胡述超 王業(yè)民 龔華

中國石油天然氣第一建設(shè)公司 河南洛陽 471023

球形儲罐對接焊縫衍射時差法超聲檢測(TOFD)技術(shù)控制要點

胡述超 王業(yè)民 龔華

中國石油天然氣第一建設(shè)公司 河南洛陽 471023

通過對球形儲罐對接焊縫衍射時差法超聲檢測(TOFD)技術(shù)分析,提出確保檢測質(zhì)量的幾個關(guān)鍵技術(shù)要點,對該技術(shù)的應(yīng)用的準(zhǔn)確性起到保障作用,從而提高TOFD檢測技術(shù)在球罐檢測中的準(zhǔn)確性和可靠性。

球罐對接焊縫衍射時差法超聲檢測

目前,球形儲罐對接焊縫衍射時差法超聲檢測(TOFD)技術(shù)應(yīng)用非常廣泛,該方法在許多工程中替代了γ射線全景曝光方法,克服了射線檢測周期長、成本高、存在輻射危害等不利因素。但是TOFD檢測過程中,如果不能正確實施操作,就會導(dǎo)致檢測結(jié)果不準(zhǔn)確、缺陷誤判、評定過嚴(yán)或漏檢等間題,因此需要對操作中的關(guān)鍵參數(shù)進行控制,達(dá)到最佳的檢測效果。

本文所指球罐容積為1000m3～8000m3,結(jié)構(gòu)為三帶或者五帶混合式,材質(zhì)為碳素鋼或低合金鋼制容器鋼。

1 球罐對接焊縫TOFD檢測工藝流程的確定

工藝流程的確定非常重要,主要應(yīng)考慮下列內(nèi)容：

(1)查閱被檢工件原始資料,了解被檢工件的相關(guān)技術(shù)參數(shù)和檢測要求；

(2)編制檢測專用工藝或工藝卡；

(3)人員、設(shè)備、試塊準(zhǔn)備；

(4)檢測準(zhǔn)備,確定檢測區(qū)域、探頭選擇和設(shè)置、掃查方式的選擇、掃查面準(zhǔn)備；

(5)檢測系統(tǒng)設(shè)置和校準(zhǔn)(設(shè)置：A掃時間窗口、靈敏度,校準(zhǔn)及測試：-12dB擴散角、盲區(qū)、深度、編碼器)；

(6)實施TOFD檢測,按照所編制的檢測工藝進行；

(7)數(shù)據(jù)分析和解釋；

(8)缺陷評定與驗收；

(9)發(fā)放檢測報告。

2 檢測前的準(zhǔn)備工作

2.1 技術(shù)準(zhǔn)備

(1)檢測前應(yīng)了解球罐設(shè)計圖紙、名稱、編號、類別、材質(zhì)、坡口尺寸角度、焊縫長度、焊接工藝、熱處理方式、檢測執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和驗收等級等相關(guān)資料。

(2)檢測時機：要求受檢工件應(yīng)經(jīng)形狀尺寸和外觀質(zhì)量檢查合格和焊接完成24h后,方可進行無損檢測。

2.2 檢測人員

(1)從事TOFD檢測的人員應(yīng)當(dāng)按照相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范要求,獲得特種設(shè)備無損檢測人員超聲波檢測TOFD專項資格,方可從事相應(yīng)資格等級規(guī)定的檢測工作,并負(fù)相應(yīng)的技術(shù)責(zé)任。

(2)TOFD檢測人員應(yīng)熟悉國家和行業(yè)的檢測標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范以及本公司的有關(guān)檢測工藝規(guī)程,并具有實際檢測經(jīng)驗和一定的鍋爐、壓力容器、壓力管道結(jié)構(gòu)及制造基礎(chǔ)知識。

(3)TOFD檢測報告、檢測方案等技術(shù)文件的編制、審核、批準(zhǔn)、簽發(fā)人員應(yīng)按本公司質(zhì)量管理體系文件要求執(zhí)行。

2.3 檢測設(shè)備及器材準(zhǔn)備

2.3.1 檢測設(shè)備準(zhǔn)備

(1)進行TOFD檢測時,應(yīng)依據(jù)檢測工作量的要求,配備相應(yīng)的TOFD儀器和數(shù)字超聲波儀器、磁粉機、黑光燈等輔助檢

測設(shè)備。

(2)用于球罐主體對接焊縫檢測的TOFD儀器,至少為一收一發(fā)兩個以上通道。TOFD儀器、超聲波探傷儀、磁粉機、黑光燈等性能,應(yīng)滿足NB/T47013的相關(guān)要求。

2.3.2 檢測器材和材料

(1)TOFD檢測用的探頭和楔塊,應(yīng)根據(jù)被檢焊縫厚度和坡口類型進行適當(dāng)?shù)倪x擇；

(2)TOFD檢測用的掃查裝置要求,探頭夾持部分能調(diào)整和設(shè)置探頭間距,并在掃查時探頭間距和相對角度保持不變。另外,需要進行橫向缺陷TOFD檢測時,應(yīng)配置探頭與焊縫軸線可傾斜的掃查裝置；

(3)進行TOFD檢測時,所使用的禍合劑可選用水或化學(xué)漿糊作為禍合劑,但注意實際檢測用的禍合劑應(yīng)與儀器調(diào)校時的禍合劑相同。

2.3.2 檢測器材和材料的要求

進行TOFD檢測時,所使用的TOFD調(diào)校試塊：有探頭聲場測試試塊(CSK-IA)、對比試塊、焊縫模擬試塊、盲區(qū)高度測試試塊,具體要求如下：

(1)對比試塊應(yīng)采用與被檢球罐材質(zhì)和厚度相同或相近的平面人工反射體對比試塊,進行深度和靈敏度調(diào)校及校準(zhǔn)。

(2)模擬試塊制作的材質(zhì)應(yīng)采用與球殼板同材質(zhì)或近似,厚度、坡口形式和焊接工藝應(yīng)與被檢球罐相同,缺陷分布、缺陷類型、長度應(yīng)滿足NB/T47013.10的要求。

(3)掃查面盲區(qū)高度測試試塊的制作,設(shè)置有：不同深度的矩形槽(長度20mm,深度1mm～9mm),不同深度的側(cè)孔(孔徑Φ2mm、深度4mm～9mm)；

2.4 檢測部位表面要求

2.4.1 檢測面要求

(1)被檢焊縫外觀的形狀尺寸符合有關(guān)規(guī)范要求和設(shè)計圖紙規(guī)定。

(2)掃查面探頭移動區(qū)內(nèi),應(yīng)清除焊接飛濺、鐵屑、油垢及其他雜質(zhì),并應(yīng)平整便于探頭的掃查,表面粗糙度Ra值應(yīng)不低于12.5μm,一般應(yīng)進行拋光打磨。

(3)留有余高的焊縫,如果焊縫表面有咬邊、較大的隆起和凹陷等應(yīng)進行適當(dāng)?shù)男弈?并作圓滑過渡以免影響檢測結(jié)果的評定。

2.4.2 丁字焊縫打磨要求

進行TOFD檢測前,首先應(yīng)對“T和Y”型焊縫進行余高去除打磨,打磨高度與母材一致。有助于縱焊縫和環(huán)焊縫掃查時,便于掃查裝置的移動不受到阻礙和探頭的禍合,打磨長度以交叉處為中心向外各250mm。

2.5 檢測前準(zhǔn)備

2.5.1 檢測工藝的編制

(1)檢測前,應(yīng)根據(jù)檢測標(biāo)準(zhǔn)要求結(jié)合被檢工件技術(shù)參數(shù)、探頭和楔塊的選擇情況,以及檢測盲區(qū)高測試、-12dB聲束擴散角測試結(jié)果,編制TOFD檢測工藝。

(2)按TOFD檢測工藝技術(shù)參數(shù)的要求,在模擬焊縫試件上進行工藝驗證。能夠清晰顯示出所設(shè)置的缺陷,所測量的模擬缺陷尺寸應(yīng)盡量接近其實際尺寸。

2.5.2 檢測區(qū)域的確定

(1)檢測區(qū)域高度為球罐板厚度。

(2)檢測區(qū)域?qū)挾葹楹缚p本身再加上焊縫熔合線兩側(cè)各10mm的范圍,焊縫檢測區(qū)域見圖1所示。

圖1 焊縫檢測區(qū)域

2.5.3 表面盲區(qū)高度的確定及輔助檢測方法

(1)掃查面盲區(qū)高度的確定：應(yīng)根據(jù)探頭配制及設(shè)置,采用非平行偏置掃查法對盲區(qū)試塊上的人工缺陷(表面矩形槽、側(cè)孔)進行掃查,觀察圖譜顯示清晰可見矩形槽及側(cè)孔最小深度的較小值為上掃查面盲區(qū)的高度,并進行記錄。

(2)掃查面盲區(qū)輔助檢測方法：當(dāng)盲區(qū)高度在2mm以內(nèi)時,采用磁粉附加檢測；當(dāng)盲區(qū)高度在2mm以上時,應(yīng)在另一面采用非平行掃查或在焊縫兩側(cè)各增加一次偏置非平行掃查。

(3)底部盲區(qū)高度的確定：根據(jù)工件厚度、探頭、PCS配置,利用式(1)計算出偏離焊縫中心X處的底面盲區(qū)高度(見表1)。公式：

式中：X——底部檢測區(qū)域?qū)挾鹊囊话?mm),

S——兩探頭入射點之間距離的一半(mm),

T——球罐板厚度(mm),

h——底部盲區(qū)高度(mm)；

(4)底部盲區(qū)輔助檢測方法：當(dāng)盲區(qū)高度在2mm以內(nèi)時,采用磁粉附加檢測；當(dāng)盲區(qū)高度在2mm以上時,應(yīng)在焊縫兩側(cè)各增加一次偏置非平行掃查。

(5)偏置非平行掃查的偏移距離確定：一般按經(jīng)驗值(1/4底部檢測寬度)或按公式(2))理論計算值,并在檢測工藝中注明。公式：

式中：X——底部檢測區(qū)域?qū)挾鹊囊话?mm；

S——兩探頭入射點之間距離的一半,mm；

T——球罐板厚度,mm；

h——底部盲區(qū)高度,式中h=1mm。

表1 底部盲區(qū)高度計算結(jié)果

2.5.4 探頭-12dB聲場測試

(1)編制檢測工藝前,應(yīng)對所選擇的探頭進行-12dB聲場進行測試,確定深度覆蓋和底部寬度覆蓋范圍。

(2)可采用CSK-I試塊上的R100弧面進行測試。

2.5.5 TOFD掃查模式及掃查次數(shù)的確定

(1)掃查模式：為減小掃查面盲區(qū),采用雙面掃查。

(2)掃查次數(shù)：根據(jù)盲區(qū)高測試結(jié)果見表1,確定的掃查次數(shù)見表2所示。

表2 焊縫TOFD掃查位置及次數(shù)

2.6 檢測系統(tǒng)設(shè)置

2.6.1 探頭中心間距的設(shè)定

(1)初始掃查時,探頭中心距離設(shè)置為該探頭對的聲束交點位于覆蓋區(qū)域的2/3深度處。對于非平行掃查發(fā)現(xiàn)的接近最大允許尺寸的缺陷或需要了解缺陷更多信息時,建議對于缺陷部位改變探頭設(shè)置進行非平行掃查、偏置非平行掃查、平行掃查或脈沖反射法超聲檢測,見圖2所示。

圖2 探頭入射點間距示意圖

(2)探頭中心距離計算公式見公式(3)和(4)。

式中：dm——聲束在焊縫深度方向的匯交深度,mm；

PCS——兩探頭入射點間的距離,mm；

T——球罐板厚度,mm；

θ——探頭楔塊角度,度。

2.6.2 時間窗口設(shè)置

(1)檢測前應(yīng)對檢測通道的A掃描時間窗口進行設(shè)置。

(2)A掃描時間窗口起始位置應(yīng)設(shè)置為直通波到達(dá)接收探頭前0.5μs以上,A掃描時間窗口終止位置為工件底面一次變形波后0.5μs以上。

2.6.3 靈敏度設(shè)置

(1)檢測前應(yīng)設(shè)置進行檢測通道的靈敏度。

(2)當(dāng)采用對比試塊上的標(biāo)準(zhǔn)反射體設(shè)置靈敏度時,需要將較弱的衍射信號波幅設(shè)置為滿屏高的40～80%,并在實際掃查時進行表面禍合補償。

(3)當(dāng)采用工件上的直通波波幅進行靈敏度設(shè)置時,直通波波幅高度設(shè)定到滿屏高的40～80%。

2.6.4 掃查增量設(shè)置

工件厚度在12mm≤t≤150mm范圍內(nèi)時, 掃查增量最大值為1.0mm；

2.7 系統(tǒng)校準(zhǔn)

2.7.1 位置傳感器校準(zhǔn)

(1)檢測前應(yīng)對位置傳感器進行校準(zhǔn)。

(2)校準(zhǔn)方法：是使掃查器移動500mm距離,儀器顯示位移與實際位移進行比較,其誤差應(yīng)小于1%。

2.7.2 深度校準(zhǔn)

(1)檢測前應(yīng)對直通波和底波所反應(yīng)的工件深度進行校準(zhǔn)。

(2)校準(zhǔn)方法：是在已知厚度的工件或試塊上進行,深度校準(zhǔn)應(yīng)保證深度測量誤差不大于工件厚度的1%或0.5mm(取較大值)。

3 焊縫TOFD掃查過程中關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)

3.1 掃查軌跡

掃查時應(yīng)確保探頭的運動軌跡與擬掃查路徑間的誤差不超過探頭中心間距的10%。

3.2 分段掃查覆蓋

(1)對焊縫進行分段掃查時,則各段掃查區(qū)的重疊范圍至少為20mm。

(2)無論對縱焊縫掃查還是對環(huán)焊縫掃查,丁字焊縫應(yīng)保證在圖譜中全顯示。

3.3 掃查過程觀察

(1)掃查過程中應(yīng)密切注意波幅狀況。若發(fā)現(xiàn)直通波、底面反射波、材料晶粒噪聲或波型轉(zhuǎn)換波的波幅降低12dB以上或懷疑禍合不好時,應(yīng)重新掃查該段區(qū)域。若發(fā)現(xiàn)直通波滿屏或晶粒噪聲波幅超過滿屏高20%時,則應(yīng)降低增益并重新掃查

(2)掃查過程中若發(fā)現(xiàn)有斷線狀況,應(yīng)立即停止并重新掃查。

(3)掃查過程中若發(fā)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)量未滿足所檢測焊縫長度的要求時,應(yīng)重新掃查。

3.4 掃查速度控制

掃查時應(yīng)保證掃查速度不宜過快,一般應(yīng)不超過50mm/s。最大掃查速度vmax可根據(jù)公式(5)計算；

式中：vmax——最大掃查速度,mm/s；

PRF——激發(fā)探頭的脈沖重復(fù)頻率,Hz；ΔX——設(shè)置的掃查增量值,mm；

N——設(shè)備的信號平均次數(shù)(一般取1～4)。

3.5 檢測數(shù)據(jù)文件的命名規(guī)則

數(shù)據(jù)文件的命名應(yīng)有：工程編號、球罐編號、焊縫編號、掃查部位的分段編號等。

對返工復(fù)檢部位應(yīng)加返工標(biāo)記和次數(shù)(即R1···n)。

3.6 現(xiàn)場檢測記錄

檢測前應(yīng)繪制示意圖,包括工件編號、焊縫編號、分段檢測位置編號、檢測面區(qū)分標(biāo)志。

焊縫受檢分段部位應(yīng)有分段標(biāo)識,起始點用“0”表示,掃查方向用箭頭“→”表示,并用記號筆劃定,標(biāo)識應(yīng)對掃查無影響。

檢測完成后繪制檢測部位圖,作為原始記錄。

3.7 檢測數(shù)據(jù)的有效性評價

分析數(shù)據(jù)之前應(yīng)對所采集的數(shù)據(jù)進行評估以確定其有效性,應(yīng)滿足如下要求：

(1)數(shù)據(jù)是基于掃查增量的設(shè)置而采集的；

(2)采集數(shù)據(jù)量滿足所檢測焊縫長度的要求；

(3)數(shù)據(jù)丟失量不得超過整個掃查的5%,且不允許相鄰數(shù)據(jù)連續(xù)丟失。

(4)采集的數(shù)據(jù)量應(yīng)滿足以下要求：各段掃查區(qū)的重疊范圍至少為20mm。對于環(huán)焊縫,掃查停止位置應(yīng)越過起始位置至少20mm。

(5)信號波幅改變量應(yīng)在12dB以上范圍之內(nèi)。

若數(shù)據(jù)無效,應(yīng)糾正后重新進行掃查。

我公司通過對山東日照、陜西咸陽、云南昆明等52臺1000m3～3000m3球罐工程的實際應(yīng)用,總結(jié)出上述對球罐對接焊縫進行TOFD檢測時,提高檢測質(zhì)量應(yīng)注意的關(guān)鍵點,對同行有一定的借鑒意義。

1 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》TSG4-2016

2 強天鵬主編：《衍射時差法(TOFD)超聲檢測技術(shù)》2009年2月

3 《承壓設(shè)備無損檢測第10部分：衍射時差法超聲檢測》NB/T47013. 10

圖13 實際吊裝過程

參考文獻

1 陳永當(dāng),任慧娟,武欣竹.基于Solidworks Simulation的有限元分析方法.CAD/CAM與制造業(yè)信息化·2011,9

2 張希黔,石毅.上海正大廣場鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工方案虛擬仿真系統(tǒng).《施工技術(shù)》2000年08期第28-31頁

(收稿日期：2015-10-21)

TB303

B

1672-9323(2016)05-0063-04

2016-10-02)