TOFD技術在電站鍋爐鋼結構檢測中的應用

鄭書平

(廣東省特種設備檢測研究院汕頭檢測院，汕頭 515000)

0 引 言

當前，電站鍋爐大多是在高溫、高壓的環境下運行，作為電站鍋爐重要的承力結構，鋼結構對保證鍋爐安全、可靠的運行起到關鍵作用。鋼結構是電站鍋爐汽包、水冷壁、過熱器等找正和安裝的基礎，均由鋼板或型鋼焊接而成，其焊縫長期在鍋爐運行動、靜載荷下承受拉力、剪力或壓力等，如果不能保證鍋爐鋼結構的安全性，極有可能導致嚴重的生產事故。因此，在完成鍋爐鋼結構焊接作業后，提高鋼結構焊口檢測的可靠性顯得尤為重要。TOFD技術是一種新型的無損檢測技術，在很多領域都得到廣泛應用，能有效節約檢測成本，提高檢測效率和質量，本文將研究和分析其在電站鍋爐鋼結構檢測中的可行性。

1 TOFD技術在電站鍋爐鋼結構檢測中的優勢

在GB50205-2020《鋼結構工程施工質量驗收標準》中規定設計要求的一、二級鋼結構焊縫應進行內部缺陷的無損檢測，目前鋼結構內部缺陷無損檢測抽查重點為大板梁、主立柱對接焊縫，該類焊縫多采用Ⅰ型坡口自動焊，壁厚較大，基本上使用的比較多的是超聲波和射線檢測。超聲波和射線檢測原理和適用范圍區別很大，并且有各自獨特的優點與局限性。從表1中可以看出，TOFD技術在鋼結構焊縫缺陷檢測、定量檢測、缺陷定性等方面，和傳統超聲波探測方法相比具有顯著優勢，且相比射線檢測不需要嚴格的防護條件和隔離，應用在電站鍋爐鋼結構中擁有較大的優勢。

表1 TOFD技術與超聲波、射線檢測對比表

2 TFD技術在電站鍋爐鋼結構檢測中的應用

2.1 前期準備工作

TOFD技術在電站鍋爐鋼結構檢測中應用時需要做好前期準備工作，檢測人員要先了解被檢測的工件，如鋼結構的厚度、焊縫結構、歷史缺陷等信息，探頭移動區應清除焊接飛濺、鐵屑、油垢及其他雜質，做好掃查面的平整。

2.2 合理選擇檢測探頭

選擇合適的檢測探頭是應用TOFD技術的關鍵，探頭設置應確保對檢測區域的覆蓋和獲得最佳的檢測效果，TOFD探頭形式一般采用縱波斜探頭，由于電站鍋爐鋼結構一般厚度比較大，應根據鋼結構厚度選擇分區，分區應在厚度方向依次向上覆蓋相鄰分區深度范圍的25%，表2 為在鋼結構不同壁厚時TOFD探頭的推薦選擇設置。

表2 TOFD探頭在不同壁厚鋼結構的推薦選擇設置

2.3 合理選擇PCS值

PCS值指的是每對探頭的中心間距，在確定鋼結構TOFD檢測PCS值時，一般情況下選擇2 t/3法則，即保證探頭聲束中心能夠聚集在2 t/3的位置，這一法則能夠確保聲場均勻覆蓋最大區域，可以合理確定探頭間距，具體公式為：

PCS=4dtanθ/3

2.4 A掃描時間窗口、靈敏度設置和深度校準

TOFD技術在電站鍋爐鋼結構檢測中應用時，應在檢測前設置A掃描時間窗口、校準深度和設置靈敏度，A掃描時間窗口的起始位置應設定為直通波前至少0.5μs以上，終止位置應設定為鋼結構焊縫底面的一次波型轉換波后0.5μs以上，為了準確測定缺陷的深度，檢測之前應把直通波校準為零，而把底面反射波校準為鋼結構厚度，靈敏度設置一般將直通波的波幅設置為滿屏高的40%～80%。分區檢測時，應采用對比試塊，根據對比試塊的各側孔實際深度校準檢測設備的深度顯示，且對應各分區應沿深度方向向上至少覆蓋相鄰檢測分區厚度范圍的25%，同時將對比試塊各通道A掃描窗口內各反射體最弱的衍射信號波幅設定為5%～10%作為靈敏度。在開始檢測之前，應對各項數據進行詳細復檢，確認各項參數都達到要求之后才能開始探測工作。

2.5 掃查

在應用TOFD技術時，掃查是比較重要的環節，對電站鍋爐鋼結構檢測的結果的精度有很大影響。首次檢測的大范圍快速掃查一般采用非平行掃查，對于非平行掃查發現的接近最大允許尺寸的缺陷或需要了解更多缺陷信息時，建議對缺陷部位增加偏置非平行掃查、平行掃查或脈沖反射超聲波檢測，為保證電站鍋爐鋼結構缺陷掃查的全面性，掃查時應確保探頭的運動軌跡與擬掃查路徑間的誤差≤探頭中心間距的10%，分段掃查各段重疊范圍至少為20mm，掃查結束之后，數據采集工作也隨之結束，為保證數據采集的有效性和完整性，可進行多次掃查，選擇效果好的圖像進行分析。

2.6 表面和底面盲區的補充檢測

表面盲區是由于直通波的存在，隱藏在直通波信號之下的內部缺陷信號可能難以被發現，而底面盲區主要是軸偏底面盲區，因底部內部缺陷信號遲于底面反射波而被其覆蓋，為了減少表面和底面盲區的影響，應補充掃查面表面檢測，同時采用脈沖反射法超聲檢測和偏置非平行掃查有效降低盲區高度。

3 案例應用

根據上述檢測程序和方法，對某在用電站鍋爐的鋼結構進行TOFD檢測，該鋼結構板厚度為18 mm，材質為Q355B。TOFD檢測主要采用單通道檢測和非平行掃查，探頭為10 MHz ，聲束角度為70°，晶片尺寸為3 mm，并附加掃查面表面檢測、脈沖反射法超聲檢測和偏置非平行掃查，經TOFD檢測發現了該鋼結構焊縫存在未熔合缺陷，如圖1所示。

圖1 TOFD技術檢測缺陷圖像

4 結束語

在電站鍋爐鋼結構缺陷檢測中，TOFD技術對焊縫未熔合、未焊透的檢出率非常高，而且能夠準確檢測出缺陷的長度和高度，甚至是面狀缺陷的傾斜也不會影響缺陷的可檢性，同時可實時得到鋼結構焊縫長度和寬度方向上的斷面透視圖像，檢測結果可通過計算機軟件自動生成。從長遠看，TOFD技術具有很高的可靠性和自動化水平，將成為電站鍋爐鋼結構的重要檢測手段。