TOFD超聲技術在承壓設備焊縫檢測中的應用*

趙志強

(甘肅建筑職業技術學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

承壓設備在工業生產中的應用十分廣泛，在經濟社會中占據著重要地位。煉油化工設備是重要的承壓設備，通常在受壓狀態下工作，所處理的物質多為高壓、超高壓、高溫、腐蝕、有毒、易燃易爆介質環境。這類設備一旦發生事故，將嚴重危害人們的財產及生命安全，并對經濟造成重大損害。因此，承壓設備被我國列為特種設備來強制監管。隨著我國煉油化工裝置的大型化、高端化、集成化，反應器、分離器、管殼式換熱器、球形儲罐等承壓設備逐漸向厚壁設計、分段制造、現場組焊的方向發展。甚至有些大型加氫設備壁厚超過300 mm，單個筒節組件重量超過了300 t。TOFD 技術(即衍射時差法超聲檢測技術，以下簡稱“TOFD技術”)作為無損檢測新技術，在厚壁容器焊縫內部缺陷的檢出率方面優勢突出，近些年在承壓設備檢測中推廣應用，已成為承壓設備檢測的重要手段。

筆者重點對承壓設備TOFD檢測技術特點和工藝特點進行系統研究分析，提出典型焊縫結構TOFD檢測探頭掃查及布置形式，厘清盲區覆蓋特點、曲面縱縫檢測特點、不銹鋼和碳鋼檢測差異、不等厚檢測探頭選擇等重點問題和關鍵技術，并指出大厚壁、超大厚壁、不等厚壁承壓設備焊縫TOFD檢測質效的提升方向。

1 國內外發展概況

1972年，TOFD技術率先由英國哈威爾無損檢測中心Dr.Silk M G提出[1]。隨著英國工業的發展，到了20世紀90年代，英國出臺了BS7706標準[2]，美國ASME在規范案例2235[3]和第Ⅴ卷《無損檢測》附錄[4]中列入了TOFD相關的規范和條款。2000年日本和歐盟相繼推出TOFD專用的檢測標準，如ENV583-6-2000等[5]。20世紀90年代，我國開始引進和研究TOFD技術。2001年，中國一重率先將TOFD技術用于承壓設備焊縫檢測，探索用新技術取代照相法射線檢測，并取得首批14臺70余條焊縫的有效檢測。2004年，中國一重與中國特檢院攜手完成了我國第一個TOFD標準的編訂工作。2007年左右，TOFD技術在國內的推廣普及呈規模化發展，甚至不少企業開始試驗研究在不同壁厚承壓設備生產及在役檢測中采用“TOFD+相控陣”技術融合[6-7]。2010年，我國在參考國外規范和吸收國內實踐成果基礎上，制訂了《承壓設備無損檢測第10部分：衍射時差法超聲檢測》TOFD標準[8]，進一步加快TOFD技術在我國承壓設備生產和在役檢測中的推廣應用[9]。

2 基本原理

TOFD技術是應用惠更斯原理實現缺陷檢測的，是利用超聲波在傳播過程中遇到障礙物會發生衍射這一現象。所以為了與傳統方式區別，該法也被稱為衍射時差法超聲波檢測技術。

在缺陷尺寸比超聲波長小的情況下，超聲波仍會繞過缺陷位置繼續傳播，所以缺陷引起的衍射波并無明顯的方向性。由于缺陷引起的衍射信號比反射信號小很多，所以TOFD 技術能檢測更小的缺陷。

TOFD檢測采用雙探頭、一發一收方式進行信號發射和采集。要求兩掃查探頭頻率、角度及晶片規格相同，橫跨被檢焊縫兩側。掃查方式一般有非平行掃查、偏置非平行掃查、平行掃查、斜向掃查等。掃查過程中，探頭發射的縱波在碰到缺陷后，在缺陷上下端點處產生衍射信號。由于其下端點衍射信號用時多于上端點，可用這個時間差作為量值確定缺陷自身高度。缺陷深度也可同理得出。缺陷埋藏深度通過上端點信號延遲與直通波的差值來計算得出。最終，這些特征信息將按照一定的規則顯示在圖譜上，供質量評定。儀器顯示屏主要顯示A掃圖像和對應的TOFD圖像。TOFD圖譜直通波和底波分別顯示工件上表面和下表面附近的信息。缺陷端點衍射信號處于直通波至底波之間的區域。原理如圖1所示。圖中D為母材厚度，d為缺陷深度，h為缺陷自身高度，PCS為探頭中心間距。

圖1 TOFD檢測原理圖

3 技術特點

3.1 缺陷檢測特點

與常規脈沖反射法相比，TOFD技術檢測精度和可靠性不受缺陷取向和入射波角度影響，檢出率能達到90%[10]。對大角度橫向缺陷可用斜向非平行方式掃查。研究表明，當缺陷取向與焊縫軸線夾角小于50°時，能夠在D掃顯示中辨別斜向缺陷和點狀缺陷。當夾角超過50°時，斜向缺陷特征逐漸向短弧形特征過渡，呈現出點狀缺陷的拋物線形特征，此時缺陷性質和長度基本無法判斷和定量[11]。此成果已列入新版TOFD標準。可在實際應用中用30°～60°范圍傾斜角進行橫向缺陷的斜向非平行掃查，此方法可以增大探頭波束能量，提高橫向缺陷檢出率。而傳統檢測方法對橫向缺陷的檢測存在劣勢。如射線透照小尺寸橫向裂紋時很難拍出裂紋影像[12]；脈沖法超聲雖利于裂紋缺陷檢測，但對橫向缺陷位向要求很高，稍有不當，便無法探得缺陷信號，容易導致橫向缺陷漏檢。

3.2 檢測設備特點

TOFD設備零部件相對較多，對設備裝配和人員的操作能力要求相對較高。設備一般包括主機、探頭、掃查架、測定試塊、對比試塊等。TOFD儀器通電后，一側探頭發出入射波，另一側探頭接收直射、反射、衍射的出射信號，再經主機收集、處理、合成焊縫內部信息圖像。設備主機在接收信號的同時實時計算真實路徑長度并同步記錄，從而保證了缺陷顯示信息和實際焊縫的一一對應。這樣的系統設計，確保了檢測結果的再現性。TOFD探頭是非常重要的器材，工程上通常選用高靈敏度縱波探頭。一般要求小晶片、寬頻帶、窄脈沖、大擴散角，來保證檢測圖像的較高分辨力和檢測精度。

3.3 圖像顯示特點

與傳統超聲檢測顯示不同，TOFD信息顯示分A掃描信號和TOFD圖像。A掃描信號是超聲波的波形顯示，橫軸表示波的傳播時間，縱軸表示波幅。TOFD圖像是檢測數據的二維顯示，一個軸表示探頭移動的距離，一個軸表示工件材料的深度。TOFD圖像顯示的并不是缺陷本身的實際幾何形貌，而是通過所接收到的衍射信號復合轉換形成的灰度圖，是具體由A掃信號對應形成的不同灰階顯示。灰階度具體對應波幅大小，隨周期性變化灰度發生黑白色調的漸變。通常，當波形向正半周期轉換時，灰度向白色轉變。波形向負半周期轉換時，灰度向黑色轉變。一系列A掃信號連續疊加形成整幅TOFD圖譜。所以，評圖時需借助A掃信號來精確定量、定位和分析缺陷。

4 工藝特點

4.1 典型結構的探頭布置

總體來說，煉油化工類的承壓設備焊縫結構TOFD檢測掃查形式主要包括等厚度焊縫布置和不等厚焊縫布置。其中等厚焊縫布置分為平面布置、凸面布置、凹面布置。不等厚焊縫布置包括掃查面平齊、底面平齊、雙面不平齊等布置。一般單側平齊的不等厚檢測可通過兩次不同位置的非平行掃查外加一次偏置非平行掃查的方式來檢測，同時注意對近表面盲區補充檢測。這里忽略波型轉換效應，繪制了TOFD在煉油化工類承壓設備焊縫檢測中的典型探頭布置。如圖2～8所示為典型探頭布置及信號路徑的聲程簡圖。圖2中DT，D為超聲指示深度，T為試件厚度。

圖2 等厚凸面的探頭布置的非平行掃查

圖3 等厚凹面的探頭布置的非平行掃查

圖4 不等厚底面平齊的探頭布置(一側探頭在削邊斜面)的非平行掃查

圖5 不等厚底面平齊的探頭布置(一側探頭在厚側平面)的非平行掃查

圖6 不等厚底面平齊的探頭布置(一側探頭在厚側平面)的偏置非平行掃查

圖7 掃查面平齊的探頭布置的非平行掃查

圖8 掃查面平齊的探頭布置的偏置非平行掃查

4.2 主要參數選擇

TOFD對缺陷的定量不受波幅大小影響，所以對面積型缺陷和線性缺陷的測高誤差一般不大于1 mm。但如果在非平面平齊結構或曲面結構縱縫檢測時，參數設計不當，會嚴重影響檢測結果的準確性，特別是工件上表面和下表面附近的缺陷檢測。受直通波和上表面盲區覆蓋參數計算不合理的影響，盲區可能擴大。甚至有些情況下，盲區會擴大到焊件厚度的20%～30%。對于因底波信號過大導致超聲波信號等距離橢圓軌跡以外埋藏在底波內信號無法被識別的軸偏離底面盲區，一般可考慮在焊縫根部位置設計兩次左右偏置的非平行掃查。

探頭是TOFD檢測工作中的重要部件，決定了檢測過程各環節的效果。探頭內部相關部件質量也會直接影響檢測的準確性和可靠性。一般要求在滿足靈敏度的基礎上，對TOFD探頭角度、晶片尺寸、頻率和掃查次數等進行合理選擇，以獲得足夠的信噪比和檢測能力。推薦選擇較大晶片和較低頻率的探頭，同時考慮縱向分辨力和聲束擴散的因素。頻率方面需保證底波至直通波間的時差，不少于二十個完整的信號傳播周期。

對于不等厚底面平齊的焊縫檢測(如圖4所示斜面掃查時)，在進行主聲束角度確定時，需要根據削邊幾何結構計算探頭折射角和厚側探頭距離，以保證波束覆蓋率。相關試驗表明，這種提前改變了探頭角度但仍按薄側設置PCS的情況下，測得的缺陷自身高度與等厚測量情況基本相同，但因厚側信號傳遞用時較長，缺陷埋深顯示值較實際略大[13]。

5 注意問題

承壓設備TOFD檢測中，應充分了解設備性能和結構，綜合考慮影響檢測質量和效率的關鍵因素，制定相關工藝和措施，從而實現改善產品質量和提升檢測效率的目的。

(1) 盲區覆蓋。相關試驗表明，磁粉檢測能發現埋深3 mm以內的缺陷。因此，掃查面盲區小于等于3 mm區域內的表面及近表面缺陷可用磁粉補充檢測，確保待檢結構焊縫及熱影響區全厚度尺寸的100%檢測。對于一次掃查覆蓋不夠或盲區超過3 mm的情況，可通過優化計算和適當安排多次偏置非平行掃查來實現覆蓋[14]。另外，盡量避免聲能衰減過大的檢測角度，確保檢測的可靠性。

(2) 曲面縱縫檢測時顯示深度與實際深度的區別。在曲面縱縫檢測中，缺陷指示深度一般都不等于實際深度值。檢測面為凸面，其指示深度小于實際深度。檢測面為凹面，指示深度則大于實際深度。在凸面容器表面上掃查時，直通波是按兩探頭入射點連線進行直線傳播的，爬波是沿著弧長晚于直通波被接收，因此會有一個較寬的盲區。 為提高大曲率工件檢測時的探頭耦合效率，建議選用小尺寸晶片探頭。

(3) 不銹鋼和碳鋼在材質方面的差異。通常不銹鋼具有晶粒粗大和晶界面積大等結構特征，超聲信號在其內部的聲衰減非常嚴重。特別是不銹鋼復合板焊接結構，由于存在基層和覆層的異種鋼結合結構特征，其材料性能差異和晶粒狀況對聲信號的影響很大，這嚴重影響檢測靈敏度。研究表明，從覆層側進行掃查的信噪比相比基層側更高，相對而言雜波較少，且可視有效區范圍較大[15]。

(4) 不等厚情況下探頭的選擇。對薄工件檢測而言，其對分辨力的要求高，而對穿透力的要求較低，可選擇小晶片、大角度、尺寸探頭、高頻率。對厚件檢測而言，其對分辨力的依賴相對降低，而對穿透力要求提高。隨工件厚度的增加，選用的探頭頻率可適當減小、聲束折射角適當減小、晶片尺寸可適當增大。

6 結 語

隨著TOFD技術理論和工程實踐的持續創新發展，其在煉油化工領域承壓設備焊縫檢測中的應用越來越廣泛，并逐漸從應用初期中厚平齊對接焊縫檢測，向大厚、超大厚、不等厚及曲率焊縫檢測領域推廣，使得承壓設備主體焊縫檢測的覆蓋面持續擴大和提高。但在技術推廣應用過程中，面對承壓設備制造中的新產品、新技術、新工藝，TOFD檢測仍面臨新問題、新環境、新挑戰。在煉油化工類承壓設備規模化、專業化制造的真實工況下，TOFD技術高質量檢測的關鍵影響因素研究和工藝技術優化是TOFD技術工程實踐中需要正確面對和不斷解決的問題，需要更多的工程技術人員和專家學者持續關注和研究解決。