TOFD檢測技術在平南三橋主拱焊縫檢測中的應用

廣西交通投資集團有限公司，廣西 南寧 530000

TOFD（Time of Flight Diffraction）檢測技術與常規超聲波及射線檢測相比具有諸多優勢，不但檢測效率高，而且能夠有效提高焊縫中各種缺陷的檢出率。承擔此橋梁建設項目鋼結構第三方無損檢測的重慶天眼工程質量檢測有限公司首次在國內將先進的TOFD無損檢測技術應用到橋梁主拱對接焊縫檢測工作中，對橋梁主拱對接焊縫的焊接施工質量起到了非常重要的保障作用。

1 TOFD檢測技術

1.1 TOFD原理

TOFD是一種基于衍射信號實施檢測的超聲波檢測技術，被稱為衍射時差法超聲檢測。

TOFD檢測原理是當超聲波遇到焊縫內部缺陷時，將在缺陷尖端發生疊加到正常反射波上的衍射波，對檢測設備系統接收到的衍射波進行分析，可以判定缺陷的大小和深度。

1.2 TOFD檢測技術與常規超聲波和射線檢測相比的優點

（1）可靠性好，缺陷檢出率高。據歐洲和荷蘭焊接協會等權威機構的研究結果表明，傳統手工超聲波探傷檢出率只有50%～70%，傳統X射線的缺陷檢出率為70%左右，而TOFD檢測技術的缺陷檢出率為70%～90%。

（2）定量精度高。相比常規手工超聲波檢測，TOFD檢測技術的定量誤差可達到1mm以下，這是手工超聲波所不能比擬的，其特有性能在缺陷高度定量方面要遠高于常規手工超聲波，而常規射線并不能進行缺陷高度測量。

（3）操作方便快捷、效率高。TOFD檢測儀器高度集成，只需要一臺主機配掃查器及探頭附件就可以開展檢測工作，不需要做鋸齒移動，一次掃查即可完成焊縫檢測，其實時的圖像顯示可立即發現焊縫內部缺陷情況并進行現場分析，與射線檢測相比其檢測效率更高，而且檢測圖像直觀可存儲，方便后期分析。

（4）安全環保。相比于常規射線檢測，TOFD檢測技術安全環保，非常適合可持續發展的需要。

1.3 TOFD的發展及應用

（1）TOFD檢測技術近十幾年來發展迅速，國內已經有一大批經驗豐富的檢測人員，隨著檢測設備的國產化和計算機技術的飛速發展，儀器設備的價格也越來越親民，這項技術開始被各個行業所接受。

（2）檢測標準作為一種檢測方法應用的基礎，各國都制定了相應的標準。國外常用歐洲或美國標準，國內標準使用較為廣泛的是《承壓設備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測》（NB/T 47013.10—2015）、《無損檢測超聲檢測 超聲衍射聲時技術檢測和評價》（GB/T 23902—2009）、《水電水利工程金屬結構及設備焊接接頭衍射時差法超聲檢測》（DL/T 330—2010）等標準，在國內橋梁鋼結構方面尚無專用的檢測標準。

（3）由于TOFD檢測技術具有諸多優點，目前其廣泛應用于航天、航空、大型石化設備、長輸管道、軍工、機械等領域的檢測中，而且由于其特有的安全環保特性，很多場景下已經取代了常規射線檢測，成為繼常規5類檢測中應用范圍最廣泛的一種檢測技術，有著很好的市場應用前景。

2 平南三橋開展TOFD檢測的應用情況

2.1 工程概況

平南三橋主跨拱肋為鋼管混凝土桁架結構，主孔跨徑為575m。拱頂截面徑向高8.5m，拱腳截面徑向高17.0m，肋寬4.2m，每肋為上、下各2根φ1400mm鋼管混凝土主管，管內混凝土采用C70。主管通過橫聯鋼管φ850mm和豎向2根腹桿φ700mm鋼管連接而構成。平南三橋效果圖如圖1所示。

圖1 平南三橋效果圖

大橋主拱共44個節段，其分段鋼結構在工廠加工驗收合格后，通過水運至橋址現場進行拱肋節段吊裝。

2.2 拱肋鋼結構無損檢測要求

該工程無損檢測的方法、數量、部位等按《鐵路鋼橋制造規范》（Q/CR 9211—2015）和《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T F50—2011）執行，兩個規范均未將TOFD列為焊縫質量檢測評價方法。

鋼管拱各類焊縫采用100%超聲波探傷，執行標準為《焊縫無損檢測 超聲檢測 技術、檢測等級和評定》（GB/T 11345—2013），檢測等級為B級，驗收等級執行標準為《鐵路鋼橋制造規范》（Q/CR9 211—2015），驗收等級為Ⅰ級合格；主拱對接縱、環焊縫采用10%射線探傷，執行標準為《金屬熔化焊焊接接頭射線照相》（GB/T 3323—2005），檢測等級為B級，驗收等級為Ⅱ級合格；鋼管拱各類焊縫采用100%磁粉探傷，執行標準為《焊縫無損檢測磁粉檢測》（GB/T 26951—2011），驗收等級執行標準為《焊縫無損檢測 焊縫磁粉檢測 驗收等級》（GB/T 26952—2011），驗收等級為1級合格。

現場焊接的焊縫只做100%超聲和磁粉探傷，檢測要求和工廠一致。

2.3 管節段環焊縫檢測的重難點

主拱鋼管材質為Q420qD-25Z的橋梁專用高強結構鋼，規格為φ1400mm×26mm、φ1400mm×30mm、φ1400mm×36mm三種厚度，采用單V坡口加內襯板全熔透焊縫。主拱是拱橋的主要受力構件，主拱鋼管焊縫的質量對橋梁的承載力和耐久性有著重要的意義，在工廠制造過程中，通過100%超聲檢測+100%磁粉檢測+10%射線檢測來控制焊縫質量，對超聲波或者射線檢測有異議的部分可采用TOFD補充檢測來排除缺陷。

現場焊接與無損檢測，都是鋼結構橋梁施工的重要工序，特別是廣西平南三橋橋位濕度大、風力強、雨天多，現場環境因素對焊接質量的影響最為突出。另外，在橋位現場的某些特定位置，焊工施焊的空間十分狹窄，影響到焊工動作的施展，有時只能采用某些特定的焊接方法，這也直接影響到焊接的質量。同理，因為現場的復雜條件，也限制了無損檢測方法手段的應用，X射線檢測在現場由于焊縫結構及現場環境條件限制無法開展，因此開展TOFD檢測非常有必要。

2.4 平南三橋TOFD檢測工藝要點

項目第三方檢測單位在詳細了解了平南三橋主拱焊接制造工藝和常規超聲檢測缺陷位置分析后，TOFD無損檢測工程師針對平南三橋主拱對接環焊縫編制了詳細的TOFD檢測工藝規程，并針對不同板厚編制了檢測工藝卡。

（1）TOFD檢測人員經過專業機構培訓TOFD檢測的理論和實際操作，取得TOFD檢測二級及以上證書，平南三橋TOFD檢測人員由具有長輸管道及橋梁檢測豐富經驗的檢測團隊組成，同時中國船級社實業公司無損檢測實驗室為其提供技術支持。

（2）檢測設備。采用奧林巴斯生產的Omniscan SX探傷儀，該設備可執行相控陣、TOFD及常規A型脈沖超聲檢測功能。設備小巧便攜功能齊全，特別適合高空等野外檢測作業。TOFD檢測儀器主機如圖2所示。

圖2 TOFD檢測儀器主機

選用TOFD平板專用掃查器，適合于平板對接及大直徑對接環焊縫，配置C543型號的3mm探頭及60°楔塊。TOFD掃查器如圖3所示。

圖3 TOFD掃查器

2.5 平南三橋現場主拱對接環焊縫TOFD檢測的實施

（1）表面準備。①清除探頭移動區的焊接飛濺、鐵屑、油垢及其他雜質，并進行打磨，檢測表面應平整，便于探頭的掃查。②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，應進行適當的修磨并做圓滑過渡，避免影響檢測結果的評定，要求去除余高的焊縫，將余高打磨到與鄰近母材平齊。③檢測前應在工件掃查面上進行標記，標記內容至少包括掃查起始點和掃查方向，同時推薦在母材上距焊縫中心線規定的距離畫出一條線，作為掃查裝置運動的參考。

（2）耦合劑。①采用纖維素作為耦合劑，注意調制適當的黏稠度，以保證各個檢測面有效耦合。②選用的耦合劑應在一定的溫度范圍內保證穩定可靠的檢測。③實際檢測采用的耦合劑應與檢測系統設置和校準時的耦合劑相同。

（3）檢測靈敏度。①檢測前應設置檢測通道的靈敏度。②靈敏度設置一般采用對比試塊。當采用對比試塊上的反射體設置靈敏度時，需要將較弱的衍射信號波幅設置為滿屏高的40%～80%，并在被檢工件表面掃查時進行表面耦合補償。③被檢工件厚度t分別為26mm、30mm、34mm，因此采用單檢測通道，可以直接在被檢工件上進行靈敏度設置。一般將直通波的波幅設定為滿屏高的40%～80%。有條件時，建議采用對比試塊進行驗證。

（4）檢測的實施。①現場檢測由兩人操作，一人負責調試主機參數，一人負責拖動掃查器進行數據采集，現場應注意高空作業安全，做好勞動保護措施，現場檢測如圖4所示。②調整數據采集的掃查速度，進行分段掃查。③掃查過程中應密切注意波幅狀況，如果發現直通波、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；如果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。

圖4 現場檢測

2.6 TOFD檢測數據判讀及結果

（1）TOFD檢測在常規超聲和磁粉檢測合格后進行，現場在儀器上或者在計算機上使用奧林巴斯TomoView分析軟件對采集的數據進行判讀。

（2）TOFD圖像典型的缺陷圖及合格判定。通過識別典型的缺陷示意圖，分析采集數據中對應的缺陷類別，對缺陷類型、性質、位置、大小、長度等數據進行精確分析，參照標準《承壓設備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測》（NB/T 47013.10—2015）中的缺陷評定與質量分級進行合格與否的判定。不合格的部位需記錄數據，查找現場對應位置進行返修處理，返修后采用相同方法進行復檢；合格的部位數據，填寫記錄形成檢測資料存檔。

（3）平南三橋TOFD檢測情況。平南三橋現場主拱對接環焊縫的檢測程序按焊縫焊接→外觀檢測→磁粉檢測→超聲檢測→TOFD檢測的步驟進行，TOFD檢測在前幾項檢測均達到合格的狀態下開展，該項目共抽查檢測主拱現場對接環焊縫12條，采集TOFD數據圖譜48幅。TOFD檢測缺陷相關顯示分為表面開口型和埋藏型缺陷，此次檢測發現的均為埋藏型，檢測發現記錄缺陷16處、超標缺陷5處。缺陷統計如表1所示。

表1 TOFD檢測缺陷統計表 單位：個

（4）檢測結果分析。①TOFD由于利用衍射波進行缺陷分析，相比常規超聲的反射波，其具有更高的靈敏度，特別是對缺陷邊緣明顯的裂紋、未熔合及氣孔等有更高的敏感性，這就是表1中點狀氣孔記錄缺陷較多的原因。焊縫中的微小氣孔很容易被TOFD檢測到，而常規超聲波則無法識別。②現場主拱焊縫未開展X射線檢測抽查，導致部分超聲波檢測不敏感而對射線檢測敏感的缺陷留存在焊縫中，通過補充TOFD檢測，暴露了這部分缺陷。③此次檢測采用《承壓設備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測》（NB/T 47013.10—2015）作為驗收評定標準，該標準應用于承壓設備，不僅對缺陷的判定較為嚴格，而且對焊縫中允許存在的缺陷點數和長度有嚴格的限制，因此表1缺陷統計中發現了5處TOFD檢測超標缺陷，如果有適合鋼橋施工的驗收標準適當放寬，則超標缺陷數量有可能減少。這表明制定橋梁檢測方面的TOFD驗收標準迫在眉睫。

2.7 平南三橋應用TOFD檢測的優勢總結

（1）TOFD檢測和X射線檢測方法比較。由于主拱現場焊縫結構特點、射線的穿透力不足、高空射線檢測不便、射線的輻射影響等原因，常規射線檢測工作無法開展。相比之下，TOFD檢測方便快捷，對厚板的檢測優勢明顯、安全環保效率高，可有效節約檢測時間，而且其對裂紋、未熔合等面積型缺陷的檢測具有高靈敏度和準確性等優點，不但彌補了主拱不能開展X射線檢測的缺憾，而且檢測結果優于常規X射線檢測，填補了同類橋梁主拱檢測方法選擇的空白。隨著檢測技術的不斷發展，新版的橋梁制造驗收規范中也引入了TOFD檢測方法，TOFD檢測將得到更加廣泛的應用。

（2）TOFD檢測和常規超聲檢測方法比較。在橋梁主拱對接環焊縫檢測方面，由于手工超聲的缺陷檢出率有限，而且受檢測人員技術水平、人為影響因素較大等原因，通過補充TOFD檢測抽查，不但可以提高缺陷的檢出率，而且通過實時記錄的TOFD檢測圖像數據資料，可以幫助手工超聲波人員對缺陷進行判別。

3 結束語

綜上所述，TOFD檢測技術是一項先進成熟的檢測手段，通過在平南三橋主拱環焊縫質量檢測上的成功應用，彌補了現場主拱焊縫不能開展射線檢測抽查的技術空白，其方便、快捷、高效的檢測能力、安全環保的操作條件充分體現了現代工程建設中“以人為本”的科學發展理念。隨著國內橋梁制造驗收規范的更新完善，TOFD檢測將成為一項常規的檢測手段被普遍采用，該技術在橋梁鋼結構的焊接質量檢測中必將會有廣闊的應用前景。