TOFD檢測方法在水利水電工程焊縫檢測中的應用

吳春雷，李令闖，隋 偉，徐 爽

(1.貴州興盛建設集團有限公司，貴州 畢節 551700；2.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130061)

1 概 述

1.1 TOFD檢測技術在我國的應用發展情況

TOFD技術原理為超聲波衍射現象，采用一發一收兩個寬帶窄脈沖探頭進行檢測。發射探頭產生非聚焦縱波波束以一定角度入射到被檢工件中，其中部分波束沿近表面傳播被接收探頭接收，部分波束經底面反射后被探頭接收。接收探頭通過接收缺陷尖端的衍射信號及其時差來確定缺陷的位置和自身高度。相比于傳統的UT超聲波脈沖反射法和RT射線檢測法，TOFD檢測技術具有檢測效率高、缺陷檢出率高、對缺陷垂直方向的定量和定位更準確、缺陷判讀更加直觀等優勢。

從20世紀90年代起，TOFD檢測技術在國外逐步應用于石化、電力等行業的承壓設備焊接接頭質量檢測。21世紀初，我國開始逐步應用該項技術，到2005年中科院武漢中科創新研發出第一臺國產TOFD專用檢測設備。之后我國壓力容器行業開始引用TOFD檢測技術，并進行全面推廣。

近些年隨著我國水利水電工程的蓬勃發展，TOFD無損檢測技術在水利水電工程金屬結構無損檢測中應用越來越廣泛，《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗收規范》(GB 50766—2012)中已將TOFD檢測列入焊縫無損檢測常規方法。近些年我國已建成或在建的抽水蓄能電站工程中，部分項目已將TOFD檢測方法代替RT射線檢測，如洪屏、敦化、豐寧、阜康等抽水蓄能電站工程中TOFD與UT成為主要的焊縫內部探傷方法。

1.2 TOFD圖譜數據有效性

在TOFD評圖之前應檢查數據的有效性，為達到檢測數據的有效性，應滿足以下要求[1]。

(1) 檢測參數：主要是PCS的設置和楔塊角度的選擇應滿足相應檢測規范的要求。

(2) 顯示長度應與實際掃查長度一致，主要通過對編碼器進行校準來保證。

(3)掃查靈敏度應滿足：直通波滿屏40%～80%波高，若直通波不適合應采用底波達到滿屏80%再提高20～32 dB，若以上皆不可用可將材料的晶粒噪聲設定為滿屏波高的5%～10%作為檢測靈敏度。

(4)數據丟失及耦合穩定性應滿足：掃查數據丟失不應超過5%且不能有連續丟失。

(5) 時間窗口設置應滿足相應規范的要求，尤其是分區掃查時，應確認相鄰分區時間窗口的設置是否有覆蓋。

1.3 典型的TOFD圖譜介紹

對TOFD圖譜的分析包括定性分析和定量分析，定性分析為根據缺陷的顯示特征區分缺陷為何種型式，定性分析需要檢測人員有豐富的評圖經驗，定量分析需要確定缺陷的位置、顯示長度、自身高度等信息。常見的缺陷顯示圖譜如圖1～圖4所示。

圖1所示的缺陷為氣孔，產生的原因主要包括焊材不良、焊接電流過大、焊接速度過快、氣體保護不周密等。單個氣孔的圖像通常呈拋物線形，信號圖像尾部向底面墜落，通常無法明顯分辨上、下端點信號，上部反射信號較強，得不到衍射信號，只有下部的回波是衍射產生的[2]。單個氣孔一般不記錄在報告中，根據(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規范規定，如果存在密集型氣孔，則需按照條狀缺陷顯示評判。

圖2所示的缺陷為夾渣，產生的原因主要包括前層焊渣清除不徹底、焊接電流過小、焊接速度過慢、焊條或焊絲擺弧不當等。夾渣上、下端點一般無法分辨，呈弧形，上端點信號較強，有明顯的亮點。條狀夾渣往往會斷成幾節，圖像黑白對比較為鮮明[2]。

圖3所示的缺陷為未熔合，未熔合指焊縫金屬和母材之間或焊縫金屬之間未熔化結合在一起的缺陷，產生的原因主要包括焊接電流過小、焊接速度過快、焊條角度不當、母材表面有氧化物影響熔敷金屬與母材間的熔化結合、焊接處于下坡焊位置導致母材未熔化時已被鐵水覆蓋等。未熔合上、下端點信號較規則，圖譜一般成較直或光滑過渡的主線，在主線上側或下側一般會伴有相位相反的不規則狀線組(拋物線狀或不連續的小段)雜散信號較少[2]。

圖4所示的缺陷為裂紋，裂紋是對焊縫危害最大的缺陷，產生的原因主要包括母材碳元素及其他合金元素含量過高、焊材品質不良、熱處理不當導致焊縫冷卻過快、焊縫拘束應力過大等。裂紋一般有一定的自身高度，可區分上、下端點，焊接產生的裂紋上、下端點一般不太規則，上、下端點之間有些雜散信號，一般裂紋下端點衍射信號強于上端點。兩端和主線有時伴有不規則的拋物線組[2]。

圖1 氣孔

圖2 夾渣

圖3 未熔合

圖4 裂紋

2 某工程實踐中幾種特殊圖譜的分析

在某抽水蓄能電站工程壓力容器檢測中，發現幾種較難判定的圖譜，對于經驗不足的檢測人員，容易引起誤判，在此列出工程實踐中比較典型的幾種圖譜進行分析探討。

圖5為在某工程壓力鋼管檢測中比較典型的一種偽缺陷顯示圖譜。在壓力鋼管檢測中，TOFD檢測某幾節壓力鋼管縱焊縫均存在類似的缺陷顯示。焊縫相關參數為：母材材質Q690E、母材厚度42 mm、坡口型式為X型、焊接方法為埋弧自動焊。檢測儀器為中科HS810型TOFD檢測儀，探頭規格為5 MHz、Φ6 mm，楔塊角度為70°。

圖5 偽缺陷顯示圖譜

對于所有出現該偽缺陷顯示的鋼管焊縫，用UT脈沖反射法進行檢測，未發現超標缺欠顯示。利用超聲波直探頭對母材進行檢測，未發現母材存在缺陷。為排除TOFD檢測設備原因，采用奧林巴斯TOFD檢測儀進行檢測，該設備相關參數為探頭規格5 MHz、Φ6 mm，楔塊角度為60°，結果TOFD圖譜顯示出類似的缺陷顯示。檢測人員選取兩節壓力鋼管，每節鋼管選取1條焊縫，對焊縫中TOFD圖譜缺陷顯示較明顯部位進行打磨解剖，并對TOFD圖譜中缺陷顯示深度位置進行滲透檢測，焊縫經解剖后也未發現存在缺陷。最終判定此類顯示為偽缺陷顯示。

對該偽缺陷顯示產生原因進行分析，具體如下：

(1)產生偽缺陷顯示的焊縫母材經檢測未發現存在缺陷，且母材材質和厚度相同情況下采用二氧化碳氣體保護焊的焊縫未出現此類偽缺陷顯示，可判定偽缺陷顯示與母材無關。

(2)出現此類偽缺陷顯示的焊縫均使用同一種焊接工藝，此種焊接工藝在此前的壓力鋼管焊接中未使用，由于焊接工藝原因導致焊縫晶粒粗大，組織不均勻，TOFD方法檢測靈敏度高導致出現偽缺陷顯示。

(3)對焊縫剖開部分用焊條電弧焊進行補焊，偽缺陷顯示仍存在，但不明顯且不連續。返修會導致金屬金相發生變化，也會引起局部晶粒粗大，故某些位置仍會出現偽缺陷顯示。

針對此類偽缺陷顯示，本文建議有如下解決辦法[3-4]：

(1)遇到難以判斷是否為偽缺陷顯示的圖譜，首先應采用脈沖反射法超聲波進行檢測，對TOFD圖譜的缺陷顯示進行確認，如超聲波未發現缺陷回波，可懷疑TOFD圖譜為偽顯示。

(2)應對母材進行無損檢測，以排除母材缺陷原因。

(3)TOFD必要時進行雙面檢測，如仍出現類似缺陷顯示，可采用更高頻率的探頭進行驗證檢測。TOFD探頭頻率越高分辨力越高，但由于頻率越高，衰減和噪聲也隨之增加，因此高頻率探頭只用于驗證，正常檢測中探頭頻率選擇還是要滿足相應規范要求。

(4)以上幾種方法基本可確定TOFD圖譜是否偽顯示，如還無定論，為謹慎起見可選取圖譜中缺陷顯示最嚴重部分對焊縫進行剖開并用滲透檢測進行驗證。

圖6 密集氣孔圖譜

在某工程蝸殼焊接中，TOFD檢測發現某幾條焊縫上中和下中位置均出現較密集氣孔，圖6為其中一張比較典型的圖譜。圖中焊縫相關參數為：母材材質610CF、母材厚度42 mm、坡口型式為K型、焊接方法為焊條電弧焊。檢測儀器為中科HS810型TOFD檢測儀，探頭規格為5 MHz、Φ6 mm，楔塊角度為70°。

根據規范NB/T 47013.10—2015如果按照密集氣孔進行評判則判定為質量等級Ⅲ級，不滿足該試板質量等級Ⅱ級要求，而利用超聲波方法檢測缺欠未超標，利用RT射線檢測缺陷未超標。對焊縫進行解剖分析，焊縫未出現連續性缺陷，由于TOFD相對于其他檢測方法，對微小缺陷的檢測靈敏度及檢出率更高，所以焊縫中氣孔比較多時，在TOFD圖譜中容易顯示為小圓弧布滿圖譜。

規范NB/T 47013.10—2015中規定：密集型點狀顯示需按照條狀顯示處理，但規范中對于如何算密集型點狀顯示未作出明確定義，對此文獻5中也進行了專門的探討[5]。對于TOFD圖譜出現此類的肉眼觀察較密集的點狀顯示，可參考文獻5中對密集型顯示的定義進行判定，并利用常規超聲波方法等進行檢測，必要時對最嚴重部位焊縫剖開進行驗證檢測，如確實存在超標缺陷，則進行返修，如被剖開焊縫點狀缺陷分布較稀疏則應避免不必要的返修。

3 結 論

(1) TOFD檢測方法與射線檢測相比缺陷檢出率更高、效率更高，在水利水電工程建設中已逐步替代射線檢測，TOFD與常規超聲檢測方法成為主流的焊縫內部探傷方法。

(2)TOFD檢測方法靈敏度較高，由于檢測人員水平和經驗不足等原因，可能對某些偽缺陷顯示進行誤判，檢測人員在檢測時應對焊縫的相關參數進行充分了解，綜合分析母材材質、焊接方法與焊接工藝、坡口型式等，以排除非缺陷引起的顯示。

(3)對TOFD圖譜中的顯示有懷疑時，應結合常規超聲等檢測方法的檢測結果進行分析，必要時可對TOFD圖譜中最嚴重部位焊縫進行解剖分析。

(4)TOFD檢測人員應對檢測保持認真嚴肅的態度，嚴格按照檢測工藝書及規范進行檢測及評定工作，對檢測結果負責，堅守職業操守，對出現的超標缺陷不放過，也不能對非缺陷顯示進行不必要的返修。