TOFD超聲技術(shù)在承壓設(shè)備焊縫檢測中的應(yīng)用*

趙志強(qiáng)

(甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

承壓設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用十分廣泛，在經(jīng)濟(jì)社會中占據(jù)著重要地位。煉油化工設(shè)備是重要的承壓設(shè)備，通常在受壓狀態(tài)下工作，所處理的物質(zhì)多為高壓、超高壓、高溫、腐蝕、有毒、易燃易爆介質(zhì)環(huán)境。這類設(shè)備一旦發(fā)生事故，將嚴(yán)重危害人們的財產(chǎn)及生命安全，并對經(jīng)濟(jì)造成重大損害。因此，承壓設(shè)備被我國列為特種設(shè)備來強(qiáng)制監(jiān)管。隨著我國煉油化工裝置的大型化、高端化、集成化，反應(yīng)器、分離器、管殼式換熱器、球形儲罐等承壓設(shè)備逐漸向厚壁設(shè)計(jì)、分段制造、現(xiàn)場組焊的方向發(fā)展。甚至有些大型加氫設(shè)備壁厚超過300 mm，單個筒節(jié)組件重量超過了300 t。TOFD 技術(shù)(即衍射時差法超聲檢測技術(shù)，以下簡稱“TOFD技術(shù)”)作為無損檢測新技術(shù)，在厚壁容器焊縫內(nèi)部缺陷的檢出率方面優(yōu)勢突出，近些年在承壓設(shè)備檢測中推廣應(yīng)用，已成為承壓設(shè)備檢測的重要手段。

筆者重點(diǎn)對承壓設(shè)備TOFD檢測技術(shù)特點(diǎn)和工藝特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)研究分析，提出典型焊縫結(jié)構(gòu)TOFD檢測探頭掃查及布置形式，厘清盲區(qū)覆蓋特點(diǎn)、曲面縱縫檢測特點(diǎn)、不銹鋼和碳鋼檢測差異、不等厚檢測探頭選擇等重點(diǎn)問題和關(guān)鍵技術(shù)，并指出大厚壁、超大厚壁、不等厚壁承壓設(shè)備焊縫TOFD檢測質(zhì)效的提升方向。

1 國內(nèi)外發(fā)展概況

1972年，TOFD技術(shù)率先由英國哈威爾無損檢測中心Dr.Silk M G提出[1]。隨著英國工業(yè)的發(fā)展，到了20世紀(jì)90年代，英國出臺了BS7706標(biāo)準(zhǔn)[2]，美國ASME在規(guī)范案例2235[3]和第Ⅴ卷《無損檢測》附錄[4]中列入了TOFD相關(guān)的規(guī)范和條款。2000年日本和歐盟相繼推出TOFD專用的檢測標(biāo)準(zhǔn)，如ENV583-6-2000等[5]。20世紀(jì)90年代，我國開始引進(jìn)和研究TOFD技術(shù)。2001年，中國一重率先將TOFD技術(shù)用于承壓設(shè)備焊縫檢測，探索用新技術(shù)取代照相法射線檢測，并取得首批14臺70余條焊縫的有效檢測。2004年，中國一重與中國特檢院攜手完成了我國第一個TOFD標(biāo)準(zhǔn)的編訂工作。2007年左右，TOFD技術(shù)在國內(nèi)的推廣普及呈規(guī)模化發(fā)展，甚至不少企業(yè)開始試驗(yàn)研究在不同壁厚承壓設(shè)備生產(chǎn)及在役檢測中采用“TOFD+相控陣”技術(shù)融合[6-7]。2010年，我國在參考國外規(guī)范和吸收國內(nèi)實(shí)踐成果基礎(chǔ)上，制訂了《承壓設(shè)備無損檢測第10部分：衍射時差法超聲檢測》TOFD標(biāo)準(zhǔn)[8]，進(jìn)一步加快TOFD技術(shù)在我國承壓設(shè)備生產(chǎn)和在役檢測中的推廣應(yīng)用[9]。

2 基本原理

TOFD技術(shù)是應(yīng)用惠更斯原理實(shí)現(xiàn)缺陷檢測的，是利用超聲波在傳播過程中遇到障礙物會發(fā)生衍射這一現(xiàn)象。所以為了與傳統(tǒng)方式區(qū)別，該法也被稱為衍射時差法超聲波檢測技術(shù)。

在缺陷尺寸比超聲波長小的情況下，超聲波仍會繞過缺陷位置繼續(xù)傳播，所以缺陷引起的衍射波并無明顯的方向性。由于缺陷引起的衍射信號比反射信號小很多，所以TOFD 技術(shù)能檢測更小的缺陷。

TOFD檢測采用雙探頭、一發(fā)一收方式進(jìn)行信號發(fā)射和采集。要求兩掃查探頭頻率、角度及晶片規(guī)格相同，橫跨被檢焊縫兩側(cè)。掃查方式一般有非平行掃查、偏置非平行掃查、平行掃查、斜向掃查等。掃查過程中，探頭發(fā)射的縱波在碰到缺陷后，在缺陷上下端點(diǎn)處產(chǎn)生衍射信號。由于其下端點(diǎn)衍射信號用時多于上端點(diǎn)，可用這個時間差作為量值確定缺陷自身高度。缺陷深度也可同理得出。缺陷埋藏深度通過上端點(diǎn)信號延遲與直通波的差值來計(jì)算得出。最終，這些特征信息將按照一定的規(guī)則顯示在圖譜上，供質(zhì)量評定。儀器顯示屏主要顯示A掃圖像和對應(yīng)的TOFD圖像。TOFD圖譜直通波和底波分別顯示工件上表面和下表面附近的信息。缺陷端點(diǎn)衍射信號處于直通波至底波之間的區(qū)域。原理如圖1所示。圖中D為母材厚度，d為缺陷深度，h為缺陷自身高度，PCS為探頭中心間距。

圖1 TOFD檢測原理圖

3 技術(shù)特點(diǎn)

3.1 缺陷檢測特點(diǎn)

與常規(guī)脈沖反射法相比，TOFD技術(shù)檢測精度和可靠性不受缺陷取向和入射波角度影響，檢出率能達(dá)到90%[10]。對大角度橫向缺陷可用斜向非平行方式掃查。研究表明，當(dāng)缺陷取向與焊縫軸線夾角小于50°時，能夠在D掃顯示中辨別斜向缺陷和點(diǎn)狀缺陷。當(dāng)夾角超過50°時，斜向缺陷特征逐漸向短弧形特征過渡，呈現(xiàn)出點(diǎn)狀缺陷的拋物線形特征，此時缺陷性質(zhì)和長度基本無法判斷和定量[11]。此成果已列入新版TOFD標(biāo)準(zhǔn)?？稍趯?shí)際應(yīng)用中用30°～60°范圍傾斜角進(jìn)行橫向缺陷的斜向非平行掃查，此方法可以增大探頭波束能量，提高橫向缺陷檢出率。而傳統(tǒng)檢測方法對橫向缺陷的檢測存在劣勢。如射線透照小尺寸橫向裂紋時很難拍出裂紋影像[12]；脈沖法超聲雖利于裂紋缺陷檢測，但對橫向缺陷位向要求很高，稍有不當(dāng)，便無法探得缺陷信號，容易導(dǎo)致橫向缺陷漏檢。

3.2 檢測設(shè)備特點(diǎn)

TOFD設(shè)備零部件相對較多，對設(shè)備裝配和人員的操作能力要求相對較高。設(shè)備一般包括主機(jī)、探頭、掃查架、測定試塊、對比試塊等。TOFD儀器通電后，一側(cè)探頭發(fā)出入射波，另一側(cè)探頭接收直射、反射、衍射的出射信號，再經(jīng)主機(jī)收集、處理、合成焊縫內(nèi)部信息圖像。設(shè)備主機(jī)在接收信號的同時實(shí)時計(jì)算真實(shí)路徑長度并同步記錄，從而保證了缺陷顯示信息和實(shí)際焊縫的一一對應(yīng)。這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確保了檢測結(jié)果的再現(xiàn)性。TOFD探頭是非常重要的器材，工程上通常選用高靈敏度縱波探頭。一般要求小晶片、寬頻帶、窄脈沖、大擴(kuò)散角，來保證檢測圖像的較高分辨力和檢測精度。

3.3 圖像顯示特點(diǎn)

與傳統(tǒng)超聲檢測顯示不同，TOFD信息顯示分A掃描信號和TOFD圖像。A掃描信號是超聲波的波形顯示，橫軸表示波的傳播時間，縱軸表示波幅。TOFD圖像是檢測數(shù)據(jù)的二維顯示，一個軸表示探頭移動的距離，一個軸表示工件材料的深度。TOFD圖像顯示的并不是缺陷本身的實(shí)際幾何形貌，而是通過所接收到的衍射信號復(fù)合轉(zhuǎn)換形成的灰度圖，是具體由A掃信號對應(yīng)形成的不同灰階顯示?；译A度具體對應(yīng)波幅大小，隨周期性變化灰度發(fā)生黑白色調(diào)的漸變。通常，當(dāng)波形向正半周期轉(zhuǎn)換時，灰度向白色轉(zhuǎn)變。波形向負(fù)半周期轉(zhuǎn)換時，灰度向黑色轉(zhuǎn)變。一系列A掃信號連續(xù)疊加形成整幅TOFD圖譜。所以，評圖時需借助A掃信號來精確定量、定位和分析缺陷。

4 工藝特點(diǎn)

4.1 典型結(jié)構(gòu)的探頭布置

總體來說，煉油化工類的承壓設(shè)備焊縫結(jié)構(gòu)TOFD檢測掃查形式主要包括等厚度焊縫布置和不等厚焊縫布置。其中等厚焊縫布置分為平面布置、凸面布置、凹面布置。不等厚焊縫布置包括掃查面平齊、底面平齊、雙面不平齊等布置。一般單側(cè)平齊的不等厚檢測可通過兩次不同位置的非平行掃查外加一次偏置非平行掃查的方式來檢測，同時注意對近表面盲區(qū)補(bǔ)充檢測。這里忽略波型轉(zhuǎn)換效應(yīng)，繪制了TOFD在煉油化工類承壓設(shè)備焊縫檢測中的典型探頭布置。如圖2～8所示為典型探頭布置及信號路徑的聲程簡圖。圖2中DT，D為超聲指示深度，T為試件厚度。

圖2 等厚凸面的探頭布置的非平行掃查

圖3 等厚凹面的探頭布置的非平行掃查

圖4 不等厚底面平齊的探頭布置(一側(cè)探頭在削邊斜面)的非平行掃查

圖5 不等厚底面平齊的探頭布置(一側(cè)探頭在厚側(cè)平面)的非平行掃查

圖6 不等厚底面平齊的探頭布置(一側(cè)探頭在厚側(cè)平面)的偏置非平行掃查

圖7 掃查面平齊的探頭布置的非平行掃查

圖8 掃查面平齊的探頭布置的偏置非平行掃查

4.2 主要參數(shù)選擇

TOFD對缺陷的定量不受波幅大小影響，所以對面積型缺陷和線性缺陷的測高誤差一般不大于1 mm。但如果在非平面平齊結(jié)構(gòu)或曲面結(jié)構(gòu)縱縫檢測時，參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)，會嚴(yán)重影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，特別是工件上表面和下表面附近的缺陷檢測。受直通波和上表面盲區(qū)覆蓋參數(shù)計(jì)算不合理的影響，盲區(qū)可能擴(kuò)大。甚至有些情況下，盲區(qū)會擴(kuò)大到焊件厚度的20%～30%。對于因底波信號過大導(dǎo)致超聲波信號等距離橢圓軌跡以外埋藏在底波內(nèi)信號無法被識別的軸偏離底面盲區(qū)，一般可考慮在焊縫根部位置設(shè)計(jì)兩次左右偏置的非平行掃查。

探頭是TOFD檢測工作中的重要部件，決定了檢測過程各環(huán)節(jié)的效果。探頭內(nèi)部相關(guān)部件質(zhì)量也會直接影響檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。一般要求在滿足靈敏度的基礎(chǔ)上，對TOFD探頭角度、晶片尺寸、頻率和掃查次數(shù)等進(jìn)行合理選擇，以獲得足夠的信噪比和檢測能力。推薦選擇較大晶片和較低頻率的探頭，同時考慮縱向分辨力和聲束擴(kuò)散的因素。頻率方面需保證底波至直通波間的時差，不少于二十個完整的信號傳播周期。

對于不等厚底面平齊的焊縫檢測(如圖4所示斜面掃查時)，在進(jìn)行主聲束角度確定時，需要根據(jù)削邊幾何結(jié)構(gòu)計(jì)算探頭折射角和厚側(cè)探頭距離，以保證波束覆蓋率。相關(guān)試驗(yàn)表明，這種提前改變了探頭角度但仍按薄側(cè)設(shè)置PCS的情況下，測得的缺陷自身高度與等厚測量情況基本相同，但因厚側(cè)信號傳遞用時較長，缺陷埋深顯示值較實(shí)際略大[13]。

5 注意問題

承壓設(shè)備TOFD檢測中，應(yīng)充分了解設(shè)備性能和結(jié)構(gòu)，綜合考慮影響檢測質(zhì)量和效率的關(guān)鍵因素，制定相關(guān)工藝和措施，從而實(shí)現(xiàn)改善產(chǎn)品質(zhì)量和提升檢測效率的目的。

(1) 盲區(qū)覆蓋。相關(guān)試驗(yàn)表明，磁粉檢測能發(fā)現(xiàn)埋深3 mm以內(nèi)的缺陷。因此，掃查面盲區(qū)小于等于3 mm區(qū)域內(nèi)的表面及近表面缺陷可用磁粉補(bǔ)充檢測，確保待檢結(jié)構(gòu)焊縫及熱影響區(qū)全厚度尺寸的100%檢測。對于一次掃查覆蓋不夠或盲區(qū)超過3 mm的情況，可通過優(yōu)化計(jì)算和適當(dāng)安排多次偏置非平行掃查來實(shí)現(xiàn)覆蓋[14]。另外，盡量避免聲能衰減過大的檢測角度，確保檢測的可靠性。

(2) 曲面縱縫檢測時顯示深度與實(shí)際深度的區(qū)別。在曲面縱縫檢測中，缺陷指示深度一般都不等于實(shí)際深度值。檢測面為凸面，其指示深度小于實(shí)際深度。檢測面為凹面，指示深度則大于實(shí)際深度。在凸面容器表面上掃查時，直通波是按兩探頭入射點(diǎn)連線進(jìn)行直線傳播的，爬波是沿著弧長晚于直通波被接收，因此會有一個較寬的盲區(qū)。 為提高大曲率工件檢測時的探頭耦合效率，建議選用小尺寸晶片探頭。

(3) 不銹鋼和碳鋼在材質(zhì)方面的差異。通常不銹鋼具有晶粒粗大和晶界面積大等結(jié)構(gòu)特征，超聲信號在其內(nèi)部的聲衰減非常嚴(yán)重。特別是不銹鋼復(fù)合板焊接結(jié)構(gòu)，由于存在基層和覆層的異種鋼結(jié)合結(jié)構(gòu)特征，其材料性能差異和晶粒狀況對聲信號的影響很大，這嚴(yán)重影響檢測靈敏度。研究表明，從覆層側(cè)進(jìn)行掃查的信噪比相比基層側(cè)更高，相對而言雜波較少，且可視有效區(qū)范圍較大[15]。

(4) 不等厚情況下探頭的選擇。對薄工件檢測而言，其對分辨力的要求高，而對穿透力的要求較低，可選擇小晶片、大角度、尺寸探頭、高頻率。對厚件檢測而言，其對分辨力的依賴相對降低，而對穿透力要求提高。隨工件厚度的增加，選用的探頭頻率可適當(dāng)減小、聲束折射角適當(dāng)減小、晶片尺寸可適當(dāng)增大。

6 結(jié) 語

隨著TOFD技術(shù)理論和工程實(shí)踐的持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展，其在煉油化工領(lǐng)域承壓設(shè)備焊縫檢測中的應(yīng)用越來越廣泛，并逐漸從應(yīng)用初期中厚平齊對接焊縫檢測，向大厚、超大厚、不等厚及曲率焊縫檢測領(lǐng)域推廣，使得承壓設(shè)備主體焊縫檢測的覆蓋面持續(xù)擴(kuò)大和提高。但在技術(shù)推廣應(yīng)用過程中，面對承壓設(shè)備制造中的新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝，TOFD檢測仍面臨新問題、新環(huán)境、新挑戰(zhàn)。在煉油化工類承壓設(shè)備規(guī)?；?、專業(yè)化制造的真實(shí)工況下，TOFD技術(shù)高質(zhì)量檢測的關(guān)鍵影響因素研究和工藝技術(shù)優(yōu)化是TOFD技術(shù)工程實(shí)踐中需要正確面對和不斷解決的問題，需要更多的工程技術(shù)人員和專家學(xué)者持續(xù)關(guān)注和研究解決。