TOFD技術(shù)在水工鋼閘門焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用

王 鶯，葉 菁

(1.浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司，浙江 杭州 310012)

水工鋼閘門是水閘、船閘、水庫、水電站等水利工程的重要組成部分。閘門多以鋼板為基材，采用焊接制作而成[1]。作為一、二類焊縫的對(duì)接焊縫一旦出現(xiàn)損壞，會(huì)造成攔水泄漏，嚴(yán)重的會(huì)給下游人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來嚴(yán)重危害[2-3]。因此，焊接質(zhì)量是閘門制作質(zhì)量?jī)?yōu)劣的一個(gè)決定性因素，焊縫檢測(cè)是判斷鋼閘門焊接質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要手段。

1 規(guī)范對(duì)鋼閘門對(duì)接焊縫的檢測(cè)要求

GB/T14173—2008《水利水電工程鋼閘門制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》按焊縫的受力條件和重要性程度將閘門上的焊縫分為一、二、三類[4]。承受拉力的焊縫：閘門主梁、邊梁、臂柱的腹板及翼緣板、閘門及攔污柵的吊耳板和拉桿等對(duì)接焊縫為一類焊縫；承受壓力的焊縫：閘門面板、攔污柵主梁和邊梁的腹板及翼緣板等對(duì)接焊縫為二類焊縫。以上焊縫可采用射線或超聲檢測(cè)手段對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)，并給出了相應(yīng)的合格級(jí)別。焊縫分類(見表1)。

表1 焊縫分類

2 焊縫檢測(cè)方法比較

2.1 射線檢測(cè)和常規(guī)超聲檢測(cè)

射線檢測(cè)時(shí)需要在被檢測(cè)焊縫背面貼膠片，要求放置放射源，對(duì)檢測(cè)時(shí)的工作環(huán)境有特殊要求，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)有一定難度。

常規(guī)超聲檢測(cè)是利用超聲波在缺陷處即不連續(xù)界面發(fā)生的聲波反射的現(xiàn)象，利用探頭發(fā)射信號(hào)及接收反射信號(hào)，通過信號(hào)的波幅來判定缺陷的存在及測(cè)量尺寸。這種檢測(cè)方法對(duì)反射信號(hào)的有效接收要求較高，聲波只能以合適的角度到達(dá)缺陷處，才能被反射回探頭。如果反射面的角度未達(dá)到反射要求，則反射波強(qiáng)度迅速下降，甚至接收不到反射波，產(chǎn)生漏檢。

2.2 TOFD檢測(cè)

TOFD(超聲波衍射時(shí)差法)是一種依靠從待檢試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)(主要是指缺陷)的“端角”和“端點(diǎn)”處得到的衍射能量衰減來檢測(cè)缺陷，同時(shí)定量、定位缺陷并記錄的方法[5-6]。TOFD檢測(cè)的方法是用發(fā)射和接收兩個(gè)對(duì)稱布置于焊縫中心線兩側(cè)的寬帶窄脈沖檢測(cè)探頭，發(fā)射探頭發(fā)射縱波波束以一定角度入射到被檢工件中，其中部分波束沿近表面?zhèn)鞑?，?jīng)底面反射后被接收探頭接收；部分波束接觸缺陷尖端，衍射后被接收探頭接收，得到波束傳播的衍射信號(hào)及其時(shí)差[7]。系統(tǒng)通過獲得的衍射信號(hào)的時(shí)差計(jì)算判斷缺陷的位置和自身高度，其基本工作原理(見圖1)。

圖1 TOFD技術(shù)的基本工作原理

2.3 三種檢測(cè)方法的比較

規(guī)范規(guī)定的常規(guī)超聲檢測(cè)和射線檢測(cè)兩種焊縫檢測(cè)方法存在一定的局限性，TOFD檢測(cè)方法以其對(duì)人無輻射危害、安全可靠、檢測(cè)精度高、操作便捷，在對(duì)接焊縫檢測(cè)中可以完全代替射線檢測(cè)。而另一種目前現(xiàn)場(chǎng)閘門焊縫檢測(cè)較多采用的方法——常規(guī)超聲檢測(cè)而言，對(duì)檢測(cè)人員現(xiàn)場(chǎng)人工讀取數(shù)據(jù)的能力和檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)水平要求非常高，不僅會(huì)出現(xiàn)漏檢或誤判的情況[8]，而且對(duì)準(zhǔn)確的定量、定性發(fā)現(xiàn)的缺陷并記錄也有困難，更不用提事后對(duì)缺陷判定的依據(jù)作核查。

TOFD檢測(cè)雖然也是利用聲波在工件中傳播的原理，但與常規(guī)脈沖回波超聲檢測(cè)方法相比有以下4個(gè)主要區(qū)別：

(1)衍射波信號(hào)與反射信號(hào)角度無關(guān)，信號(hào)的強(qiáng)弱和精度不受缺陷角度和形狀的影響。(2)缺陷的定位定量是根據(jù)衍射波傳播到接收探頭的時(shí)差確定的，不依靠信號(hào)波幅，避免人為操作的失誤，有效彌補(bǔ)了常規(guī)超聲檢測(cè)的不足。

(3)TOFD系統(tǒng)配用手動(dòng)或自動(dòng)掃查裝置，沿焊縫作一維掃查，避免了常規(guī)超聲檢測(cè)的鋸齒形動(dòng)作，檢測(cè)速度較快。

(4)常規(guī)超聲波檢測(cè)儀器多采用A掃描波形的模擬探傷儀，只能現(xiàn)場(chǎng)顯示不能記錄。數(shù)字超聲儀也僅能存儲(chǔ)檢測(cè)參數(shù)和DAC曲線。而TOFD檢測(cè)支持多信道數(shù)據(jù)采集，信號(hào)過程可全記錄可保存，給后期信號(hào)處理和記錄提供依據(jù)。有經(jīng)驗(yàn)的檢測(cè)人員也可現(xiàn)場(chǎng)直接讀取缺陷在工件中的深度及缺陷的大小。

3 鋼閘門焊縫質(zhì)量超聲波探傷實(shí)例

為檢驗(yàn)蕭山區(qū)順壩排澇閘站工程鋼閘門的焊縫質(zhì)量，特采用超聲波探傷檢測(cè)。

3.1 檢測(cè)依據(jù)

《水利水電工程鋼閘門制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(DL/T5018—2004)

《焊縫無損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》(GB/T 11345—2013)

《焊縫無損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 焊縫中的顯示特征》(GB/T 29711—2013)

《焊縫無損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 驗(yàn)收等級(jí)》(GB/T 29712—2013)

3.2 檢測(cè)方法

根據(jù)《水利水電工程鋼閘門制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(DL/T5018—2004)的要求，檢驗(yàn)等級(jí)采用B級(jí)，探傷方法為橫波斜入射單探頭直接接觸法，對(duì)被探焊縫進(jìn)行掃查。

探測(cè)儀器和探測(cè)條件采用：

(1)儀器型號(hào)：CTS—8008型數(shù)字式超聲波探傷儀；

(2)調(diào)節(jié)試塊：CSK—1A、RB—2試塊；

(3)探頭移動(dòng)區(qū)經(jīng)除漆打磨平滑，采用化學(xué)漿糊為耦合劑，工件表面耦合補(bǔ)償見成果(見表2)。

3.3 檢測(cè)成果

對(duì)泵站出水口1#快速工作閘門的焊縫質(zhì)量進(jìn)行超聲波探傷，其成果(見表2)。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，閘門的被檢焊縫質(zhì)量，滿足規(guī)范要求。

表2 閘門焊縫質(zhì)量超聲波探傷成果表

4 TOFD檢測(cè)的應(yīng)用

TOFD檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)廣泛應(yīng)用于壓力容器制造、球罐制造和電力行業(yè)的風(fēng)筒制造及定期檢驗(yàn)。采用TOFD技術(shù)進(jìn)行制造和檢驗(yàn)的設(shè)備，普遍具有大型化高風(fēng)險(xiǎn)、對(duì)接焊縫處壁厚較厚的特點(diǎn)，一旦被檢測(cè)部位的焊接缺陷超過可承受范圍，即會(huì)發(fā)生泄漏或破壞，造成無法挽回的損失。水利行業(yè)所用的水工鋼閘門非常重要，同樣具有上述特點(diǎn)。雖然直接承受水壓的鋼閘門板相對(duì)較薄，但也屬于非常重要的應(yīng)用場(chǎng)合?，F(xiàn)如今，各地大型的水利樞紐紛紛上馬，鋼閘門的焊接焊工任務(wù)重，焊工的焊接質(zhì)量又參差不齊。如果沒有一個(gè)嚴(yán)格的檢測(cè)手段，仍按現(xiàn)有的人工判定的超聲檢測(cè)手段，將給百年大計(jì)的工程留下安全隱患。因此，我們要根據(jù)TOFD檢測(cè)技術(shù)的以下特點(diǎn)，將檢測(cè)手段合理的應(yīng)用到工程中各類焊縫檢測(cè)中，從而保證項(xiàng)目的工程質(zhì)量。

根據(jù)TOFD檢測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，主要適用于以下焊縫缺陷檢出場(chǎng)合：

①焊縫中部缺陷；

②方向性不好的缺陷，特別是向表面延伸的缺陷。

但TOFD檢測(cè)在實(shí)際檢測(cè)中也會(huì)存在一定的困難：

①工件表面附近的缺陷可能存在盲區(qū)，需利用超聲檢測(cè)進(jìn)行彌補(bǔ)。

②可能夸大一些良性的缺陷，如氣孔、冷夾層、內(nèi)部未熔合。

③由于其檢測(cè)精度高，現(xiàn)場(chǎng)“噪聲”對(duì)衍射波會(huì)起一定的干擾作用。

④由于掃查器尺寸的限制，目前僅適用于對(duì)接焊縫的檢測(cè)，對(duì)角焊縫、搭接焊縫、T字焊縫等檢測(cè)有困難。

5 結(jié) 論

TOFD檢測(cè)技術(shù)于2001年左右開始在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用，與規(guī)范中定義的常規(guī)脈沖回波超聲檢測(cè)和射線檢測(cè)技術(shù)相比，其具有操作便捷、一維掃查速度快、對(duì)檢測(cè)人員無輻射傷害、缺陷檢出率高、缺陷精確定位等優(yōu)點(diǎn)，除受一發(fā)一收探頭和掃查器尺寸的限制，對(duì)于角焊縫和T形組合焊縫的仍無法檢測(cè)，需要超聲波檢測(cè)作為補(bǔ)充檢測(cè)手段外，對(duì)對(duì)接焊縫的檢測(cè)完全滿足閘門現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的要求。