衍射時差法超聲檢測技術在超超臨界機組安裝中的應用

董艷柱，張 平，齊向前

（天津誠信達金屬檢測技術有限公司，天津市，300384）

0 引言

由上海鍋爐廠有限公司與技術支持方APBG公司聯(lián)合生產(chǎn)制造的2×1000 MW超超臨界燃煤機組，采用全懸吊塔式結構、螺旋管圈直流爐。鍋爐主蒸汽、再熱器熱段等部分高壓管道采用了新型馬氏體耐熱鋼SA335 P92。按要求對機組管道焊縫進行100%射線檢測，由于主汽管道壁厚達95.8 mm，給工程管道焊縫檢測帶來了極大不便，特別是針對焊縫層間的細微裂紋，射線檢測的靈敏度較低，而常規(guī)的超聲檢測由于其反射能量過小也不易發(fā)現(xiàn)。

為確保焊接接頭質量及工程進度，經(jīng)相關方協(xié)商并批準，依據(jù)美國ASME標準案例2235-8，使用第I卷和第VIII卷超聲替代射線檢測。依據(jù)企業(yè)標準《承壓設備超聲波衍射時差法（TOFD）自動超聲檢測》[1]，對現(xiàn)場安裝焊口使用衍射時差法（time of flight diffraction technique，TOFD）超聲檢測技術。

1 TOFD超聲檢測技術原理及應用現(xiàn)狀

TOFD超聲檢測基本原理如圖1所示。采用一對收發(fā)縱波探頭，通過超聲波在缺陷端部產(chǎn)生衍射（衍射波沒有明顯的方向性），使能量重新分配，接收探頭能夠接收到此衍射波，確定缺陷的存在；記錄信號的傳播時間就可以測量出缺陷的高度，從而可以對缺陷進行定量。缺陷尺寸被定義為衍射信號的傳播時間差，故信號波幅與缺陷定量沒有關系，這與傳統(tǒng)的超聲檢測完全不同。當缺陷位于兩探頭中心，已知聲速C、探頭間距2S及缺陷端點衍射信號傳播時間t，則可據(jù)式（1）求出缺陷上下端點的位置d。

TOFD超聲檢測技術是利用信號的相位和時間作為缺陷類型、位置、高度及長度評判的依據(jù)，缺陷的檢出率、檢測精度和尺寸測量不受缺陷位置、角度與方向的影響。

TOFD超聲檢測技術用于焊縫檢測在歐美國家至少有十幾年的歷史，主要應用于石油、化工、鐵路、電力、橋梁和特種設備等工程項目的金屬檢測。在歐洲標準CEN1997（WGAC9613）中，直徑75 mm、壁厚6～300 mm的容器或管道均可采用TOFD技術進行檢測。我國近幾年開始對此技術進行應用研究，國內(nèi)已有多家企業(yè)和機構從歐美引進了TOFD超聲檢測設備，相關的國家及行業(yè)標準正在制訂中。

2 TOFD超聲檢測技術與常規(guī)超聲檢測技術對比分析

由于P92鋼合金元素含量較高，淬硬傾向大，焊接過程中熔池金屬黏度大，流動性差，如果焊接過程中線能量控制不好，或收弧控制不好，就容易形成夾渣、未熔合、裂紋等缺陷，其特點是缺陷比較細小、超聲反射能量相對比較低，有一定方向性，且斷續(xù)分布，單純地從波形及能量上判斷，容易造成漏檢。

P92鋼中常見典型缺陷如圖2所示。圖3為ID699×43 mm的P92鋼的未熔合UT（超聲波）檢測波形與TOFD檢測波形對比圖形，UT檢測最高波為SL+1dB，長度滿足DL/T 820標準要求；從TOFD圖譜可明確判斷出缺陷性質（未熔合特征），亦可準確測量未熔合的長度和深度。

圖4為規(guī)格為ID349×91 mm/A355 P92管道的常規(guī)UT掃描波形、對應的TOFD圖譜以及焊縫挖開后呈現(xiàn)的樹枝狀裂紋缺陷的照片。常規(guī)超聲檢測最高波為SL-2dB，容易造成漏檢；而裂紋尖端的衍射信號較強，由于裂紋呈斷續(xù)狀，所以產(chǎn)生多個衍射信號，在圖像上形成密集的拋物線信號特征，利用TOFD儀器自帶軟件可精確測量出缺陷的高度和長度。

TOFD超聲檢測技術具有檢測速度快，檢出能力強，通過非平行掃查和平行掃查能夠精確確定缺陷的長度和高度，TOFD檢測還可用于缺陷擴展的監(jiān)控；但是，TOFD超聲檢測技術的表面盲區(qū)較大，對于近表面缺陷其可能隱藏在直通波下造成漏檢。另外，TOFD超聲檢測技術對缺陷定性比較困難，需要豐富的經(jīng)驗對數(shù)據(jù)進行分析。

3 現(xiàn)場檢測技術方案及檢測基本參數(shù)確定

3.1 檢測方案

按公司企業(yè)標準《承壓設備超聲波衍射時差法（TOFD）自動超聲檢測》規(guī)定，TOFD超聲檢測的同時，尚需應用磁粉檢測，以提高近表面缺陷的檢測能力；使用常規(guī)超聲檢測焊縫根部，并對TOFD檢測的缺陷進行定位和定量分析，嘗試兩種方法的相互驗證。

3.2 檢測參數(shù)

儀器參數(shù)設置在很大程度上決定了檢測精度、信噪比、區(qū)域的覆蓋率。根據(jù)部件規(guī)格材質，及檢測標準中的方法、要求等選擇合適的探頭組、掃查方式及參數(shù)，如表1、表2所示。使用的儀器為8通道ISONIC 2008型。

3.3 工件準備

工件準備基本與常規(guī)超聲檢測等同，探頭移動區(qū)應平整，表面粗糙度Ra≤6.3 μm；有特殊需要時對焊縫余高進行修磨。在母材上距焊縫中心線規(guī)定的距離處畫出1條參考線，以確保探頭的運動軌跡精確。

表1 檢測參數(shù)的選擇Tab.1 Selection of inspected data

表2 檢測儀器參數(shù)的選擇Tab.2 Selection of inspecting instrument parameters

3.4 靈敏度調(diào)整

將第1通道直通波的波幅設定至滿屏高的40%～50%作為檢測靈敏度；對于第2通道，可將底面反射波調(diào)到滿屏高度，然后增加18～30 dB作為靈敏度。

3.5 編碼器校準

檢測前后各進行1次編碼器校準，往返移動300 mm，長度誤差應小于1%。

4 檢測的實施

檢測實施的步驟如下：

（1）根據(jù)工件及檢測方案，確定受檢區(qū)域并做記錄標志。MT（磁粒檢測）、UT、TOFD三種方法可分別進行。

（2）對同一焊縫的三種檢測結果進行對較，必要時針對懷疑缺陷采用專用TOFD檢測方案進行精細檢測。

（3）根據(jù)驗收標準對缺陷進行評定。不允許有危害性表面開口缺陷的存在；當檢測人員可判斷埋藏缺陷類型為裂紋、未熔合等危害性缺陷時，評為Ⅲ級；當各類缺陷評定的質量等級不同時，以質量等級最低的作為焊接接頭的質量級別。

（4）對超過標準的缺陷進行返修，返修后按原檢測工藝進行復檢。

由于本次檢測為嘗試性試驗，為確保焊縫質量，首先對所有焊縫進行了100%的常規(guī)超聲檢測，部分薄壁管道進行了射線檢測，全部焊縫合格后，在8個分系統(tǒng)上進行了162道焊縫的TOFD檢測，又檢出5道存在危險的焊縫，并針對性地進行了挖磨驗證，檢測結果與實際缺陷完全對應。檢測情況如表3所示。

5 結論

（1）TOFD超聲檢測的缺陷檢出率明顯高于常規(guī)的射線和超聲檢測，特別是對于易出現(xiàn)危險性小缺陷的高合金中厚壁管道。TOFD、常規(guī)超聲、磁粉3種檢測方法聯(lián)合檢測解決了盲區(qū)問題，使缺陷的檢出率基本達到100%，保證了焊接質量。

表3 6號機組TOFD檢測結果一覽表Tab.3 TOFD inspected result list of No.6 unit

（2）TOFD檢測對缺陷定量精度高，對缺陷的測量誤差可以達到1 mm，對在役設備缺陷的監(jiān)控可以達到0.1 mm。這對設備的壽命評估具有重要的意義。

（3）檢測速度快，可對安裝現(xiàn)場射線無法檢測的壁厚焊縫實施檢測。現(xiàn)場檢測時只須對環(huán)焊縫進行一次簡單的線性掃查，而無須來回移動即可完成全焊縫的檢測，從準備到焊縫評定完畢，整個過程大約需要6 min。檢測作業(yè)強度小，無輻射、無污物，可交叉作業(yè)，提高了工作效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

（4）檢測可實時顯示，在掃查的同時可對焊縫進行分析、評判，也可對焊縫質量進行遠程監(jiān)控?？纱蛴　⒋姹P，實現(xiàn)檢測結果的永久性保存，避免X射線底片不易攜帶、不易保存的缺點。

[1]Q/TJCXD 01—2008.承壓設備超聲波衍射時差法（TOFD）自動超聲檢測[S].天津誠信達金屬檢測技術有限公司，2008.

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