TOFD檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展

呂磊

摘要：本文主要介紹了TOFD檢測(cè)技術(shù)在承壓設(shè)備中的應(yīng)用和發(fā)展，系統(tǒng)闡述TOFD檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展概況，TOFD檢測(cè)技術(shù)基本原理，TOFD檢測(cè)技術(shù)圖譜分析，TOFD檢測(cè)技術(shù)盲區(qū)問(wèn)題及解決方法，并結(jié)合TOFD檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)對(duì)其在承壓設(shè)備檢測(cè)中的發(fā)展及應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

Abstract： This paper mainly introduces the application and development of TOFD detection technology in pressure equipment， systematically expounds the development of TOFD detection technology， the basic principle of TOFD detection technology， TOFD detection technology map analysis， blind area of TOFD detection technology and solutions， and prospects its development and application prospect in pressure equipment detection combined with the characteristics of TOFD detection technology.

關(guān)鍵詞：承壓設(shè)備;無(wú)損檢測(cè);TOFD

Key words： pressure equipment;nondestructive testing;TOFD

0 ?引言

隨著超臨界，超超臨界電站鍋爐相繼投入使用，解決了國(guó)內(nèi)電力緊缺的現(xiàn)狀，但由于其承壓設(shè)備壓力大溫度高的特點(diǎn)，一旦發(fā)生爆炸泄漏等失效問(wèn)題將會(huì)對(duì)人身及財(cái)產(chǎn)安全造成不可彌補(bǔ)的損失，因此對(duì)承壓設(shè)備的制造工藝有著十分嚴(yán)格的工藝標(biāo)準(zhǔn)，特別是對(duì)焊縫產(chǎn)品質(zhì)量有著嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)。超臨界及超超臨界機(jī)組主蒸汽管道材質(zhì)為P91，壁厚往往能達(dá)到80mm，P91屬于高合金耐熱鋼其焊接難度大，造成其在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生氣孔、夾渣、未熔合、未焊透、裂紋等焊接缺陷。因此對(duì)大壁厚特別是P91等焊接性較差的材質(zhì)焊縫進(jìn)行有效的無(wú)損檢測(cè)顯得十分必要。TOFD檢測(cè)技術(shù)憑借其在大壁厚部件焊縫中缺陷檢出率高、漏檢率低、現(xiàn)場(chǎng)條件易滿足、靈敏度高、缺陷定位定量準(zhǔn)確率高的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于大壁厚部件焊縫質(zhì)量評(píng)價(jià)[1-3]。

1 ?TOFD檢測(cè)技術(shù)發(fā)展概況

TOFD檢測(cè)技術(shù)首先由英國(guó)國(guó)家NDT中心Mauric Silk博士于上世紀(jì)70年代首先提出，是能夠精確測(cè)量缺陷尺寸的超聲波檢測(cè)技術(shù)，并廣泛應(yīng)用于石油、天然氣和石油化工等工業(yè)領(lǐng)域。為規(guī)范TOFD檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用，美國(guó)、英國(guó)、歐盟和日本相繼制定了行業(yè)內(nèi)TOFD檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，其中BS7706-1993、ENV583-6-2000、CEN/TS-14715-2004、ASTM E2373-2004和NDIS 2423-2001是方法標(biāo)準(zhǔn)，ASME cc 2235-9為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

20世紀(jì)90年代，我國(guó)引進(jìn)并研究TOFD檢測(cè)技術(shù)。2001年中國(guó)第一機(jī)械集團(tuán)公司利用TOFD檢測(cè)技術(shù)代替射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)14條壓力容器70余條焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，并在2004年與中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院合作，制訂頒布了我國(guó)第一個(gè)TOFD檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。2007年以后，TOFD檢測(cè)技術(shù)在我國(guó)特種設(shè)備的應(yīng)用迎來(lái)了高潮;我國(guó)參考國(guó)外多個(gè)TOFD檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合我國(guó)研究成果及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，制訂了NB/T 47013.10-2010《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》，并在2010年12月15日正式實(shí)施[4-6]。

2 ?TOFD檢測(cè)技術(shù)

2.1 TOFD檢測(cè)技術(shù)原理

TOFD檢測(cè)技術(shù)（超聲衍射時(shí)差法）是基于惠更斯原理檢測(cè)缺陷。波有遇到障礙物繼續(xù)通行的現(xiàn)象，稱為衍射。當(dāng)缺陷尺寸小于超聲波的波長(zhǎng)時(shí)，超聲波會(huì)繞過(guò)缺陷處繼續(xù)傳播，衍射波沒(méi)有明顯方向性，并且衍射信號(hào)比反射信號(hào)要小的多，因此TOFD能檢測(cè)出較小缺陷，具有良好的靈敏度。檢測(cè)過(guò)程中采用雙探頭一發(fā)一收模式，探頭具有相同頻率、角度及晶片尺寸，將探頭橫跨焊縫兩側(cè)進(jìn)行非平行及平行掃查。當(dāng)發(fā)射縱波遇到缺陷后，會(huì)在缺陷上下端點(diǎn)產(chǎn)生衍射波，儀器在接收A掃描信號(hào)的同時(shí)，同步產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)D掃面圖像，圖像中會(huì)在直通波和底面反射波之間出現(xiàn)缺陷波，如圖1。

2.2 TOFD檢測(cè)設(shè)備

TOFD檢測(cè)設(shè)備主要包括TOFD檢測(cè)儀、掃查架、探頭、試塊等。TOFD檢測(cè)儀激發(fā)超聲波并接收缺陷衍射波，對(duì)所接收衍射信號(hào)進(jìn)行分析成像，同時(shí)記錄探頭移動(dòng)路徑，并對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)結(jié)果的可追溯性，完成對(duì)缺陷的檢驗(yàn)。TOFD檢測(cè)通常采用小晶片、窄脈沖、寬頻帶、大擴(kuò)散角、高靈敏度的縱波探頭，從而提高精度和分辨力。

2.3 TOFD檢測(cè)圖像顯示

TOFD掃描圖像可分為A掃描圖像、B掃描圖像以及D掃描圖像，TOFD檢測(cè)技術(shù)圖像顯示并非缺陷真實(shí)圖像，而是接收衍射波A掃信號(hào)經(jīng)過(guò)處理形成灰度圖。利用灰階度表示波幅大小，例如當(dāng)波形向正半周期變化時(shí)，灰度向白色漸變;當(dāng)波形向負(fù)半周期變化時(shí)，灰度向黑色漸變。通過(guò)一系列A掃描信號(hào)構(gòu)成一幅TOFD檢測(cè)圖像，如圖2。

2.4 TOFD掃查方式

TOFD掃查方式可分為非平行掃查、偏置非平行掃查、平行掃查三種方式，如圖3。

當(dāng)探頭對(duì)稱放置在焊縫兩側(cè)，沿著焊縫長(zhǎng)度方向進(jìn)行掃查，即探頭移動(dòng)方向與超聲波傳播方向垂直，稱為非平行掃查，所得到圖譜為D掃描圖像。非平行掃查能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍檢測(cè)，焊縫余高不影響掃查，效率高，速度快，因此作為T(mén)OFD檢測(cè)初始掃查方式。但其無(wú)法有效檢測(cè)橫向缺陷，并且無(wú)法檢測(cè)出缺陷偏離焊縫中心的具體位置。

當(dāng)探頭不對(duì)稱放置在焊縫兩側(cè)，沿著焊縫長(zhǎng)度方向進(jìn)行掃查，稱為偏置非平行掃查。偏置非平行掃查可以有效解決軸偏離盲區(qū)問(wèn)題，增大某一側(cè)的檢測(cè)范圍。例如當(dāng)焊縫寬度較大，需要相對(duì)于焊縫中心偏置一定距離，以保證聲束能夠有效覆蓋焊縫熔合線，保證缺陷不漏檢。

當(dāng)探頭放置焊縫兩側(cè)，垂直于焊縫長(zhǎng)度方向進(jìn)行掃查，即掃查方向與聲束傳播方向平行，稱為平行掃查。平行掃查需要去除焊縫余高，能夠有效檢測(cè)焊縫中橫向缺陷，并能夠精確定位缺陷橫向位置。平行掃查往往能夠?qū)Ψ瞧叫袙卟橹械狞c(diǎn)狀缺陷進(jìn)行補(bǔ)充檢測(cè)，判斷缺陷是否為橫向缺陷。

3 ?TOFD圖譜分析

TOFD圖譜相關(guān)顯示分為表面開(kāi)口型缺陷及埋藏性缺陷，其中表面開(kāi)口型缺陷分為掃查面開(kāi)口型缺陷，底面開(kāi)口缺陷和貫穿性缺陷;埋藏缺陷主要包括氣孔、條渣、未焊透、未熔合以及裂紋，如圖4。

掃查面開(kāi)口型缺陷直通波斷開(kāi)，只能觀察到缺陷下端點(diǎn)衍射圖像及底面圖像;底面開(kāi)口型缺陷底面反射波斷開(kāi)，只能觀察到缺陷上端點(diǎn)衍射圖像及直通波圖像;貫穿性缺陷導(dǎo)致部件在厚度方向上的斷裂，因此缺陷位置處的直通波及底波被斷開(kāi)，形成斷續(xù)圖譜。

氣孔是點(diǎn)狀缺陷，由于氣孔缺陷很小，無(wú)高度，因此其缺陷圖譜無(wú)明顯上下端點(diǎn)衍射信號(hào)，信號(hào)呈現(xiàn)弧形;條渣在長(zhǎng)度方向有一段平直信號(hào)，時(shí)斷時(shí)續(xù)，頭尾呈現(xiàn)弧形;對(duì)于X型坡口結(jié)構(gòu)，未焊透缺陷圖譜往往出現(xiàn)在中間位置，缺陷圖譜較平直但不相互平行，類似鋸齒狀;對(duì)于V型坡口結(jié)構(gòu)，未焊透往往出現(xiàn)在底波位置，但與底面開(kāi)口缺陷不同，未焊透底波不斷開(kāi)，能夠發(fā)現(xiàn)下端點(diǎn)衍射信號(hào);未熔合分為坡口未熔合與層間未熔合，其圖譜與未焊透相似，但由于自身高度低，無(wú)法有效辨認(rèn)上下端點(diǎn)，表現(xiàn)為黑度不均勻一定長(zhǎng)度黑線;裂紋缺陷圖像上下端點(diǎn)不規(guī)則，信號(hào)不連續(xù)，信號(hào)端部有許多小的端角，裂紋的危害性最高，檢驗(yàn)時(shí)要引起重視。

4 ?展望

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要為滲透檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、常規(guī)超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)。滲透及磁粉檢測(cè)只能檢測(cè)近表面缺陷，無(wú)法檢測(cè)焊縫中的埋藏缺陷;射線檢測(cè)雖然能夠通過(guò)底片直觀反映出缺陷形態(tài)及性質(zhì)，但是檢測(cè)大壁厚部件時(shí)需要管電壓較大、受輻射影響其使用條件苛刻、效率低，特別是由于射線角度影響對(duì)一些未熔合缺陷漏檢率大，無(wú)法滿足大壁厚部件焊縫探傷應(yīng)用。

常規(guī)超聲檢測(cè)適用于埋藏性缺陷，但其對(duì)缺陷定位定量都是基于缺陷反射波幅，對(duì)于大壁厚部件，其缺陷波幅勢(shì)必降低，提高增益同時(shí)，噪聲信號(hào)也會(huì)提高，信噪比降低，特別是其無(wú)法記錄超聲具體路徑，單純使用常規(guī)超聲檢測(cè)，無(wú)法滿足規(guī)程TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程中》關(guān)于“壓力容器的對(duì)接接頭應(yīng)當(dāng)采用射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)（包括衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)（TOFD）、可記錄的脈沖反射法超聲檢測(cè)和不可記錄的脈沖反射法超聲檢測(cè)）;當(dāng)采用不可記錄的脈沖反射法超聲檢測(cè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用射線檢測(cè)或者衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)進(jìn)行附加局部檢測(cè)?！钡囊?guī)定。TOFD檢測(cè)技術(shù)在大壁厚部件上定位定量準(zhǔn)，尤其能準(zhǔn)確測(cè)量出缺陷自身高度，工作效率高的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用到國(guó)內(nèi)大型壓力容器制造質(zhì)量檢測(cè)中，大大降低了壓力容器制造成本及周期，提高了我國(guó)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)水平[7-8]。但TOFD檢測(cè)技術(shù)也存在一定局限性，TOFD檢測(cè)技在上下表面盲區(qū)的問(wèn)題，需要在檢測(cè)過(guò)程中增加滲透檢測(cè)或磁粉檢測(cè)，對(duì)底面缺陷增加常規(guī)超聲檢測(cè)，以保證盲區(qū)缺陷被有效檢測(cè)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)一些研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)已大大降低了TOFD檢測(cè)技術(shù)表面盲區(qū)問(wèn)題，相信TOFD檢測(cè)技術(shù)表面盲區(qū)問(wèn)題一定會(huì)得到有效解決。

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