TOFD檢測(cè)技術(shù)在平南三橋主拱焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用

廣西交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530000

TOFD（Time of Flight Diffraction）檢測(cè)技術(shù)與常規(guī)超聲波及射線檢測(cè)相比具有諸多優(yōu)勢(shì)，不但檢測(cè)效率高，而且能夠有效提高焊縫中各種缺陷的檢出率。承擔(dān)此橋梁建設(shè)項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)第三方無損檢測(cè)的重慶天眼工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司首次在國(guó)內(nèi)將先進(jìn)的TOFD無損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到橋梁主拱對(duì)接焊縫檢測(cè)工作中，對(duì)橋梁主拱對(duì)接焊縫的焊接施工質(zhì)量起到了非常重要的保障作用。

1 TOFD檢測(cè)技術(shù)

1.1 TOFD原理

TOFD是一種基于衍射信號(hào)實(shí)施檢測(cè)的超聲波檢測(cè)技術(shù)，被稱為衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)。

TOFD檢測(cè)原理是當(dāng)超聲波遇到焊縫內(nèi)部缺陷時(shí)，將在缺陷尖端發(fā)生疊加到正常反射波上的衍射波，對(duì)檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)接收到的衍射波進(jìn)行分析，可以判定缺陷的大小和深度。

1.2 TOFD檢測(cè)技術(shù)與常規(guī)超聲波和射線檢測(cè)相比的優(yōu)點(diǎn)

（1）可靠性好，缺陷檢出率高。據(jù)歐洲和荷蘭焊接協(xié)會(huì)等權(quán)威機(jī)構(gòu)的研究結(jié)果表明，傳統(tǒng)手工超聲波探傷檢出率只有50%～70%，傳統(tǒng)X射線的缺陷檢出率為70%左右，而TOFD檢測(cè)技術(shù)的缺陷檢出率為70%～90%。

（2）定量精度高。相比常規(guī)手工超聲波檢測(cè)，TOFD檢測(cè)技術(shù)的定量誤差可達(dá)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(yuǎn)高于常規(guī)手工超聲波，而常規(guī)射線并不能進(jìn)行缺陷高度測(cè)量。

（3）操作方便快捷、效率高。TOFD檢測(cè)儀器高度集成，只需要一臺(tái)主機(jī)配掃查器及探頭附件就可以開展檢測(cè)工作，不需要做鋸齒移動(dòng)，一次掃查即可完成焊縫檢測(cè)，其實(shí)時(shí)的圖像顯示可立即發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部缺陷情況并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析，與射線檢測(cè)相比其檢測(cè)效率更高，而且檢測(cè)圖像直觀可存儲(chǔ)，方便后期分析。

（4）安全環(huán)保。相比于常規(guī)射線檢測(cè)，TOFD檢測(cè)技術(shù)安全環(huán)保，非常適合可持續(xù)發(fā)展的需要。

1.3 TOFD的發(fā)展及應(yīng)用

（1）TOFD檢測(cè)技術(shù)近十幾年來發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有一大批經(jīng)驗(yàn)豐富的檢測(cè)人員，隨著檢測(cè)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器設(shè)備的價(jià)格也越來越親民，這項(xiàng)技術(shù)開始被各個(gè)行業(yè)所接受。

（2）檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)作為一種檢測(cè)方法應(yīng)用的基礎(chǔ)，各國(guó)都制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)外常用歐洲或美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)使用較為廣泛的是《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》（NB/T 47013.10—2015）、《無損檢測(cè)超聲檢測(cè) 超聲衍射聲時(shí)技術(shù)檢測(cè)和評(píng)價(jià)》（GB/T 23902—2009）、《水電水利工程金屬結(jié)構(gòu)及設(shè)備焊接接頭衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》（DL/T 330—2010）等標(biāo)準(zhǔn)，在國(guó)內(nèi)橋梁鋼結(jié)構(gòu)方面尚無專用的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）由于TOFD檢測(cè)技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，目前其廣泛應(yīng)用于航天、航空、大型石化設(shè)備、長(zhǎng)輸管道、軍工、機(jī)械等領(lǐng)域的檢測(cè)中，而且由于其特有的安全環(huán)保特性，很多場(chǎng)景下已經(jīng)取代了常規(guī)射線檢測(cè)，成為繼常規(guī)5類檢測(cè)中應(yīng)用范圍最廣泛的一種檢測(cè)技術(shù)，有著很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

2 平南三橋開展TOFD檢測(cè)的應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(nèi)混凝土采用C70。主管通過橫聯(lián)鋼管φ850mm和豎向2根腹桿φ700mm鋼管連接而構(gòu)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(gè)節(jié)段，其分段鋼結(jié)構(gòu)在工廠加工驗(yàn)收合格后，通過水運(yùn)至橋址現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拱肋節(jié)段吊裝。

2.2 拱肋鋼結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)要求

該工程無損檢測(cè)的方法、數(shù)量、部位等按《鐵路鋼橋制造規(guī)范》（Q/CR 9211—2015）和《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50—2011）執(zhí)行，兩個(gè)規(guī)范均未將TOFD列為焊縫質(zhì)量檢測(cè)評(píng)價(jià)方法。

鋼管拱各類焊縫采用100%超聲波探傷，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《焊縫無損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》（GB/T 11345—2013），檢測(cè)等級(jí)為B級(jí)，驗(yàn)收等級(jí)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《鐵路鋼橋制造規(guī)范》（Q/CR9 211—2015），驗(yàn)收等級(jí)為Ⅰ級(jí)合格；主拱對(duì)接縱、環(huán)焊縫采用10%射線探傷，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《金屬熔化焊焊接接頭射線照相》（GB/T 3323—2005），檢測(cè)等級(jí)為B級(jí)，驗(yàn)收等級(jí)為Ⅱ級(jí)合格；鋼管拱各類焊縫采用100%磁粉探傷，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《焊縫無損檢測(cè)磁粉檢測(cè)》（GB/T 26951—2011），驗(yàn)收等級(jí)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《焊縫無損檢測(cè) 焊縫磁粉檢測(cè) 驗(yàn)收等級(jí)》（GB/T 26952—2011），驗(yàn)收等級(jí)為1級(jí)合格。

現(xiàn)場(chǎng)焊接的焊縫只做100%超聲和磁粉探傷，檢測(cè)要求和工廠一致。

2.3 管節(jié)段環(huán)焊縫檢測(cè)的重難點(diǎn)

主拱鋼管材質(zhì)為Q420qD-25Z的橋梁專用高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼，規(guī)格為φ1400mm×26mm、φ1400mm×30mm、φ1400mm×36mm三種厚度，采用單V坡口加內(nèi)襯板全熔透焊縫。主拱是拱橋的主要受力構(gòu)件，主拱鋼管焊縫的質(zhì)量對(duì)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(cè)+100%磁粉檢測(cè)+10%射線檢測(cè)來控制焊縫質(zhì)量，對(duì)超聲波或者射線檢測(cè)有異議的部分可采用TOFD補(bǔ)充檢測(cè)來排除缺陷。

現(xiàn)場(chǎng)焊接與無損檢測(cè)，都是鋼結(jié)構(gòu)橋梁施工的重要工序，特別是廣西平南三橋橋位濕度大、風(fēng)力強(qiáng)、雨天多，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響最為突出。另外，在橋位現(xiàn)場(chǎng)的某些特定位置，焊工施焊的空間十分狹窄，影響到焊工動(dòng)作的施展，有時(shí)只能采用某些特定的焊接方法，這也直接影響到焊接的質(zhì)量。同理，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜條件，也限制了無損檢測(cè)方法手段的應(yīng)用，X射線檢測(cè)在現(xiàn)場(chǎng)由于焊縫結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件限制無法開展，因此開展TOFD檢測(cè)非常有必要。

2.4 平南三橋TOFD檢測(cè)工藝要點(diǎn)

項(xiàng)目第三方檢測(cè)單位在詳細(xì)了解了平南三橋主拱焊接制造工藝和常規(guī)超聲檢測(cè)缺陷位置分析后，TOFD無損檢測(cè)工程師針對(duì)平南三橋主拱對(duì)接環(huán)焊縫編制了詳細(xì)的TOFD檢測(cè)工藝規(guī)程，并針對(duì)不同板厚編制了檢測(cè)工藝卡。

（1）TOFD檢測(cè)人員經(jīng)過專業(yè)機(jī)構(gòu)培訓(xùn)TOFD檢測(cè)的理論和實(shí)際操作，取得TOFD檢測(cè)二級(jí)及以上證書，平南三橋TOFD檢測(cè)人員由具有長(zhǎng)輸管道及橋梁檢測(cè)豐富經(jīng)驗(yàn)的檢測(cè)團(tuán)隊(duì)組成，同時(shí)中國(guó)船級(jí)社實(shí)業(yè)公司無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室為其提供技術(shù)支持。

（2）檢測(cè)設(shè)備。采用奧林巴斯生產(chǎn)的Omniscan SX探傷儀，該設(shè)備可執(zhí)行相控陣、TOFD及常規(guī)A型脈沖超聲檢測(cè)功能。設(shè)備小巧便攜功能齊全，特別適合高空等野外檢測(cè)作業(yè)。TOFD檢測(cè)儀器主機(jī)如圖2所示。

圖2 TOFD檢測(cè)儀器主機(jī)

選用TOFD平板專用掃查器，適合于平板對(duì)接及大直徑對(duì)接環(huán)焊縫，配置C543型號(hào)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(xiàn)場(chǎng)主拱對(duì)接環(huán)焊縫TOFD檢測(cè)的實(shí)施

（1）表面準(zhǔn)備。①清除探頭移動(dòng)區(qū)的焊接飛濺、鐵屑、油垢及其他雜質(zhì)，并進(jìn)行打磨，檢測(cè)表面應(yīng)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(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男弈ゲ⒆鰣A滑過渡，避免影響檢測(cè)結(jié)果的評(píng)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(cè)前應(yīng)在工件掃查面上進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記內(nèi)容至少包括掃查起始點(diǎn)和掃查方向，同時(shí)推薦在母材上距焊縫中心線規(guī)定的距離畫出一條線，作為掃查裝置運(yùn)動(dòng)的參考。

（2）耦合劑。①采用纖維素作為耦合劑，注意調(diào)制適當(dāng)?shù)酿こ矶?，以保證各個(gè)檢測(cè)面有效耦合。②選用的耦合劑應(yīng)在一定的溫度范圍內(nèi)保證穩(wěn)定可靠的檢測(cè)。③實(shí)際檢測(cè)采用的耦合劑應(yīng)與檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置和校準(zhǔn)時(shí)的耦合劑相同。

（3）檢測(cè)靈敏度。①檢測(cè)前應(yīng)設(shè)置檢測(cè)通道的靈敏度。②靈敏度設(shè)置一般采用對(duì)比試塊。當(dāng)采用對(duì)比試塊上的反射體設(shè)置靈敏度時(shí)，需要將較弱的衍射信號(hào)波幅設(shè)置為滿屏高的40%～80%，并在被檢工件表面掃查時(shí)進(jìn)行表面耦合補(bǔ)償。③被檢工件厚度t分別為26mm、30mm、34mm，因此采用單檢測(cè)通道，可以直接在被檢工件上進(jìn)行靈敏度設(shè)置。一般將直通波的波幅設(shè)定為滿屏高的40%～80%。有條件時(shí)，建議采用對(duì)比試塊進(jìn)行驗(yàn)證。

（4）檢測(cè)的實(shí)施。①現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)由兩人操作，一人負(fù)責(zé)調(diào)試主機(jī)參數(shù)，一人負(fù)責(zé)拖動(dòng)掃查器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)注意高空作業(yè)安全，做好勞動(dòng)保護(hù)措施，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)如圖4所示。②調(diào)整數(shù)據(jù)采集的掃查速度，進(jìn)行分段掃查。③掃查過程中應(yīng)密切注意波幅狀況，如果發(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；如果發(fā)現(xiàn)直通波滿屏或晶粒噪聲波幅超過滿屏高20%時(shí)，則應(yīng)降低增益并重新掃查。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

2.6 TOFD檢測(cè)數(shù)據(jù)判讀及結(jié)果

（1）TOFD檢測(cè)在常規(guī)超聲和磁粉檢測(cè)合格后進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)在儀器上或者在計(jì)算機(jī)上使用奧林巴斯TomoView分析軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀。

（2）TOFD圖像典型的缺陷圖及合格判定。通過識(shí)別典型的缺陷示意圖，分析采集數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)的缺陷類別，對(duì)缺陷類型、性質(zhì)、位置、大小、長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)進(jìn)行精確分析，參照標(biāo)準(zhǔn)《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》（NB/T 47013.10—2015）中的缺陷評(píng)定與質(zhì)量分級(jí)進(jìn)行合格與否的判定。不合格的部位需記錄數(shù)據(jù)，查找現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行返修處理，返修后采用相同方法進(jìn)行復(fù)檢；合格的部位數(shù)據(jù)，填寫記錄形成檢測(cè)資料存檔。

（3）平南三橋TOFD檢測(cè)情況。平南三橋現(xiàn)場(chǎng)主拱對(duì)接環(huán)焊縫的檢測(cè)程序按焊縫焊接→外觀檢測(cè)→磁粉檢測(cè)→超聲檢測(cè)→TOFD檢測(cè)的步驟進(jìn)行，TOFD檢測(cè)在前幾項(xiàng)檢測(cè)均達(dá)到合格的狀態(tài)下開展，該項(xiàng)目共抽查檢測(cè)主拱現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接環(huán)焊縫12條，采集TOFD數(shù)據(jù)圖譜48幅。TOFD檢測(cè)缺陷相關(guān)顯示分為表面開口型和埋藏型缺陷，此次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的均為埋藏型，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)記錄缺陷16處、超標(biāo)缺陷5處。缺陷統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 TOFD檢測(cè)缺陷統(tǒng)計(jì)表 單位：個(gè)

（4）檢測(cè)結(jié)果分析。①TOFD由于利用衍射波進(jìn)行缺陷分析，相比常規(guī)超聲的反射波，其具有更高的靈敏度，特別是對(duì)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(diǎn)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(cè)到，而常規(guī)超聲波則無法識(shí)別。②現(xiàn)場(chǎng)主拱焊縫未開展X射線檢測(cè)抽查，導(dǎo)致部分超聲波檢測(cè)不敏感而對(duì)射線檢測(cè)敏感的缺陷留存在焊縫中，通過補(bǔ)充TOFD檢測(cè)，暴露了這部分缺陷。③此次檢測(cè)采用《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》（NB/T 47013.10—2015）作為驗(yàn)收評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于承壓設(shè)備，不僅對(duì)缺陷的判定較為嚴(yán)格，而且對(duì)焊縫中允許存在的缺陷點(diǎn)數(shù)和長(zhǎng)度有嚴(yán)格的限制，因此表1缺陷統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)了5處TOFD檢測(cè)超標(biāo)缺陷，如果有適合鋼橋施工的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)放寬，則超標(biāo)缺陷數(shù)量有可能減少。這表明制定橋梁檢測(cè)方面的TOFD驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)迫在眉睫。

2.7 平南三橋應(yīng)用TOFD檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)總結(jié)

（1）TOFD檢測(cè)和X射線檢測(cè)方法比較。由于主拱現(xiàn)場(chǎng)焊縫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、射線的穿透力不足、高空射線檢測(cè)不便、射線的輻射影響等原因，常規(guī)射線檢測(cè)工作無法開展。相比之下，TOFD檢測(cè)方便快捷，對(duì)厚板的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)明顯、安全環(huán)保效率高，可有效節(jié)約檢測(cè)時(shí)間，而且其對(duì)裂紋、未熔合等面積型缺陷的檢測(cè)具有高靈敏度和準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)，不但彌補(bǔ)了主拱不能開展X射線檢測(cè)的缺憾，而且檢測(cè)結(jié)果優(yōu)于常規(guī)X射線檢測(cè)，填補(bǔ)了同類橋梁主拱檢測(cè)方法選擇的空白。隨著檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，新版的橋梁制造驗(yàn)收規(guī)范中也引入了TOFD檢測(cè)方法，TOFD檢測(cè)將得到更加廣泛的應(yīng)用。

（2）TOFD檢測(cè)和常規(guī)超聲檢測(cè)方法比較。在橋梁主拱對(duì)接環(huán)焊縫檢測(cè)方面，由于手工超聲的缺陷檢出率有限，而且受檢測(cè)人員技術(shù)水平、人為影響因素較大等原因，通過補(bǔ)充TOFD檢測(cè)抽查，不但可以提高缺陷的檢出率，而且通過實(shí)時(shí)記錄的TOFD檢測(cè)圖像數(shù)據(jù)資料，可以幫助手工超聲波人員對(duì)缺陷進(jìn)行判別。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，TOFD檢測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)成熟的檢測(cè)手段，通過在平南三橋主拱環(huán)焊縫質(zhì)量檢測(cè)上的成功應(yīng)用，彌補(bǔ)了現(xiàn)場(chǎng)主拱焊縫不能開展射線檢測(cè)抽查的技術(shù)空白，其方便、快捷、高效的檢測(cè)能力、安全環(huán)保的操作條件充分體現(xiàn)了現(xiàn)代工程建設(shè)中“以人為本”的科學(xué)發(fā)展理念。隨著國(guó)內(nèi)橋梁制造驗(yàn)收規(guī)范的更新完善，TOFD檢測(cè)將成為一項(xiàng)常規(guī)的檢測(cè)手段被普遍采用，該技術(shù)在橋梁鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量檢測(cè)中必將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。