陳 雪 峰

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610225)

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TOFD檢測技術(shù)在溧陽抽水蓄能電站蝸殼焊縫質(zhì)量檢查中的應(yīng)用

陳 雪 峰

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610225)

介紹了溧陽抽水蓄能電站將X射線檢測替換為超聲波衍射時差法(TOFD)檢測技術(shù)，有利于提高焊縫缺欠的檢出率。檢測結(jié)果表明：采用該技術(shù)，不僅提高了檢測效率，改善了工作環(huán)境，而且還能縮短工期并減少射線輻射風險等。

TOFD；X射線；溧陽抽水蓄能電站；蝸殼；焊縫質(zhì)量檢測

1 概 述

TOFD(Time-of-flight-diffraction technique)超聲衍射時差檢測技術(shù)是一種依靠超聲波與缺陷端部相互作用發(fā)出的衍射信號來檢出缺陷并對其進行精確定量的檢測技術(shù)，于1977 年由英國國家無損檢測中心的Mauric Silk博士首先提出，后經(jīng)Silk博士和他的合作者經(jīng)過大約10 a時間的研究創(chuàng)造出了能夠探測和確定缺陷尺寸的一整套檢測方法。2000年左右開始，該項技術(shù)在中國逐步得到應(yīng)用。首先應(yīng)用于核工業(yè)設(shè)備在役檢驗，現(xiàn)在在核電、建筑、化工、石化、長輸管道等工業(yè)厚壁容器和管道方面多有應(yīng)用。近幾年在一些大型水電站的蝸殼和水工金屬結(jié)構(gòu)檢測中逐步開始使用該項檢測技術(shù)，如三峽工程、溪洛渡、錦屏等大型水電站。

2 溧陽抽水蓄能電站蝸殼具有的特點

(1)江蘇溧陽抽水蓄能電站共安裝6套額定出力為250 MW的混流可逆式水泵水輪機，座環(huán)、蝸殼由哈爾濱電機廠有限責任公司制造。

(2)蝸殼共有21節(jié)、分八部分組成，第6節(jié)和第16節(jié)為湊合節(jié)，蝸殼第一、第二節(jié)和蝸殼進口段第一、第二節(jié)單獨發(fā)貨運輸。

(3) 蝸殼材質(zhì)為B610CF低合金高強鋼，板厚30～55 mm,焊條為CHE620CFLH。

(4) 蝸殼焊接現(xiàn)場為地下廠房安裝間，現(xiàn)場濕度大、粉塵多、施焊作業(yè)環(huán)境較差。

(5)施工現(xiàn)場有幾家施工單位同時或交叉作業(yè)，來往施工人員較多。

3 TOFD檢測技術(shù)的原理及其與常規(guī)檢測方法的區(qū)別

(1)常規(guī)超聲波探傷技術(shù)為脈沖反射式，利用探頭發(fā)射脈沖波到被檢工件中，通過觀察工件內(nèi)部缺陷或底面反射波的情況對工件進行檢測，包括缺陷回波法、底面高度法和多次底面法(圖1)。

圖1 脈沖反射法示意圖

(2)射線探傷技術(shù)(射線照相法)是利用X射線或伽馬射線穿透工件并與物質(zhì)發(fā)生相互反應(yīng)，因缺陷與工件材質(zhì)存在對射線不同的衰減常數(shù)，從而因膠片上感光程度不同而得到缺陷的潛影并通過膠片記錄下來(圖2)。

(3)TOFD技術(shù)則是以缺陷尖端對超聲波的作用為基礎(chǔ)，利用超聲波的反射、繞射原理對工件進行無損檢驗。TOFD檢測法的特點是利用在固體中傳播速度最快的縱波進行檢測，在焊縫的兩側(cè)，將一對頻率、尺寸、角度相同的縱波斜角探頭對稱放置，在無缺陷部位發(fā)射超聲波脈沖后，首先收到的是直通波，然后是底面反射波。有缺陷存在時，在直通波與底面發(fā)射波之間接收探頭還會收到缺陷尖端產(chǎn)生的衍射信號波。除了上述顯示波以外，還有缺陷和底面波轉(zhuǎn)換成的橫波。橫波的聲速小于縱波的聲速，故其會比縱波稍遲到達接收探頭，其路徑見圖3。

圖2 射線照相法示意圖

圖3 端點衍射時差法示意圖

(4)TOFD具有的檢測特點。

①與常規(guī)脈沖回聲檢測技術(shù)相比，TOFD 在缺陷檢測方面與缺陷的方向無關(guān)。

② 同射線相比，TOFD 可以檢測出與檢測表面不相垂直的缺陷和裂紋。

③可以精確地確定缺陷的高度。

④在安全方面，不需要一個安全、獨立的操作空間，因此可以在不中斷工藝生產(chǎn)的情況下進行檢測，可以節(jié)約設(shè)備制造時間。

⑤可以在線得到檢測結(jié)果且將結(jié)果用數(shù)字信號型式永久保存在光盤中，以便于以后在役檢驗進行對比分析。

⑥可以在線應(yīng)用相關(guān)的工程評定標準對缺陷進行評定，僅將按標準評定的缺陷進行挖補修復，從而避免了無用的破壞焊縫整體性的修補現(xiàn)象。

⑦ 由于其檢測速度快，對于板厚超過25 mm 的材料，成本比RT 少得多。

⑧可以在200 ℃以上的溫度表面進行檢測(已經(jīng)有在400 ℃檢測的實例)。

⑨TOFD 檢測系統(tǒng)易于搬運，可以方便地在任何地方進行檢測。

4 蝸殼安裝焊縫TOFD檢測前的準備工作

(1)人員： TOFD檢測人員應(yīng)具有無損檢測UTⅡ級資格或與其相當?shù)腢TⅡ級資格并經(jīng)過TOFD 專項培訓且有2年以上現(xiàn)場TOFD檢測經(jīng)歷。技術(shù)負責人應(yīng)持有UTⅢ級和TOFDⅡ資格，報告簽發(fā)審核人員應(yīng)當具有UTⅡ級和TOFDⅡ資格，熟悉溧陽水電站檢測用的TOFD標準和作業(yè)指導書，檢測人員矯正視力應(yīng)不低于1，并不得有色盲、色弱。

(2)設(shè)備：儀器常規(guī)性能應(yīng)符合《A型脈沖反射式超聲波探傷儀通用技術(shù)作條》的規(guī)定，選用以色列生產(chǎn)的(單通道)數(shù)字衍射時差探傷儀(型號為:IS0NIC STAR 2005),儀器頻率范圍為0.35～35 MHz，可調(diào)。每次檢測前和檢測后應(yīng)對儀器顯示范圍、顯示延遲、探頭延遲、增益、探頭間距進行校驗。當發(fā)現(xiàn)以上參數(shù)有偏差時，應(yīng)對上次校驗以后所檢測的所有焊縫重新進行檢測。

(3)探頭：探頭主聲束偏離不應(yīng)大于2°，用于B掃描的常規(guī)探頭不得有明顯的雙峰。TOFD操作的兩只探頭應(yīng)有相同或相近的探頭角度、尺寸和頻率。由于該工程板厚為30～55 mm，根據(jù)溧陽抽水蓄能電站TOFD檢測相關(guān)標準規(guī)定，探頭角度優(yōu)先選用60°探頭和45°探頭，直徑宜為6 mm。

(4)PCS(探頭入射點間距)：探頭間距的選擇:為了能檢測到整個焊縫截面內(nèi)的缺欠，探頭間距的調(diào)整宜使兩探頭聲束中心線交點位于焊縫厚度的2/3處。所選定的探頭間距調(diào)整誤差不得大于1 mm;根據(jù)對接焊縫和蝶形邊焊縫的具體情況設(shè)置更能夠有利于缺陷檢測的PCS值。

(5)耦合劑：耦合劑(包括添加劑)不應(yīng)損害被檢測材料，耦合劑可以是工業(yè)漿糊或與其性質(zhì)相近的物質(zhì)，檢測結(jié)束時應(yīng)清除被檢焊縫兩側(cè)的耦合劑。

5 蝸殼焊縫TOFD的實施

(1)由于溧陽抽水蓄能電站業(yè)主在合同中要求100%射線檢測，也就相當于要求100%TOFD檢測，從而要求對所有現(xiàn)場蝸殼焊縫進行打磨拋光處理并達到檢測的要求。焊縫兩側(cè)各200 mm范圍為打磨區(qū)，劃線、儀器現(xiàn)場調(diào)整、探頭PCS調(diào)校等按作業(yè)指導書進行。

(2)第8～16節(jié)蝸殼板厚不超過50 mm，采用單面平行于焊縫的方向進行(非平行掃查)(圖4)，兩只探頭的連線垂直于焊縫。探頭連線的中心與焊縫中心的縱向偏離不得大于5 mm， 否則會影響缺欠評定。原則上宜采用導向裝置，以保證探頭的移動方向始終與焊縫平行。對第1～7節(jié)厚度大于50 mm的管接焊縫應(yīng)實施雙面掃查，在對缺欠進行自身高度測量時，還可以對缺欠部位進行橫向掃查(圖5)。

圖4 探頭沿焊縫方向移動示意圖

圖5 探頭沿垂直于焊縫方向移動示意圖

(3)對所有的焊縫應(yīng)進行分段掃查，每段長度不宜大于450 mm，重疊掃查不小于50 mm，用記號筆在焊縫現(xiàn)場做永久標示。當發(fā)現(xiàn)接近最大允許尺寸的缺陷或需要了解缺陷的更多信息時，宜采用兩種或兩種以上的探頭間距或探頭角度對焊縫進行掃查。

(4)掃查過程中，注意直通波和底面反射波的波幅值，應(yīng)保持直通波波幅在40%上下、不超過5%的范圍內(nèi)，掃查速度不得大于50 mm/s，如此實施保存的掃描圖會比較清晰，不會出現(xiàn)模糊的條帶，有利于對焊縫缺陷衍射信號進行評定和測量。

(5)對蝸殼蝶形邊焊縫采用兩次偏心掃查(D掃)，一次一只探頭靠近焊縫一側(cè)(如過渡板一側(cè))，一次另一只探頭靠近焊縫另一側(cè)(蝸殼瓦片側(cè))，如圖6(a)和(b)。對于第1～7節(jié)的蝶形邊進行兩次偏移掃查，對于第8～16節(jié)現(xiàn)場焊接焊縫和第1～7節(jié)的環(huán)焊縫不進行偏移掃查，對鋼管外壁不進行偏移掃查。

(6)對圖譜上顯示有橫向缺陷的地方，將焊縫余高磨平，進行一次垂直于焊縫方向的D掃。

圖6 蝸殼蝶形近焊縫偏心掃查圖

6 對蝸殼焊縫TOFD檢測出的質(zhì)量問題進行分析

(1)溧陽抽水蓄能電站共裝有6臺蝸殼，分兩瓣安裝，第1～4節(jié)為現(xiàn)場組裝，過渡板板厚為100～65 mm(漸變)，材質(zhì)與蝸殼相同，為B610CF鋼，焊條由廠家統(tǒng)一供貨，焊條型號為CHE620CFLH。蝸殼只有環(huán)縫和蝶形邊焊縫，在檢測第6節(jié)蝸殼安裝焊縫時，上蝶形邊非平行偏心掃查和過焊縫非平行掃查中發(fā)現(xiàn)，在過渡板熔合線和熱影響區(qū)靠近板材內(nèi)側(cè)有斷續(xù)衍射信號顯示(圖7、8)。

從圖7可以看出：在直通波和底面反射波之間有少量的不連續(xù)衍射波顯示，而圖8則在厚板側(cè)(過渡板)直通波和底部反射波之間有明顯的不連續(xù)衍射顯示。這種不連續(xù)衍射顯示只有TOFD檢測才能檢測出來。按照TOFD檢測標準DL/T 330-2010評定規(guī)定，該焊縫按一類焊縫要求檢測，此類缺陷測長大于1/3板厚以及單個缺陷高度不大于4 mm則判定為不合格。區(qū)域焊縫用角磨機磨平，用超聲波直探頭(5P-D20)和斜探頭(2.5P13×13K2.5)對焊縫和熱影響區(qū)實施檢測，有回波很低的間斷回波顯示，按照ASME-Ⅷ-APP-12條款要求得知其是合格的。

圖7 第6節(jié)蝸殼上蝶形邊偏心非平行掃查示意圖

圖8 第6節(jié)蝸殼上蝶形邊蝸殼側(cè)向過渡板側(cè)掃查示意圖

雖然這兩種結(jié)論截然不同，然而都有可靠的標準作為依據(jù)，對此，我們采用碳弧氣刨將焊縫靠過渡板側(cè)打開，用著色探傷儀對TOFD指定的深度區(qū)域進行復檢，發(fā)現(xiàn)零星出現(xiàn)直徑為0.05～0.1 mm左右的氫氣孔和夾渣類缺陷，進而確定了缺陷的性質(zhì)同我們采用TOFD檢測得出的結(jié)論一致。由于蝶形邊焊縫是蝸殼焊縫中相當重要的焊縫，其受力情況復雜且此類高強鋼焊接性一般，韌性遠不及Q345鋼，容易產(chǎn)生疲勞裂紋和氫脆，故經(jīng)項目部技術(shù)部決定，將此節(jié)上蝶形邊進行返工處理以杜絕隱患。

(2)在環(huán)縫的一處返修部位進行復檢時發(fā)現(xiàn)TOFD檢測圖譜出現(xiàn)了未返修部分清楚、而返修區(qū)域出現(xiàn)部分模糊狀圖譜的情況，然而，經(jīng)過用直探頭和不同角度的斜探頭均未能發(fā)現(xiàn)缺陷反射回波，這種情況是之前的Q345鋼沒有出現(xiàn)的。由于已經(jīng)返修過一次，不能對此處焊縫貿(mào)然采用碳弧氣刨的方法。在這種情況下，我們采用Q3505射線機對該焊縫用照相法進行驗證，發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部也是合格的。

對焊接工藝過程審查發(fā)現(xiàn)：返修時焊接參數(shù)偏大很多，未按照焊接工藝進行，焊后采用的熱處理方法不正確等。最終研究決定對返修部位重新進行熱處理，最好的補救方法就是采用去應(yīng)力退火處理或正火處理，然而，現(xiàn)場只能進行退火。在進行完退火處理、緩冷8 h、完成72 h后重新進行TOFD檢測，掃圖模糊區(qū)清晰了很多，其主要原因是在焊接線能量偏大的情況下使焊縫區(qū)晶粒變粗大，對高頻率超聲波檢測衰減較快，從而出現(xiàn)了一個掃圖出現(xiàn)兩種清晰度的情況。

(3)通過采用幾種方法進行比對發(fā)現(xiàn)：TOFD檢測不論對典型的缺陷和非典型分散型缺陷均定性準確、可靠，而且還能對焊接工藝不當時進行旁證。

7 結(jié) 語

(1)溧陽抽水蓄能電站蝸殼經(jīng)過1年多時間的實踐，完成了4臺蝸殼的檢測任務(wù)，在陸續(xù)進行的水壓試驗圓滿成功，驗證了其焊縫的質(zhì)量符合標準要求。TOFD檢測的優(yōu)勢在抽水蓄能機組上又一次得到了驗證，每臺蝸殼節(jié)省的焊縫無損檢測時間為3～5 d，從而為電站早日調(diào)試運行并網(wǎng)發(fā)電起到了重要的作用。

(2)由于TOFD檢測肯定存在盲區(qū)，所以，應(yīng)增加對其近表面區(qū)域進行磁粉檢測；另外，焊縫檢測對其表面粗糙度要求也很高，故應(yīng)對掃查裝置和探傷楔塊進行改造，同時提高儀器的采樣率和分辨率等綜合性能，才能提高工作效率和缺陷定性。

(責任編輯：李燕輝)

2017-04-23

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1001-2184(2017)03-0054-04

陳雪峰(1980-)，男，湖南衡東人，副主任，工程師，學士，從事金屬結(jié)構(gòu)與焊接工作.