不等厚對接焊接接頭的TOFD檢測

張智偉，鄭建勇2，王文迪

(1.寧波甬安檢測技術(shù)有限公司， 寧波 315207；2.浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院， 杭州 310020)

不等厚對接焊接接頭形式在壓力容器中廣泛應(yīng)用，在材料厚度滿足容器的使用條件(設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、介質(zhì)特性和操作特點(diǎn))、材料的性能(工藝性能、化學(xué)性能和物理性能)、容器的制造工藝要求時(shí)，一般采用削邊處理來減輕設(shè)備的重量，以實(shí)現(xiàn)一定的經(jīng)濟(jì)效益。尤其是一些高溫、高壓、厚度較大的化工設(shè)備，其鍛件封頭與筒體之間常采用不等厚的焊接型式。焊接不等厚對接焊縫時(shí)，經(jīng)常要對厚板進(jìn)行機(jī)加工，將其削成斜面(斜面的端部與薄板的厚度相同)再進(jìn)行焊接，而斜面會(huì)使得聲束進(jìn)入工件后的傳播角度與平對接時(shí)的傳播角度不同，進(jìn)而對缺陷的定位和檢測覆蓋造成誤差，影響對缺陷的判定和返修，甚至可能造成漏檢。

筆者通過制作對比試塊和工藝驗(yàn)證試塊，對不等厚對接焊接接頭的TOFD檢測進(jìn)行了初步探討。

1 斜面楔塊入射角的計(jì)算

斜面傾斜角度在GB 150-2011《壓力容器》中有規(guī)定，如圖1所示，削邊長度L≥3δ(δ為兩側(cè)工件厚度差), tanφ≤1/3(φ為削邊角度或斜邊角度)，即φ≤18.4°，文中計(jì)算設(shè)φ=18°，楔塊標(biāo)稱角度為β，聲束在工件中的角度為α，可知α=β-18O。

圖1 斜面楔塊入射角計(jì)算示意

2 探頭中心距的計(jì)算

當(dāng)不具備在平面上進(jìn)行TOFD檢測的條件時(shí)，只能在非平面的表面進(jìn)行檢測，因此該非平面上的楔塊探頭的聲束角度會(huì)發(fā)生變化。TOFD非平行掃查過程中，通常應(yīng)確保探頭出射點(diǎn)連線的中心位于焊縫中心線上，以保證聲束能對稱地覆蓋被檢測區(qū)域。在平面工件上，探頭主聲束的交叉點(diǎn)位于焊縫中心線上；但是在兩邊不等厚的工件上檢測時(shí)，探頭在焊縫中心線兩側(cè)的位置不再對稱，因此需要根據(jù)交叉點(diǎn)的位置來確定探頭的位置。探頭中心間距計(jì)算原理示意如圖2所示，圖中探頭中心間距為S′+S，h為聚焦深度，θ和γ分別為平面和非平面?zhèn)刃▔K的角度，a為焊縫寬度的一半。由圖2的幾何關(guān)系可得：

(1)

圖2中ΔBDG與ΔDEF相似，又tan18O=0.32,代入式(1)可得：

S′=tan(g-18O){h+(0.29+0.095tang)X

[htan(g-18O)-a]}

(2)

圖2 探頭中心間距計(jì)算原理示意

3 工藝驗(yàn)證試塊的制作

由于要在非平面的表面上進(jìn)行檢測，聲束進(jìn)入工件后的入射角會(huì)發(fā)生變化，如果采用相同角度的楔塊有可能不能滿足對被檢測區(qū)域的全覆蓋，因此需要對工藝驗(yàn)證試塊進(jìn)行被檢測區(qū)域全覆蓋的確認(rèn)。

根據(jù)NB/T 47013.10-2015《承壓設(shè)備無損檢測 第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測》附錄A及TOFD對比試塊的制作要求，制作了工藝驗(yàn)證試塊，試塊的結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。制作試塊時(shí)應(yīng)避免反射體間的干擾，在試塊的兩側(cè)交替設(shè)置反射體，反射體應(yīng)設(shè)置在檢測區(qū)域的邊緣(在斜面?zhèn)仍O(shè)置反射體，而平面?zhèn)瓤梢圆辉O(shè)置反射體)。

圖3 工藝驗(yàn)證試塊結(jié)構(gòu)示意

按照式(2)計(jì)算完探頭中心距后，在對比試塊上進(jìn)行靈敏度的調(diào)整，然后再在工藝驗(yàn)證試塊上進(jìn)行檢測區(qū)域覆蓋情況的驗(yàn)證。具體的驗(yàn)證過程為：將兩個(gè)楔塊放在預(yù)先計(jì)算好的位置，對工藝驗(yàn)證試塊進(jìn)行檢測，看能否發(fā)現(xiàn)位于檢測區(qū)域邊緣(斜面?zhèn)?的橫孔，如果能夠清晰發(fā)現(xiàn)，則說明檢測區(qū)域能全覆蓋。

4 缺陷深度的測量

TOFD檢測中探頭出射點(diǎn)連線的中心偏離焊縫中心線時(shí)，會(huì)對缺陷的定位和測量產(chǎn)生誤差[1]，在對不等厚對接焊接接頭的TOFD檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，由于兩個(gè)探頭不在同一平面上，且實(shí)際探頭中心距的中心與焊縫中心線不再重合，目前的儀器默認(rèn)為兩個(gè)探頭在同一平面上，采用與儀器相匹配的軟件進(jìn)行測量存在一定的測量誤差。當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，可以采用以下兩種方法來確定缺陷深度。

(1) 在確定實(shí)際探頭中心距中心與焊縫中心的偏離值后，可以采用人工方法計(jì)算實(shí)際深度，其計(jì)算原理示意如圖4所示。則結(jié)合圖4可得，如果偏離值為ΔS1,位于中心線右側(cè)，則缺陷實(shí)際深度H=h-ΔS1÷tanθ(h為儀器測量的深度)；如果偏離值為ΔS2,位于中心線左側(cè)，則缺陷實(shí)際深度H=h+ΔS2÷tanθ。

圖4 缺陷實(shí)際深度計(jì)算原理示意

圖5 垂直焊縫非平行掃查示意

(2) 對缺陷所在區(qū)域垂直于焊縫作非平行掃查，掃查示意如圖5所示，檢測缺陷的位置和缺陷深度，以利于缺陷的返修準(zhǔn)確。采用該方法的前提條件是焊縫余高已磨平。

5 實(shí)際應(yīng)用案例

某公司制造的一臺(tái)容器，某一條焊縫兩側(cè)的母材厚度分別為45,30 mm，坡口型式及尺寸如圖6所示，焊縫寬度為22 mm。因此采用式(2)計(jì)算出S=35 mm，S′=40 mm。

圖6 某容器焊縫的坡口型式及尺寸

按照上述計(jì)算的S和S′對該焊縫進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)一處超標(biāo)缺陷，TOFD檢測結(jié)果如圖7所示，對該處缺陷進(jìn)行了射線檢測而未發(fā)現(xiàn)該缺陷的存在。焊縫刨開后發(fā)現(xiàn)有點(diǎn)狀氣孔，表明TOFD檢測發(fā)現(xiàn)了射線檢測不能發(fā)現(xiàn)的點(diǎn)狀氣孔。

圖7 TOFD檢測的缺陷圖譜

6 結(jié)語

通過TOFD方法在實(shí)際產(chǎn)品中的檢測應(yīng)用，表明TOFD方法檢測不等厚對接焊縫還是比較可靠的。