母材黑度相近，無法辨識焊縫，圖像畸變嚴重，影響缺陷評定，底片靈敏度嚴重下降，不能識別缺陷。

圖9 不同透照角度下的底片影像

理論分析和試驗結果表明,檢測該焊縫的最佳透照角度為30°，可以適當增加透照角度，有利于辨識焊縫根部缺陷，但透照角度不宜大于45°，當透照角大于45°時，射線透照厚度差過大，導致底片有效評定區黑度不能滿足標準要求，靈敏度下降，造成焊縫缺陷漏檢。

2.5 一次透照長度

一次透照長度對照相質量和工作效率都會產生影響，選擇較大的一次透照長度可以提高工作效率[4]，但隨著一次透照長度增大，透照厚度比增大，橫向缺陷檢出角也增大，會使射線照相的質量降低。在實際檢測中，一次透照長度的確定要考慮有效照射場的范圍，并遵守標準的有關規定，由于焊縫排列較為密集，焊縫縱截面呈馬鞍面，在一段區域內截面厚度變化比較復雜，所以參照小徑管的透照方法，AB級最低黑度為1.5，采用黑度范圍來確定一次透照長度。經試驗，取長度為300 mm的膠片進行透照，每張底片的有效評定區為相鄰的4道焊縫(長度約為260 mm)，底片成像效果較好，均能達到相關要求。

3 結論

(1) 開架式海水氣化器鋁合金星型傳熱管與集管角焊縫由于結構原因，采用射線檢測具有一定的困難，通過采用特定工裝及一系列的試驗確定合理的工藝，能夠有效提高焊縫缺陷的檢出率、底片黑度、檢測靈敏度等。

(2) 可將濾板放在射線機窗口處，屏蔽一部分散射線，吸收部分軟射線，使透過的射線均勻化，提高射線的有效能量，降低散射比，提高射線檢測圖像的對比度。

(3) 特殊工裝及透照角度的確定試驗在實際生產中有較高實用價值，廢鍋爐的水冷壁等相關重要結構均可參照此法制定合理的工藝實施射線檢測。