TOFD技術(shù)在球罐定期檢驗(yàn)中的應(yīng)用

劉祚平

綿陽(yáng)市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所 四川綿陽(yáng) 621000

隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，球罐在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越多，球罐在使用過(guò)程中為了確保安全，必須對(duì)其進(jìn)行定期檢驗(yàn)。定期檢驗(yàn)中，對(duì)接焊縫的無(wú)損檢測(cè)又是其中重要的項(xiàng)目之一，現(xiàn)在常用的無(wú)損檢測(cè)方法有：常規(guī)超聲檢測(cè)、X射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、聲發(fā)射等技術(shù)。其中射線檢測(cè)對(duì)環(huán)境的防護(hù)條件成本高，不夠經(jīng)濟(jì)，并且隨著檢測(cè)厚度的增大，射線能量需求和透照時(shí)間也增大，拍出來(lái)的底片效果就越不清晰，導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度不夠。而常規(guī)超聲檢測(cè)是基于缺陷反射信號(hào)波幅大小來(lái)判斷是否存在缺陷，缺陷的傾斜角度、形狀以及缺陷的材質(zhì)等都會(huì)影響缺陷的反射波幅，也存在測(cè)量不準(zhǔn)確，另外常規(guī)超聲存在一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題就是無(wú)法保留缺陷記錄，對(duì)缺陷的判斷完全依賴于現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)。TOFD檢測(cè)是一種新型的無(wú)損檢測(cè)方法，具有檢測(cè)厚度大、檢測(cè)靈敏度高、對(duì)裂紋類缺陷敏感性強(qiáng)、安全環(huán)保、能夠永久保存等優(yōu)勢(shì)，降低成本的同時(shí)有效降低了人為因素、檢測(cè)工藝因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

1 TOFD檢測(cè)原理

TOFD檢測(cè)也叫“裂紋端點(diǎn)衍射法”，利用超聲波縱波在缺陷端部產(chǎn)生衍射對(duì)工件中缺陷進(jìn)行檢測(cè)。TOFD基本原則理如圖1所示：

當(dāng)超聲波縱波在工件內(nèi)傳播過(guò)程中遇到缺陷（如裂紋）時(shí)，除在缺陷處產(chǎn)生反射波外，同時(shí)會(huì)以缺陷端部為波源產(chǎn)生衍射波，據(jù)惠更斯-菲涅爾原理可知，端點(diǎn)處的衍射波會(huì)產(chǎn)生無(wú)規(guī)則的散射現(xiàn)象，當(dāng)探頭接收到散射縱波時(shí)，通過(guò)測(cè)量該衍射波的傳播時(shí)間，就可以測(cè)定出衍射波波源的位置，即找到缺陷的端部，通過(guò)對(duì)衍射波傳播時(shí)間差的計(jì)算，即可確定缺陷兩端點(diǎn)的距離。

將2個(gè)頻率相同的斜探頭置于球罐焊縫兩側(cè)，檢測(cè)信號(hào)如圖2所示：

1只探頭發(fā)射的縱波，縱波沿焊縫的斷面?zhèn)鞑ィ?只探頭接收。當(dāng)焊縫中沒(méi)有缺陷時(shí)，只有兩種波形接收探頭接收，即沿材料表面?zhèn)鞑サ闹蓖úê徒?jīng)過(guò)材料底面反射的底面反射波，當(dāng)遇到缺陷時(shí)，在直通波和底面反射波中間會(huì)接收到缺陷端部產(chǎn)生的衍射波，結(jié)合直通波和底面反射波作為評(píng)定缺陷位置的參考信號(hào)，對(duì)缺陷的位置、高度等信息進(jìn)行評(píng)判。

2 球罐的基本參數(shù)和檢測(cè)方案

2.1 基本參數(shù)

該球罐由鞍山華信重工機(jī)械有限公司設(shè)計(jì)，武漢一冶鋼結(jié)構(gòu)有限責(zé)任公司制造、安裝。設(shè)計(jì)壓力：2.5MPa，設(shè)計(jì)溫度：-40至-15℃，工作介質(zhì)：液態(tài)二氧化碳，設(shè)計(jì)壁厚48mm，材質(zhì)：16MnDR，容積：650M3，產(chǎn)品編號(hào)：Q505-14，制造日期：20014年3月，投用日期：2014年4月。

2.2 無(wú)損檢測(cè)方案

方案依據(jù)：NB/T47013.10-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》超聲檢測(cè)；

NB/T47013.3-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》超聲檢測(cè)；

NB/T47013.4-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》磁粉檢測(cè)；

TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》。

采用TOFD+UT+MT對(duì)球罐對(duì)接焊縫進(jìn)行檢測(cè)。

3 檢測(cè)前的準(zhǔn)備

3.1 檢測(cè)面的要求

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(jì)圖紙規(guī)定。掃查面探頭移動(dòng)區(qū)內(nèi)，應(yīng)清除焊接飛濺、鐵屑、油垢及其它雜質(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(jìn)行拋光打磨。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(jìn)行適當(dāng)?shù)男弈ィ⒆鰣A滑過(guò)渡以免影響檢測(cè)結(jié)果的評(píng)定。對(duì)于“T”和“Y”型焊縫進(jìn)行余高打磨，打磨高度與母材一致，打磨長(zhǎng)度以交叉處為中心向外各250mm。

3.2 檢測(cè)區(qū)域的確定

檢測(cè)區(qū)域的高度為球殼板的厚度。檢測(cè)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。

3.3 表面盲區(qū)高度的確定及輔助檢測(cè)方法

掃查面盲區(qū)高度的確定：根據(jù)探頭配置及設(shè)置，采用非平行偏置掃查法對(duì)盲區(qū)試塊上的人工缺陷進(jìn)行掃查，來(lái)確定掃查面的盲區(qū)高度。掃查面盲區(qū)輔助檢測(cè)方法：當(dāng)盲區(qū)高度在2mm以內(nèi)時(shí)，采用磁粉附加檢測(cè)，當(dāng)盲區(qū)高度大于2mm時(shí)，，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，也可以輔以常規(guī)超聲進(jìn)行檢測(cè)。底面盲區(qū)高度的確定：根據(jù)工件厚度、探頭、PCS配置，利用公式（1）計(jì)算出偏離焊縫中心X處的底面盲區(qū)高度。

式中：h—底部盲區(qū)高度(mm）

T-球殼板厚度(mm）

X-底部檢測(cè)區(qū)域?qū)挾鹊囊话?mm）

S-兩探頭入射點(diǎn)之間距離的一半(mm）。

底面盲區(qū)輔助檢測(cè)方法：當(dāng)盲區(qū)高度在2mm以內(nèi)時(shí)，采用磁粉附加檢測(cè)，當(dāng)盲區(qū)高度大于2mm時(shí)，，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，也可以輔以常規(guī)超聲進(jìn)行檢測(cè)。偏置非平行掃查的偏移距離確定：一般按經(jīng)驗(yàn)值（1/4底部檢測(cè)寬度）或按公式(2)理論計(jì)算值，并在檢測(cè)工藝中注明。

公式：

式中：h—底部盲區(qū)高度(mm）

T-球殼板厚度(mm）

X-底部檢測(cè)區(qū)域?qū)挾鹊囊话?mm）

S-兩探頭入射點(diǎn)之間距離的一半(mm）

B-偏移距離(mm）。

3.4 檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)置

選擇和設(shè)置探頭，根據(jù)球罐的壁厚，選擇探頭的頻率、聲束角、晶片直徑。調(diào)節(jié)探頭中心距，將探頭中心距設(shè)置為該探頭對(duì)的聲束交點(diǎn)位于覆蓋區(qū)域的2/3深度處。設(shè)置A掃描時(shí)間窗口，A掃描時(shí)間窗口的起始位置設(shè)置為直通波到達(dá)接收探頭前0.5μs以上，A掃描時(shí)間窗口終止位置為工件底面一次變形波后0.5μs以上。靈敏度設(shè)置，當(dāng)采用對(duì)比試塊上的標(biāo)準(zhǔn)反射體設(shè)置靈敏度時(shí)，需將較弱的衍射信號(hào)波幅設(shè)置為滿屏高的40-80%，并在實(shí)際掃查時(shí)進(jìn)行表面耦合補(bǔ)償。當(dāng)采用工件上的直通波波幅進(jìn)行靈敏度設(shè)置時(shí)，直通波波幅高度設(shè)定到滿屏高度的40-80%。系統(tǒng)校準(zhǔn)，位置傳感器校準(zhǔn)，使掃查器移動(dòng)500mm距離，儀器顯示位置與實(shí)際位移進(jìn)行比較，其誤差應(yīng)小于1%。深度校準(zhǔn)，在已知厚度的工件或試塊上進(jìn)行，深度校準(zhǔn)應(yīng)保證深度測(cè)量誤差不大于工件厚度的1%或0.5mm（取較大值）。

4 實(shí)施檢測(cè)掃查

4.1 磁粉檢測(cè)

使用儀器為CDX—Ⅲ型，內(nèi)表面使用熒光磁粉，外表面使用黑磁粉，對(duì)球罐焊縫內(nèi)外表面采用交叉磁軛法進(jìn)行檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

4.2 TOFD檢測(cè)

掃查過(guò)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以上或懷疑耦合不好時(shí)，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(guò)滿屏高20%時(shí)，則應(yīng)降低增益并重新掃查。掃查過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)有斷線狀況，應(yīng)立即停止并重新掃查。掃查過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)量未滿足所檢測(cè)焊縫長(zhǎng)度的要求時(shí)，應(yīng)重新掃查。在檢測(cè)掃查時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：對(duì)焊縫進(jìn)行分段掃查時(shí)，各段掃查區(qū)的重疊范圍至少20mm；無(wú)論對(duì)縱焊縫掃查還是對(duì)環(huán)焊縫掃查，丁字焊縫應(yīng)保證在圖譜中全顯示。使用儀器為PXUT—910，采用探頭5MHzΦ6，楔塊為60°掃查方式為非平行掃查，對(duì)球罐進(jìn)行掃查，掃查過(guò)程中，焊縫上發(fā)現(xiàn)1處缺陷，如下圖所示：

從掃面圖中可以看出，該處缺陷為密集型氣孔，面積較大，在密集型氣孔周圍存在較小范圍的氣孔，并不嚴(yán)重，可以忽略不計(jì)，缺陷的深度為18.0mm，缺陷的長(zhǎng)度為48.9mm，根據(jù)NB/T47013.10-2015評(píng)定，為Ⅲ級(jí)。該焊縫不合格。

4.3 常規(guī)超聲波檢測(cè)

使用儀器HS600，采用雙K值（K1.5，K2）2.5MHz的斜探頭，進(jìn)行斜平行掃查，掃查速度小于150mm/s，在TOFD掃查出缺陷部位，發(fā)現(xiàn)了連續(xù)性缺陷，其缺陷反射波在DAC曲線的Ⅱ區(qū)，如下圖所示：

其缺陷深度：22.0mm，缺陷長(zhǎng)度為35.5mm，缺陷當(dāng)量：SL+1.5dB，根據(jù)NB/T47013.3—2015判定，該缺陷等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

4.4 數(shù)據(jù)分析

檢測(cè)完成后，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首先應(yīng)分析數(shù)據(jù)的有效性。數(shù)據(jù)是基于掃查增量的設(shè)置而采集的；采集的數(shù)據(jù)量滿足檢測(cè)焊縫長(zhǎng)度的要求；數(shù)據(jù)丟失量不得超過(guò)整個(gè)掃查的5%，且不允許相鄰數(shù)據(jù)連續(xù)丟失；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(duì)于環(huán)焊縫，掃查停止位置應(yīng)越過(guò)起始位置至少20mm；信號(hào)波幅改變量應(yīng)在12dB以上范圍之內(nèi)。若采集的數(shù)據(jù)無(wú)效，應(yīng)重新進(jìn)行采集，再對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行判定。

通過(guò)TOFD檢測(cè)與常規(guī)超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，常規(guī)超聲檢測(cè)對(duì)缺陷不能定性，缺陷的尺寸也相對(duì)較小，TOFD檢測(cè)，缺陷的位置、性質(zhì)、大小相對(duì)更直觀，相比常規(guī)超聲波檢測(cè)更具有優(yōu)越性。

5 結(jié)語(yǔ)

TOFD超聲成像檢測(cè)技術(shù)在工作原理上具有一定的特殊性，相對(duì)于其它無(wú)損檢測(cè)技術(shù)而言，它能夠?qū)θ毕萆疃扰c高度的準(zhǔn)確測(cè)量，在中厚板的檢測(cè)效果理想，對(duì)各類缺陷有較高的檢出率，并且通過(guò)儲(chǔ)存原始信號(hào)進(jìn)一步分析的方式，提高了對(duì)缺陷判定的準(zhǔn)確性。