壓力容器焊縫TOFD檢測的關鍵影響因素研究*

于鵬祖，趙志強，劉 祎，張鵬林

(1.甘肅建筑職業技術學院，甘肅 蘭州 730050； 2.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730314；3.蘭州理工大學，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

TOFD技術(即衍射時差法超聲檢測技術，簡稱“TOFD”)是超聲波檢測技術新方向。它是利用入射波與缺陷自身結構發生相互作用時，在缺陷表面發生超聲波反射，同時在兩端點處發生衍射的現象，而缺陷兩端的衍射信號指向性不明顯，這使該法對缺陷邊界的靈敏度很高[1]。因此，TOFD技術憑借比常規超聲波檢測更高的精準度和可靠性，被國內壓力容器制造企業廣泛引進和推廣應用[2-3]。

在實際大型容器焊接結構的TOFD檢測中，由于場內人員、設備、工序、工種等交互作業，TOFD檢測易出現雜波干擾、缺陷信號失真、圖像斷幀顯示等問題，特別是厚壁容器焊縫檢測，缺陷波幅度不可避免地降低[4]。TOFD技術在特殊結構和復雜環境中的適應性仍受多方因素的限制[5]，所采集數據無效返工的情況時有發生，造成額外增加人力、耗材、工期等，嚴重影響產品質量和經濟效益的提升。因此，在壓力容器焊縫檢測中應用TOFD技術，并不斷提升檢測效率和檢測質量，具有十分重要的現實意義[6]。

針對本地區重點工業企業使用TOFD技術檢測焊縫易出現無效數據，導致無法正常評圖、檢測效率低等實際問題，項目組從“人、機、料、法、環、測”等方面入手，采用案例調查和圖譜抽查統計分析的方式，重點研究影響壓力容器焊縫TOFD檢測效率和質量的關鍵因素，為進一步優化檢測工藝，探索質量提升路徑奠定基礎。

1 現狀調查

為了解實際情況，項目組抽取生產工作量相對平穩的1月份進行四周的焊縫TOFD檢測圖譜質量調研，統計發現整體一次成圖率為89%，這與相關檢測方法(如射線照相法成片率可達98%)存在差距。但在對其他月份調研中發現成圖率存在波動性變化，而且曾出現過一次成圖率為97.5%的歷史最高水平。

為進一步探索影響焊縫TOFD檢測成圖率的影響因素，項目組對1月份四周抽查的圖譜數據結果進行復評確認，并將確定的廢圖按照焊縫類型和探頭通道類型做分層分類統計，發現其中縱縫問題為91%，環縫問題為9%。為進一步找到問題癥結，對該月四周的縱縫廢圖做了分層統計，數據顯示1通道圖譜為66%，2通道圖譜6%，3通道圖譜28%。其中1通道和3通道圖譜廢圖率總和占到了94%，是導致焊縫TOFD檢測一次成圖率低的主要問題所在。通過調查研究表明，解決壓力容器焊縫TOFD檢測成圖率低的問題，1、3通道的縱縫問題是癥結所在。經過推算，表明解決好94%的問題，檢測一次成圖率就可以達到98%的水平，將顯著提升檢測效率。如圖1所示為焊縫TOFD三通道檢測掃查示意圖。

圖1 TOFD三通道檢測掃查示意圖(每對探頭為1個通道，按一收一發模式聚焦特定深度范圍材料，將焊縫在厚度方向分三層掃查)

2 原因分析

為了進一步研究問題癥結的根本原因，確定影響一次成圖率的關鍵因素，項目組首先組織檢測技術、檢測操作、數據評圖方面的相關人員，結合日常檢測實際問題，采用頭腦風暴的方式，圍繞問題癥結展開充分討論。重點從“人、機、料、法、環、測”六方面，列舉出所有可能造成問題癥結的原因，初步梳理出16個關鍵詞，并按照直接因素和間接因素的層次，繪制出了影響焊縫TOFD檢測圖譜質量的關聯圖，如圖2所示。其中1、3通道檢測成圖率低是問題癥結，圖譜無法離線轉化、高度覆蓋不足、雜波信號干擾、采圖方法差異化、掃查速度過快、圖譜信號丟失、耦合不良圖像斷幀等7個方面因素是直接影響因素，檢測儀系統故障、操作指導書不完善、相鄰區域交叉作業、現行標準無采圖說明、探頭移動區表面粗糙度過低(重點關注Ra低于12.5 μm的情況)、掃查器與工件曲率不一致、探頭線接頭虛連、人員培訓不到位等8個方面是影響檢測圖譜質量的末端因素。

圖2 影響因素關聯圖

3 關鍵因素研究

圍繞檢測日常工作，對影響檢測質量水平的“人、機、料、法、環、測”等六方面共8個末端因素進行分析，除“標準無明確的采圖說明”能明確為不可抗因素外，其余7個方面都有可能通過一定的措施改善和消除。為了探索出具有普遍使用意義和工程價值的質量提升路徑，項目組對其余7個末端影響因素進行了周期性和常態化的跟蹤統計、對比、分析，并對壓力容器焊縫TOFD檢測的“關鍵影響因素”進行研究和確認。

3.1 檢測儀系統故障

為了深入分析檢測儀器系統狀況，項目組在設備購入、定期校準、運行核查等方面進行了全面分析研究。其中年度校準針對的是設備一年的使用耗損，進行全面檢查和測定儀器系統性能的監管性工作，而日常運行核查能夠及時發現歷次系統故障記錄的細節情況。對這兩類記錄的調查研究，能全面掌握檢測儀器系統的真實情況。首先，項目組按校準周期和運行核查安排深入調查了儀器在使用過程中的實際記錄，包括“TOFD儀器年度校準報告”和“TOFD儀器性能核查報告”等階段性和過程性資料。發現年度校準情況和運行核查記錄均詳細、清晰、齊全，且核查校準記錄及時跟進，符合設備日常管理維護的規范和要求。其次，為了從設備源頭進一步判斷該問題的影響程度，調查了“設備開箱檢查記錄單”“設備試車和性能驗收記錄單”“設備移交驗收表”等記錄。經檢查發現，儀器購進入廠驗收記錄齊全，設備入廠狀態完好正常。因此“檢測儀系統故障”對“1通道和3通道一次成圖率低”這個末端因素影響概率非常小，可以確定檢測儀器系統故障不是關鍵影響因素。

3.2 操作指導書不完善

采用資料調查和現場測量法，從兩個方面核查檢測操作指導書內容的完整性和科學性：①操作指導書內容的實用性和工藝的邏輯性分析。發現在選擇探頭之后，無高度覆蓋驗算方法、時間窗口設置流程及其注意事項等相關內容。這對操作人員使用帶來很大不便，特別是失去了統一的規范性約束，人員對內容和過程的理解也呈差異化。因此，計算方法和窗口設置的正確性、合理性對圖譜一次成功率的影響更不穩定。所以，這個問題是操作指導書的程序性漏洞，可能是重要的關鍵影響因素；②為了進一步研究確認“操作指導書不完善”對圖譜質量的影響程度。經過對多種典型厚度容器實際焊縫上時間窗口的設置值和圖譜分析值的差異比對，發現原來給出的設置值存在科學性漏洞。以某158 mm厚容器焊縫TOFD檢測為例，進行探頭選擇、高度覆蓋驗算和時間窗口設置等操作。發現按照操作指導書選擇的探頭，經高度覆蓋驗算，1通道下覆蓋和3通道上覆蓋分別為32.9 mm、75.1 mm，理論上滿足覆蓋，但在實際焊縫上設置時間窗口時，卻發現如果按照計算值直接輸入，則在圖譜評判時發現1通道下覆蓋和3通道上覆蓋分別為30.9 mm(差0.7 mm)、84.6 mm(差5.6 mm)，不滿足標準中對探頭覆蓋的要求。表1所列為厚度150 mm的容器焊縫TOFD檢測分層計算參數表。

表1 TOFD檢測分層計算參數表

因此，原有操作指導書只能簡單給出理想的理論計算值，無高度覆蓋的驗算，也沒有說明在實際檢測中時間窗口輸入時的誤差調整，存在科學性漏洞。因此，“操作指導書不完善”造成的工藝參數性問題，對一次成圖率影響程度大，是影響檢測質量的關鍵因素。

3.3 探頭移動區表面粗糙度過大

TOFD標準要求檢測工件表面粗糙度不低于12.5 μm。一般冷軋鋼板表面粗糙度Ra可達到3.2 μm左右，熱軋的表面粗糙度Ra一般在6.3 μm～12.5 μm范圍內。而壓力容器用鋼板一般表面粗糙度Ra不低于6.3 μm(甚至不低于3.2 μm)等。按照規定方式打磨后表面粗糙度Ra一般在0.8 μm～1.6 μm范圍內。按照入廠產品供貨狀態和質量文件可以保證初始表面粗糙度滿足檢測要求。

為了研究焊縫兩側表面清理實際粗糙度問題，文中采用工程上常用的“比較法”進行表面粗糙度測量。這種利用試塊表面狀態下的視覺和觸覺情況判斷和比較表面粗糙度的方法簡單且效率高。項目組以TOFD檢測對比試塊焊縫兩側鋼板表面為參考(為鋼板原始表面，粗糙度Ra大約為3.2 μm)，對所抽查問題圖譜所在焊縫兩側進行全面檢查記錄。為了避免因主觀因素引起判斷結果的差異，項目組組織至少3人進行了3輪焊縫兩側掃查區粗度判定。測量表明，所有探頭移動區都是在原有鋼板表面進行了焊后清理性打磨，除存在個別由于機械原因造成的劃傷和打磨過渡問題以外，表面粗糙度Ra都不低于3.2 μm水平。

為了進一步判斷不同直徑大小的凹坑對檢測圖像質量的影響程度，對發現的5處表面典型凹坑(約φ2 mm、φ4 mm、φ6 mm、φ8 mm、φ10 mm)和5處砂輪修磨不當(砂輪磨痕深淺不一)的部位，進行表面狀況觀察和圖譜特征分析。表2所列為掃查面狀況和圖譜信號問題特征。

表2 表面凹坑狀況及圖譜信號比較

分析研究表明，該類問題均會100%影響直通波和底波狀態，且對圖譜質量影響很大。但是，此類凹坑類表面狀態通常可肉眼識別，通過檢查人員和檢測人員兩撥工序的監督，基本能夠及時發現并向相關焊接人員反饋，立即做出相應的修磨處理。掃查表面粗糙度超標和凹坑導致的圖譜質量問題頻率很低，對TOFD圖譜一次成圖率影響小。

3.4 相鄰區域交叉作業

針對無效圖譜中電信號干擾大，A掃信號波幅超過80%，以及D掃圖像特征信號雜亂衍射波紋的情況。項目組對檢測現場經常出現的天車經過、轉胎運行、電弧氣刨等實際工況，對現場實際焊縫進行環境和圖譜信號的動態檢測，如圖3所示，發現當天車經過1次或者轉胎轉動1下時均會100%產生信號干擾，焊接、電弧氣刨時，每作業1下就會在屏幕上產生1次干擾信號。這種情況在日常焊縫檢測中很難被檢測一線操作人員所發現，使得失效圖譜流轉到后期評圖時才被發現，造成一次成圖率下降和返工。

圖3 轉胎通電運轉對檢測信號的影響 圖4 直桿掃查架實際檢測試驗

經過多次實地檢測監測和可控變量試驗，均重復性顯示天車通過、轉胎轉動、焊接施工、電弧氣刨等與雜波信號有一致的對應關系，干擾性變量重復次數與儀器屏幕上產生干擾信號的頻次相對應。因此，“相鄰區域交叉作業”對焊縫一次成圖率”的影響程度大，是造成圖譜質量下降的關鍵影響因素。

3.5 掃查器與工件曲率差異

項目組對直桿掃查架與曲率縱縫進行匹配性檢查，發現都存在不同程度的曲率差異，直徑越小差異越大，曲率差異越大，出現信號丟失、斷幀、表面波多周期反射等問題越多。初步判斷直桿掃查架與檢測面曲率不匹配，會導致耦合不良，造成圖譜質量下降。

為進一步判斷曲率因素對圖譜質量的影響程度，項目組選取不同曲率工件進行分曲率直桿掃查試驗。圖4為檢測人員對直桿曲率縱縫進行TOFD檢測試驗。典型曲率的選取根據企業承制的3種典型曲率容器設備的規格設置，如圖5所示。

圖5(a)為φ800 mm換熱器縱縫1A(規格為L1 490×44 mm)的圖譜；(b)為φ1 200 mm計量分離器，縱縫1A(規格為L2 000×42 mm)的圖譜；(c)為φ2 200 mm高壓分離器，縱縫1A(規格為L2 800×86 mm)的圖譜。試驗表明，直桿掃查架與工件曲率差異越大，信號丟失越嚴重。表明“掃查器與工件曲率差異”對TOFD檢測的一次成圖率影響很大，是影響圖譜質量的關鍵因素。

圖5 三種典型曲率容器縱縫圖譜信號對比

3.6 探頭虛連

為測試探頭虛連引起的圖譜信號丟失問題，對本來完好的檢測線進行虛連處理，并對圖譜上的缺陷信號進行對比分析。發現單根線虛連時，圖譜出現A掃信號丟失和雜亂信號，D掃圖像為密集黑線。兩根線同時虛連時，圖譜A掃信號嚴重丟失，幾乎無法成圖。通過對以往失效圖譜的分析研究，此類現象在以往失效圖譜中幾乎沒有。這表明探頭線虛連對圖譜的影響雖然明顯、很大，但得益于設備管理和操作程序在檢測作業前、中、后的閉環設計，基本確保了操作人員能在第一時間識別和消除此類問題。表明“探頭虛連”不是影響一次成圖率的關鍵因素。

3.7 人員培訓

通過資料調查和人員訪談，發現企業每月開展一次全體培訓，一次專題培訓，且每月培訓學時均超過6學時，每次采圖之前，檢測技術人員都會對操作人員給予指導，對TOFD工藝規程的培訓符合企業質控要求。項目組通過觀察、詢問操作者的作業習慣，查看核對質量管理記錄，發現沒有發生探頭線、楔塊、探頭等裝錯接錯問題，也未出現過工藝執行不到位和個人作業不規范的記錄。在對現場檢測工作進行抽查性工藝監督檢查時，發現操作人員在現場采圖過程中，能夠專注監測屏幕。若信號丟失，他們會在第一時間退回重掃，能有效避免大面積信號丟失狀況的發生。表明 “人員培訓不到位”不是影響一次成圖率的關鍵因素。

4 結 論

通過全面系統的分析研究，表明“操作指導書不完善”“相鄰區域交叉作業”“掃查器與工件曲率差異”等三個方面因素是影響超聲TOFD技術在焊縫檢測中的關鍵因素。解決好這三方面的問題，將顯著提升圖譜質量和效率。建議從以下三個方面進行解決辦法的探索。

(1) 推導和設計典型高度覆蓋驗算過程及表達式，結合實際編制時間窗口設置說明，將以上內容加入操作指導書。及時開展專項技術培訓，并在周、月度質量會議上重點強調要領，保證專項培訓和會議時間。建議專項培訓不少于90 min，月度質量專題會議不少于10 min，周例會不少于5 min。

(2) 研判現場環境，及時避開天車經過時段和轉胎轉動時段，避免與焊接、氣刨等工序交叉作業?？山Y合因素影響方式和檢測工作實際，編寫影響TOFD圖譜質量的現場環境因素清單及應對措施方案，使檢測人員能夠100%識別現場環境因素，正確做出應對措施，消除不利影響。

(3) 設計制作曲率可調節的專用檢測掃查架。可通過自主設計、設備商配合、相關部門施工的方式，制作開發能匹配企業大宗產品各曲率類型的曲率掃查架，消除因曲率不匹配引起的耦合性圖譜質量下降問題。