CN106124636A - 高压储氢容器接管焊缝检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声相控阵检测技术，旨在提供一种高压储氢容器接管焊缝检测方法及装置。该装置包括超声波检测仪和曲面晶片超声相控阵探头，在后者的主体表面装有曲面晶片；还包括探头安装架子、空心螺杆、螺杆基座和手轮，探头安装架子固定在空心螺杆的首端；螺杆基座中心设带螺纹的通孔，空心螺杆外表面设有与之匹配的螺纹，螺杆基座套装于空心螺杆上；手轮的中心设通孔，手轮固定套接在空心螺杆的末端；探头线穿过空心螺杆，用于连接超声波检测仪与相控阵探头。本发明可实现容器接管锻件与半球形封头对接焊缝及热影响区缺陷检测，检测操作简便；能有效地检出所有体积型缺陷和纵向缺陷，使检测精度和检测可靠性明显提高。

Description

高压储氢容器接管焊缝检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种高压储氢容器接管焊缝检测方法及装置。具体是固定式高压储氢用钢带错绕式容器接管锻件与半球形封头对接焊缝及热影响区缺陷检测超声相控阵检测方法和检测装置。

背景技术

固定式高压储氢用钢带错绕式容器是我国自主研发、设计的产品，具有如下优点：

(1)适用于制造高参数氢气储罐：容器由薄或中厚钢板和扁平钢带制成，长度和壁厚不受限制。中国目前已具备制造直径2500mm，长度30m的全多层高压容器的能力。

(2)具有抑爆抗爆功能：在工作压力下，失效方式为“只漏不爆”，不会发生整体脆性破坏。

(3)缺陷分散：容器周身无深环焊缝，且绕带层与容器封头采用相互错开的阶梯状斜面焊缝代替传统的对接焊缝，不仅增大焊缝承载面积、提高焊缝结构可靠性，而且实现了筒体与封头应力水平的平滑过渡。

(4)健康状态可在线监测：容器的双层封头结构和带有保护壳的钢带错绕筒体结构为实现区域全覆盖的氢气泄漏在线监测提供了条件。

(5)制造经济简便：容器的内筒仅为筒体总厚度的1/8-1/6，加工质量易于保证。筒体厚度大部分由钢带层构成，钢带成本低廉、焊接质量可靠，且仅在钢带两端进行焊接，大大减少了焊接和无损检测的工作量，还避免了深、厚环焊缝和整体热处理，因此制造中无需使用大、重型设备。

为保证容器的安全使用，固定式高压储氢用钢带错绕式容器每隔一定周期应进行定期检验。固定式高压储氢用钢带错绕式容器的埋藏缺陷检测是定期检验的难点，而固定式高压储氢用钢带错绕式容器接管锻件与半球形封头对接焊缝及热影响区埋藏缺陷检测是其定期检验关键。原因在于该部件为单层结构，缺陷扩展会造成容器破裂，而其他部位是双层或多层结构，单层缺陷不会造成容器的整体破裂。因此宜采用合适的方法对固定式高压储氢用钢带错绕式容器接管锻件与半球形封头对接焊缝及热影响区埋藏缺陷进行检验。鉴于该容器结构的特殊性，在国内外还没有现成的检验方法和检测装置。

常规的无损检测方法主要有射线检测、超声检测、磁粉检测和渗透检测。但磁粉检测和渗透检测无法探测出焊缝内部缺陷，而常规射线检测对厚壁容器面积型缺陷检测灵敏度较低。超声检测具有操作方便、分辨率高、成本低、适应面广、对厚壁容器面积型缺陷检测灵敏度较高等优点，但接管锻件与半球形封头对接焊缝及热影响区超声检测具体有以下难点：球型封头为双层结构，在球型封头外表面检测时，由于声束被层板中间空隙挡住，无法检测内层板焊缝缺陷，而在焊缝接管侧由于空间限制难以进行检测标准规定的扫查，因此该焊缝外表面两侧的超声检测均难以满足检测标准的要求，且无法保证各类缺陷的有效检测。目前国内外没有对此类结构焊缝进行成功检测的报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提出一种高压储氢容器接管焊缝检测方法及装置。

为解决该技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种高压储氢容器接管焊缝检测装置，包括超声波检测仪和相控阵探头；所述相控阵探头是曲面晶片超声相控阵探头，在其主体表面装有曲面晶片；该装置还包括探头安装架子、空心螺杆、螺杆基座和手轮，探头安装架子固定在空心螺杆的首端；螺杆基座中心设有带螺纹的通孔，空心螺杆外表面设有与之匹配的螺纹，螺杆基座套装于空心螺杆上；手轮的中心设通孔，手轮固定套接在空心螺杆的末端；所述探头线穿过空心螺杆，用于连接超声波检测仪与相控阵探头。

本发明中，所述探头安装架子呈凹字形，其内部的底面装有弹簧，所述相控阵探头安装于探头安装架子内部且与弹簧直接接触，弹簧通过一定的压缩量保证相控阵探头与检测面保持一定的压力；探头安装架子通过焊接、螺接或卡接方式与空心螺杆相连。

本发明中，所述曲面晶片的曲率与接管内表面的曲率保持一致。

本发明中，所述探头安装架子的末端固定安装有挡板，挡板由长条形金属(薄)板和设于两端的弹性橡胶材质的凸面半圆环组成。

本发明中，所述螺杆基座呈圆形杯状，中间为沉孔，其轴向的截面呈凹字形；在螺杆基座的环形突出部分上设置多个螺孔，在突出部分的内侧设斜面垫圈。

本发明中，所述空心螺杆的末端设有滑环，所述探头线分为两段，并由滑环实现对接。其中，滑环通常安装在设备的旋转中心，主要由“转子”与“定子”两大部分组成，是负责为旋转体连通、输送能源与信号的电气部件，已有定型产品，信号线与之通常采用焊接方式。

本发明中，所述螺杆基座上设置耦合剂注入孔。

本发明进一步提供了利用前述装置实现高压储氢容器接管焊缝检测的方法，包括下述步骤：

(1)将相控阵探头伸入接管内部最里端，并使挡板与容器内壁相碰；利用螺杆基座将装置固定在接管的末端，然后向空心螺杆与接管之间的空隙中注入高分子凝胶作为耦合剂；

(2)启动超声波检测仪，通过转动手轮使相控阵探头在接管内部做周向运动的同时，沿接管内部产生纵向位移；即，相控阵探头在作周向螺旋形扫查的同时，也一并完成纵向扇形扫查；

(3)在扫查过程中观察超声波检测仪显示的扫描图像，如发现缺陷或有疑问时停止驱动空心螺杆，并反方向转动手轮驱动空心螺杆和相控阵探头，进行复检。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、通过利用超声相控阵检测方法和检测装置，可实现容器接管锻件与半球形封头对接焊缝及热影响区缺陷检测，检测操作简便。

2、本发明采用相控阵技术，可实现A、B、S等多种扫查的实时成像，从而解决复杂结构轮廓回波的判断问题，探头进入接管内部，纵向采用左右45°电子扇形扫查，可保证焊缝所有体积型缺陷和常规超声方法最难检出的纵向缺陷能有效地检出，同时左右45°电子扇形扫查，使声束路径不断变化，可保证大多数面积型缺陷能可靠地检测，个别方向的面积型缺陷可结合外壁超声检测来解决。周向采用手动方式驱动螺杆进行螺旋形扫查，保证检测覆盖率，使检测精度和检测可靠性明显提高。

附图说明

图1为固定式高压储氢用钢带错绕式容器结构图；

图2为高压储氢容器接管焊缝检测装置的总体结构框图；

图3为曲面晶片超声相控阵探头示意图；

图4为挡板示意图；

图5为探头安装架子示意图；

图6为探头安装示意图

图7为空心螺杆示意图；

图8为螺杆基座示意图；

图9为电子扇形扫查示意图；

图10为外表面超声补充扫查示意图。

附图标记说明：

上封头1、上接口座组合件2、氢气传感器接管3、加强箍4、内筒5、钢带6、保护壳7、下封头8、下接口座9、鞍座组件10、挡板11、探头安装架子12、相控阵探头13、螺杆基座14、手轮15、空心螺杆16、探头线滑环17、探头线18、超声波检测仪19，焊缝及热影响区20、曲面晶片21、半圆环22、安装孔23、压缩弹簧24、螺孔25、螺钉26、斜面垫圈27、螺钉28、斜探头29、横向缺陷30、面积型缺陷31、直探头32。

具体实施方式

固定式高压储氢用钢带错绕式容器是一种绕带式多层容器，典型结构如图1所示。包括上封头1、上接口座组合件2、氢气传感器接管3、加强箍4、内筒5、钢带6、保护壳7、下封头8、下接口座9、鞍座组件10。只有接管锻件以及接管锻件与半球形封头对接焊缝采用单层结构，此处缺陷扩展会造成容器破裂，因此固定式高压储氢用钢带错绕式容器接管锻件与半球形封头对接焊缝及热影响区埋藏缺陷检测是其定期检验关键。

本实施例中的高压储氢容器接管焊缝检测装置，包括超声波检测仪19和相控阵探头13；该相控阵探头13是曲面晶片超声相控阵探头，在其主体表面装有曲面晶片21，曲率与接管内表面的曲率保持一致。具体可采用线阵型曲面晶片，晶片采用薄膜进行保护。

该装置还包括探头安装架子12、空心螺杆16、螺杆基座14和手轮15，探头安装架子12固定在空心螺杆16的首端；螺杆基座14中心设带螺纹的通孔，空心螺杆16外表面设有与之匹配的螺纹，螺杆基座14套装于空心螺杆上；手轮15的中心设通孔，手轮15固定套接在空心螺杆16的末端；空心螺杆16的末端设有滑环17。探头线18分为两段：一段穿过空心螺杆16后与相控阵探头13相接，另一段与超声波检测仪19相接，两者在滑环17处实现对接。

探头安装架子12呈凹字形，其内部的底面装有弹簧24，相控阵探头13安装于探头安装架子12内部且与弹簧24相接；探头安装架子12通过焊接、螺接或卡接方式与空心螺杆16的首端相连。本实施例中，是在空心螺杆16的首端设带螺孔25的夹持部件，探头安装架子12上设安装孔23，两者通过螺钉26实现固定。

探头安装架子的最外侧通过焊接方式安装挡板11。挡板11呈长条形，其两端分别设置弹性橡胶材质的凸面半圆环22，可采用强力胶粘接。挡板11利用其弹性橡胶凸面半圆环22与接管锻件内壁和内孔表面紧密接触，以保证耦合剂不进入容器内部，并在外旋过程中清除在接管内的耦合剂。

螺杆基座14呈圆形杯状，中间为沉孔，其轴向的截面呈凹字形；在螺杆基座14的环形突出部位上设置多个螺孔，在突出部位的内侧设斜面垫圈27。螺杆基座14套接在接管末端的外表面上，并通过4个螺钉28压紧斜面垫圈27，使螺杆基座14固定在接管上。螺杆基座上还设置耦合剂注入孔。

利用前述装置实现高压储氢容器接管焊缝检测的方法，包括下述步骤：

(1)将相控阵探头13伸入接管内部最里端，并使挡板11与容器内壁相碰；利用螺杆基座14将装置固定在接管的末端，然后向空心螺杆16与接管之间的空隙中注入高分子凝胶作为耦合剂；

(2)启动超声波检测仪19，通过转动手轮15使相控阵探头13在接管内部做周向运动的同时，沿接管内部产生纵向位移；即，相控阵探头13在作周向螺旋形扫查的同时，也一并完成纵向扇形扫查；

(3)在扫查过程中观察超声波检测仪19显示的扫描图像，如发现缺陷或有疑问时停止驱动空心螺杆16，并反方向转动手轮15驱动空心螺杆16和相控阵探头13，进行复检。

具体应用例子：

下面以固定式高压储氢用钢带错绕式容器DN25接管锻件为例，说明高压储氢容器接管焊缝检测方法：

首先，根据DN25接管锻件与焊缝规格，设计曲面晶片超声相控阵探头相控阵参数，曲面晶片首先要包括曲面形状、频率、波型、阵元尺寸、阵元数N和焦距。首先要保证曲面晶片21与接管锻件内壁相吻合，因此选用24.9mm曲面晶片，并考虑0.1mm左右的保护薄膜。由于接管锻件空间所限以及检测缺陷要求，波型选择应选择纵波，接管锻件超声衰减较小，宜选择较高的频率，但考虑到检测焊缝有一定的声程，频率也不宜过高，综合考虑，选择4MHz检测频率较为合适。由于钢纵波声速在5900m/s左右，对4MHz频率，其波长λ在1.48mm左右，因此声束可在检测半平面内任意角度扫查而不会有栅瓣出现，或在允许的偏转范围之内将不会出现栅瓣，阵元间距d应小于1.48mm，最适合在λ/2左右，因此取阵元间距d为0.8mm。考虑到加工难度，阵元间隙一般取0.1mm，因此阵元宽度a为0.7mm，考虑到接管孔内空间小，曲面晶片阵元弧长取10mm，在选择阵元数N值时应综合考虑分辨力、延迟时间和近场长度的要求，并考虑相控阵S扫描方案，确定32个阵元，通过32个阵元逐项地适当改变相邻发射阵元的时延量，使声线在左右各45°扇形面积内作扫查。相控接收时，控制时延量使阵响应于扇形面积内的不同方向获得最大输出，从而实现相控阵探头波束方向控制和动态聚焦的功能。焦距F选取的目标使相探阵探头的焦区在远侧焊缝熔合线附近。根据上述要求加工曲面晶片超声相控阵探头13并制作整个检测装置。检测时将探头伸入接管内部最里端，使挡板11与容器内壁相碰；采用高分子凝胶作为耦合剂，通过适当方法施加在接管内壁；纵向采用左右45°电子扇形扫查，电子扇形扫查示意图见图9所示；周向采用手动方式驱动空心螺杆16进行螺旋形扫查，一边驱动空心螺杆16一边观察扫描图像，扫描图像有A、B、S等多种方式，在扫查中观察A、B、S成像的动态变化情况，从而解决复杂结构轮廓回波的判断问题，发现缺陷或有疑问时停止驱动空心螺杆16，并反方向驱动进行复检，周向采用手动方式驱动空心螺杆16进行螺旋形扫查，保证检测覆盖率，同时使检测精度和检测可靠性明显提高。

本发明采用的纵向左右45°电子扇形扫查，相当于直探头和一系列0-45°斜探头29在接管内壁检测，可保证焊缝所有体积型缺陷和常规超声方向最难检出的纵向缺陷能有效地检出，同时左右45°电子扇形扫查，使声束路径不断变化，可保证大多数面积型缺陷能可靠地检出，个别方向的面积型缺陷可结合外壁超声检测来解决。外表面超声补充扫查示意图见图10所示，用K1、K2值的斜探头29在焊缝外表面进行平行扫查以检测横向缺陷30，用直探头32在焊缝外表面进行扫查以检测平行检测面的面积型缺陷31，这样结合本专利技术，可使焊缝中所有的缺陷能可靠检出。

本专利技术不仅可以检测焊缝，并能对检测盲区(大约5mm)之外声束扫查部位的接管质量进行检测，由于接管也是单层结构，接管质量的检测也是保证容器安全使用的重要措施。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高压储氢容器接管焊缝检测装置，包括超声波检测仪和相控阵探头；其特征在于，所述相控阵探头是曲面晶片超声相控阵探头，在其主体表面装有曲面晶片；该装置还包括探头安装架子、空心螺杆、螺杆基座和手轮，探头安装架子固定在空心螺杆的首端；螺杆基座中心设带螺纹的通孔，空心螺杆外表面设有与之匹配的螺纹，螺杆基座套装于空心螺杆上；手轮的中心设通孔，手轮固定套接在空心螺杆的末端；所述探头线穿过空心螺杆，用于连接超声波检测仪与相控阵探头。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述探头安装架子呈凹字形，其内部的底面装有弹簧，所述相控阵探头安装于探头安装架子内部且与弹簧直接接触；探头安装架子通过焊接、螺接或卡接方式与空心螺杆相连。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述曲面晶片的曲率与接管内表面的曲率保持一致。

4.根据权利要求1至3任意一项中所述的检测装置，其特征在于，所述探头安装架子的末端固定安装有挡板，挡板由长条形金属板和设于两端的弹性橡胶材质的凸面半圆环组成。

5.根据权利要求1至3任意一项中所述的检测装置，其特征在于，所述螺杆基座呈圆形杯状，中间为沉孔，其轴向的截面呈凹字形；在螺杆基座的环形突出部上设多个螺孔，在突出部的内侧设斜面垫圈。

6.根据权利要求1至3任意一项中所述的检测装置，其特征在于，所述空心螺杆的末端设有滑环，所述探头线分为两段，并由滑环实现对接。

7.根据权利要求1至3任意一项中所述的检测装置，其特征在于，所述螺杆基座上设置耦合剂注入孔。

8.利用权利要求1所述装置实现高压储氢容器接管焊缝检测的方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)将相控阵探头伸入接管内部最里端，并使挡板与容器内壁相碰；利用螺杆基座将装置固定在接管的末端，然后向空心螺杆与接管之间的空隙中注入高分子凝胶作为耦合剂；

(2)启动超声波检测仪，通过转动手轮使相控阵探头在接管内部做周向运动的同时，沿接管内部产生纵向位移；即，相控阵探头在作周向螺旋形扫查的同时，也一并完成纵向扇形扫查；

(3)在扫查过程中观察超声波检测仪显示的扫描图像，如发现缺陷或有疑问时停止驱动空心螺杆，并反方向转动手轮驱动空心螺杆和相控阵探头，进行复检。