衍射時差法超聲檢測（TOFD）技術在工程施工中的應用

吳俊 王超

中國石油天然氣第七建設公司山東青島266061

衍射時差法超聲檢測（TOFD）技術在工程施工中的應用

吳俊 王超

中國石油天然氣第七建設公司山東青島266061

作為焊接接頭無損檢測方法的一種，TOFD技術因其具有其它檢測方法無法具備的優點近年來被越來越多的業內人士所認知，在工程建設領域中逐漸得到廣泛的應用。

焊接接頭無損檢測TOFD檢測

衍射時差法超聲檢測(TOFD)技術在近年來被越來越多的業內人士所認知，作為焊接接頭無損檢測方法的一種，TOFD技術因其具有其它檢測方法無法具備的優點而在工程建設領域中逐漸得到應用。目前，國家質檢總局在2009年8月31日頒布的《固定式壓力容器安全技術監察規程》中更是明確了TOFD檢測技術的規定，使TOFD檢測具備了制度保障。我單位在廣西石化1000萬t/a煉油項目球罐裝置中對19臺球罐的焊接接頭開始使用TOFD檢測技術，隨后在350萬t/a重油催化裂化裝置中也對現場組焊的再生器、沉降器等核心設備的焊接接頭采用了TOFD檢測，并取得了良好效果。

1 TOFD的概念及相關介紹

1.1 TOFD的概念

TOFD是TimeOfFlightDiffraction的簡稱，譯為衍射時差法超聲檢測，是一種依靠從待檢試件內部結構（主要是指缺陷）的“端角”和“端點”處得到的衍射能量來檢測缺陷的方法，屬于超聲波檢測的一種。

1.2 TOFD基本結構

TOFD工具由一發一收雙探頭組成（見圖1）。

1.3 TOFD檢測顯示

TOFD檢測結果可進行存儲記錄，記錄的圖示稱為灰度圖（見圖2）。

2 TOFD的起源及發展概述

2.1 TOFD的起源

20世紀70年代，英國AEA國家無損檢測研究中心的Harwell實驗室提出了超聲波衍射時差法（TOFD），經過多年的技術發展和大量的試驗研究，現在TOFD已具有較高的缺陷檢出率和可靠性，對缺陷高度測量有很好的精確度（精度可至±1mm），同時以成像的方式可即刻獲得對焊縫的清晰印象，“實時”分析缺陷，且檢測記錄方便保存、重復性高，TOFD已成為一種普遍接受的自動超聲檢測方法。

2.2 TOFD的發展

2.2.1 TOFD在國外的發展

TOFD技術在歐美發達國家已經作為一種先進的無損檢測技術得到承認和廣泛的應用，此技術必將為我國關鍵設備安全生產和安全運行提供有力的技術保障。

目前，在美國和日本應用較多的TOFD檢測驗收標準是美國ASMECodeCase2235-6，它是根據ASMEVIII卷Division1，papa.UW-11（a）和ASMEVIII卷Division2，TableAF-241.1的要求在進行射線檢驗時，解答在什么條件和限制下可以使用超聲波檢測替代射線檢測。

2.2.2 TOFD在國內的發展

在我國，TOFD技術的研究和應用也在蓬勃發展，影響日益擴大。隨著我國能源工業的發展，對安全環保的強調，對檢測質量、成本和效率的不斷重視，TOFD檢測具備了越來越廣泛的應用需求。2007年國家質量監督檢驗檢疫總局以國質檢特函（2007）402號文《關于進一步完善鍋爐壓力容器壓力管道安全監察工作的通知》的方式為TOFD技術在國內的應用提供了契機。

目前，《固定式壓力容器安全技術監察規程》中已明確寫進了TOFD檢測方法，中國特種設備檢測研究院等單位已具有了較成熟的院標，這些都將對TOFD檢測技術的推廣創造極為有利的條件。

3 TOFD的技術特點及適用性

3.1 TOFD的優點

（1）能探測不利取向的缺陷，缺陷檢出率高。以荷蘭焊接協會的試驗結果（見圖3、表1）為例。其中，POD為缺陷檢出率；FCR為誤報率；R為可靠性。

（2）超聲波束覆蓋區域大，效率高。

（3）缺陷高度測量精確。深度尺寸定位和相應的誤差不依靠信號振幅，而是靠衍射波轉播過程中的時間差，因此缺陷的測高精確。

（4）實時成像，便于快速分析。

（5）非基于波幅，受波幅影響小。

（6）TOFD檢測橫截面視圖的檢測數據可以進行自動的數字記錄并作持久保存，可以為以后的檢測提供準確明了的資料，尤其是對于判斷缺陷的擴展性提供了可靠的根據。

（7）TOFD檢測與射線檢測（RT）相比，TOFD檢測使用水作為耦合劑，對環境無污染無輻射，對人體無傷害。可與施工同步進行，可以有效地保證大型石油化工項目的施工進度。

3.2 TOFD的主要局限性

（1）掃查面盲區：直通波有一定的寬度，處于此范圍的缺陷波難以被發現，在表面存在盲區；

（2）底面盲區；

（3）橫向缺陷檢出率較低；

（4）TOFD信號較弱，對噪聲敏感；

表1 TOFD檢測與射線檢測、手動超聲波檢測等檢出率對比

（5）TOFD數據分析對檢測人員要求高。

TOFD檢測要求檢測人員不僅要具備熟練的常規超聲波檢測技能，還需要進行TOFD相關理論的培訓。檢測人員對TOFD數據分析正確與否將直接決定TOFD檢測結果的可靠性。

TOFD數據分析對人員的要求很高，對TOFD圖像分析識別的難度要遠遠大于對射線底片的評判。需要檢測人員經過大量的實踐和科研，通過射線、超聲以及解剖的驗證，積累豐富的數據分析經驗，方可較為準確的對TOFD數據進行分析。TOFD數據分析人員絕不是僅通過人員資格培訓考核就能勝任此項工作的，必須具有一定時間和一定量的檢測經驗的積累。

3.3 TOFD的適用性

采用以TOFD技術為主、結合脈沖反射法超聲檢測及表面檢測方法（MT、PT或ET）的綜合檢測方式，在一定條件下，可替代射線檢測，并在缺陷檢出率、檢測效率、面型缺陷檢測敏感性、環境親和性等方面具有優越性。

4 TOFD的在工程施工中的實際運用

4.1 TOFD檢測施工程序

TOFD檢測工作委托→施工方提供焊接工藝、設備基本信息、施工單位自檢→準備條件具備→現場實施TOFD檢測→數據分析，確定可疑部位→可疑部位再次檢測→出具缺陷處理通知單→返修后（施工單位自檢合格后）復檢→出具初步結論通知單→出具檢測報告。

4.2 TOFD檢測適用焊接接頭需滿足條件

（1）材料為低碳鋼、合金鋼；（2）截面全焊透的焊接接頭；

（3）工件厚度t：12≤t≤400mm（不包括焊縫余高，焊縫兩側母材厚度不同時，取薄側厚度值）。

4.3 確定檢測區域寬度

對于TOFD檢測，其檢測區域為：

（1）檢測區域寬度應是焊縫本身，再加上焊縫熔合線兩側各25mm的范圍或t（厚度）中較小值的范圍。

（2）若焊縫實際熱影響區經過測量并記錄，并且超聲探頭的位置可按預先標記得到控制時，檢測區域寬度可以減小到包括實際熱影響區加上兩側各6mm的范圍。

4.4 檢測區域的表面處理

由于TOFD檢測技術的特殊性，為確保TOFD探頭表面與工件耦合良好，采集到準確有效數據，必須對焊縫表面進行打磨處理。

（1）一般情況下焊縫余高不需磨平，但在T字口焊縫應將縱焊縫200mm長范圍內磨平。設計要求去除余高的焊縫，應將余高打磨到與鄰近母材平齊。保留余高的焊縫，如果焊縫表面有咬邊、較大的隆起和凹陷等也應進行適當的修磨，并作圓滑過渡以免影響檢測結果的評定。

（2）要求焊縫熔合線兩側表面進行處理，無飛濺、凹坑等，表面應平整，一般粗糙度Ra≤6.3μm（與JB/T4730.3中的規定一致）。

（3）打磨寬度與工件厚度有關（與JB/T4730.3中規定的手動超聲探頭移動區寬度一致）：工件厚度t≤46mm，每側打磨寬度約150mm；工件厚度t≤120mm，每側打磨寬度約200mm。

（4）一般做法是先使用砂輪片進行打磨，再使用鋼絲刷進行去毛刺處理。

4.5 確定可疑缺陷部位、再次檢測和返修后復檢

對檢測結果進行綜合分析，確定可疑部位并按下述方式進行再次檢測：

（1）采用手動UT進行再次檢測，必要時輔助采用相控陣超聲成像方式，以判斷其形態、位置和尺寸。依據Q/CSEI01-2007《承壓設備衍射時差法超聲檢測》（國家特檢院院標）進行缺陷評定和驗收。

（2）采用射線檢測進行再次檢測驗證。若發現超標缺陷后，由施工單位進行缺陷處理（返修），在施工單位自檢合格的基礎上采用與初檢一致的檢測方法進行復檢。

4.6 其它要求

（1）在探頭移動區周圍空間沒有阻擋探頭移動的障礙物，離掃查面應有300mm的空間以便實施檢測操作。

（2）檢測現場需要一定量的自來水（每檢測1m約需水3L），同時需要220V電源。

（3）檢測實施時，附近不應有電、磁、聲等強干擾信號源。

5 總結

目前大型壓力容器（特別是現場組焊設備）等設備根據設計圖紙要求大部分焊縫需進行100%射線檢測，目前現場施工常規的射線檢測種類有χ射線檢測和γ射線檢測兩種，而χ射線檢測很難滿足大厚度工件檢測的技術要求，所以只能采用γ射線進行檢測。由于Ir-192特別是Co-60射線源的底片靈敏度偏低，尤其是對壁厚較大且裂紋敏感性材料的高強鋼設備，可能導致危害性裂紋的漏檢。再是裝置處于施工密集區，由于放射源的輻射危害影響，在射線曝光期間，周圍不能進行正常施工。因此，大范圍、長時間實施現場射線檢測，嚴重影響了射線輻射范圍內大規模施工組織的正常進行，對工程安全、工期和質量將產生極為不利的影響。

采用TOFD檢測代替射線檢測較好地解決了上述問題。在廣西石化1000萬t/a煉油項目19臺球罐及350萬t/a重油催化裂化裝置中再生器、沉降器、分餾塔及催化劑罐等7臺核心設備采用TOFD檢測技術，共檢測焊縫長度達7000m，焊縫合格率為98.6%，在質量、進度等方面取得了良好的效果。

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2Q/CSEI01-2007《承壓設備衍射時差法超聲檢測》，中國特種設備檢測研究院標準；

3CEN/TS14751-2004(歐盟標準化協會焊接分技術委員會)：《焊接－超聲波衍射時差法在焊接檢驗中的使用》；

4NEN1822:2005（荷蘭）：《超聲波衍射時差法的檢驗驗收準則》；

5ASMEcodecase2235-9（美國）：《超聲檢測替代ASME規程中要求的射線檢測的要求》；

6ASTME2373-2004（美國）：《采用超聲波衍射時差法的標準實施規程》；

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