TOFD技術在球罐定期檢驗中的應用

劉祚平

綿陽市特種設備監督檢驗所 四川綿陽 621000

隨著我國工業的發展，球罐在工業生產中的應用越來越多，球罐在使用過程中為了確保安全，必須對其進行定期檢驗。定期檢驗中，對接焊縫的無損檢測又是其中重要的項目之一，現在常用的無損檢測方法有：常規超聲檢測、X射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測、聲發射等技術。其中射線檢測對環境的防護條件成本高，不夠經濟，并且隨著檢測厚度的增大，射線能量需求和透照時間也增大，拍出來的底片效果就越不清晰，導致檢測靈敏度不夠。而常規超聲檢測是基于缺陷反射信號波幅大小來判斷是否存在缺陷，缺陷的傾斜角度、形狀以及缺陷的材質等都會影響缺陷的反射波幅，也存在測量不準確，另外常規超聲存在一個嚴重的問題就是無法保留缺陷記錄，對缺陷的判斷完全依賴于現場無損檢測人員的經驗。TOFD檢測是一種新型的無損檢測方法，具有檢測厚度大、檢測靈敏度高、對裂紋類缺陷敏感性強、安全環保、能夠永久保存等優勢，降低成本的同時有效降低了人為因素、檢測工藝因素對檢測結果的影響。

1 TOFD檢測原理

TOFD檢測也叫“裂紋端點衍射法”，利用超聲波縱波在缺陷端部產生衍射對工件中缺陷進行檢測。TOFD基本原則理如圖1所示：

當超聲波縱波在工件內傳播過程中遇到缺陷（如裂紋）時，除在缺陷處產生反射波外，同時會以缺陷端部為波源產生衍射波，據惠更斯-菲涅爾原理可知，端點處的衍射波會產生無規則的散射現象，當探頭接收到散射縱波時，通過測量該衍射波的傳播時間，就可以測定出衍射波波源的位置，即找到缺陷的端部，通過對衍射波傳播時間差的計算，即可確定缺陷兩端點的距離。

將2個頻率相同的斜探頭置于球罐焊縫兩側，檢測信號如圖2所示：

1只探頭發射的縱波，縱波沿焊縫的斷面傳播，1只探頭接收。當焊縫中沒有缺陷時，只有兩種波形接收探頭接收，即沿材料表面傳播的直通波和經過材料底面反射的底面反射波，當遇到缺陷時，在直通波和底面反射波中間會接收到缺陷端部產生的衍射波，結合直通波和底面反射波作為評定缺陷位置的參考信號，對缺陷的位置、高度等信息進行評判。

2 球罐的基本參數和檢測方案

2.1 基本參數

該球罐由鞍山華信重工機械有限公司設計，武漢一冶鋼結構有限責任公司制造、安裝。設計壓力：2.5MPa，設計溫度：-40至-15℃，工作介質：液態二氧化碳，設計壁厚48mm，材質：16MnDR，容積：650M3，產品編號：Q505-14，制造日期：20014年3月，投用日期：2014年4月。

2.2 無損檢測方案

方案依據：NB/T47013.10-2015《承壓設備無損檢測》超聲檢測；

NB/T47013.3-2015《承壓設備無損檢測》超聲檢測；

NB/T47013.4-2015《承壓設備無損檢測》磁粉檢測；

TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》。

采用TOFD+UT+MT對球罐對接焊縫進行檢測。

3 檢測前的準備

3.1 檢測面的要求

被檢焊縫外觀的形狀尺寸符合有關規范要求和設計圖紙規定。掃查面探頭移動區內，應清除焊接飛濺、鐵屑、油垢及其它雜質，并應平整便于探頭的掃查，表面粗糙度Ra值應不低于12.5μm，一般應進行拋光打磨。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進行適當的修磨，并做圓滑過渡以免影響檢測結果的評定。對于“T”和“Y”型焊縫進行余高打磨，打磨高度與母材一致，打磨長度以交叉處為中心向外各250mm。

3.2 檢測區域的確定

檢測區域的高度為球殼板的厚度。檢測區域寬度為焊縫本身再加上焊縫熔合線兩側各10mm的范圍。

3.3 表面盲區高度的確定及輔助檢測方法

掃查面盲區高度的確定：根據探頭配置及設置，采用非平行偏置掃查法對盲區試塊上的人工缺陷進行掃查，來確定掃查面的盲區高度。掃查面盲區輔助檢測方法：當盲區高度在2mm以內時，采用磁粉附加檢測，當盲區高度大于2mm時，，應在另一面采用非平行掃查或在焊縫兩側各增加一次偏置非平行掃查，也可以輔以常規超聲進行檢測。底面盲區高度的確定：根據工件厚度、探頭、PCS配置，利用公式（1）計算出偏離焊縫中心X處的底面盲區高度。

式中：h—底部盲區高度(mm）

T-球殼板厚度(mm）

X-底部檢測區域寬度的一半(mm）

S-兩探頭入射點之間距離的一半(mm）。

底面盲區輔助檢測方法：當盲區高度在2mm以內時，采用磁粉附加檢測，當盲區高度大于2mm時，，應在另一面采用非平行掃查或在焊縫兩側各增加一次偏置非平行掃查，也可以輔以常規超聲進行檢測。偏置非平行掃查的偏移距離確定：一般按經驗值（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：h—底部盲區高度(mm）

T-球殼板厚度(mm）

X-底部檢測區域寬度的一半(mm）

S-兩探頭入射點之間距離的一半(mm）

B-偏移距離(mm）。

3.4 檢測系統的設置

選擇和設置探頭，根據球罐的壁厚，選擇探頭的頻率、聲束角、晶片直徑。調節探頭中心距，將探頭中心距設置為該探頭對的聲束交點位于覆蓋區域的2/3深度處。設置A掃描時間窗口，A掃描時間窗口的起始位置設置為直通波到達接收探頭前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。靈敏度設置，當采用對比試塊上的標準反射體設置靈敏度時，需將較弱的衍射信號波幅設置為滿屏高的40-80%，并在實際掃查時進行表面耦合補償。當采用工件上的直通波波幅進行靈敏度設置時，直通波波幅高度設定到滿屏高度的40-80%。系統校準，位置傳感器校準，使掃查器移動500mm距離，儀器顯示位置與實際位移進行比較，其誤差應小于1%。深度校準，在已知厚度的工件或試塊上進行，深度校準應保證深度測量誤差不大于工件厚度的1%或0.5mm（取較大值）。

4 實施檢測掃查

4.1 磁粉檢測

使用儀器為CDX—Ⅲ型，內表面使用熒光磁粉，外表面使用黑磁粉，對球罐焊縫內外表面采用交叉磁軛法進行檢測，未發現超標缺陷。

4.2 TOFD檢測

掃查過程中應密切注意波幅狀況，若發現直通波、底面反射波、材料晶粒噪聲或波型轉換波的波幅降低12dB以上或懷疑耦合不好時，應重新掃查該段區域。若發現直通波滿屏或晶粒噪聲波幅超過滿屏高20%時，則應降低增益并重新掃查。掃查過程中若發現有斷線狀況，應立即停止并重新掃查。掃查過程中若發現采集的數據量未滿足所檢測焊縫長度的要求時，應重新掃查。在檢測掃查時應注意以下幾點：對焊縫進行分段掃查時，各段掃查區的重疊范圍至少20mm；無論對縱焊縫掃查還是對環焊縫掃查，丁字焊縫應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，對球罐進行掃查，掃查過程中，焊縫上發現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，并不嚴重，可以忽略不計，缺陷的深度為18.0mm，缺陷的長度為48.9mm，根據NB/T47013.10-2015評定，為Ⅲ級。該焊縫不合格。

4.3 常規超聲波檢測

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

其缺陷深度：22.0mm，缺陷長度為35.5mm，缺陷當量：SL+1.5dB，根據NB/T47013.3—2015判定，該缺陷等級為Ⅲ級。

4.4 數據分析

檢測完成后，應對數據進行分析，首先應分析數據的有效性。數據是基于掃查增量的設置而采集的；采集的數據量滿足檢測焊縫長度的要求；數據丟失量不得超過整個掃查的5%，且不允許相鄰數據連續丟失；采集的數據量應滿足以下要求：各段掃查區的重疊范圍至少為20mm，對于環焊縫，掃查停止位置應越過起始位置至少20mm；信號波幅改變量應在12dB以上范圍之內。若采集的數據無效，應重新進行采集，再對有效數據進行判定。

通過TOFD檢測與常規超聲檢測數據的對比，常規超聲檢測對缺陷不能定性，缺陷的尺寸也相對較小，TOFD檢測，缺陷的位置、性質、大小相對更直觀，相比常規超聲波檢測更具有優越性。

5 結語

TOFD超聲成像檢測技術在工作原理上具有一定的特殊性，相對于其它無損檢測技術而言，它能夠對缺陷深度與高度的準確測量，在中厚板的檢測效果理想，對各類缺陷有較高的檢出率，并且通過儲存原始信號進一步分析的方式，提高了對缺陷判定的準確性。