關(guān)衛(wèi)和,閻長周,張保中,齊 杰,陳建玉,谷 杰

(1.合肥通用機(jī)械研究院國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心,合肥 230031;2.蘭州蘭石機(jī)械制造有限責(zé)任公司,蘭州 730050)

2007年6月7日,國家質(zhì)檢總局特種設(shè)備局發(fā)布國質(zhì)檢特函〔2007〕402號文,規(guī)定“對現(xiàn)場制造壁厚60 mm以上的壓力容器,可以采用 TOFD檢測方法替代射線法進(jìn)行無損檢測”。2009年8月31日,《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》正式頒布,規(guī)定“壓力容器的焊接接頭應(yīng)當(dāng)采用射線檢測或者超聲檢測,超聲檢測包括衍射時(shí)差法超聲檢測(TOFD)、可記錄的脈沖反射法超聲檢測和不可記錄的脈沖反射法超聲檢測;當(dāng)使用不可記錄的脈沖反射法超聲檢測,應(yīng)當(dāng)采用射線檢測或者衍射時(shí)差法超聲檢測作為附加局部檢測”。規(guī)程中明確規(guī)定了TOFD檢測技術(shù)與射線檢測技術(shù)相同,均為壓力容器制造過程中可選的焊接接頭的無損檢測方法。

TOFD技術(shù)在我國的發(fā)展是由生產(chǎn)的需求決定的。首先我國壓力容器越來越向大型化方向發(fā)展,受運(yùn)輸條件的限制,許多大型壓力容器制造出來后無法整體運(yùn)輸,必須采用將設(shè)備分段運(yùn)送到用戶現(xiàn)場再組焊的方式生產(chǎn)制造,而現(xiàn)場的射線防護(hù)條件要達(dá)到制造車間的防護(hù)條件成本太高,不符合節(jié)能原則;其次,隨著檢測厚度的增加,使用高能射線和透照時(shí)間的加長,底片不清晰度增大,致使檢測靈敏度下降;再次,常規(guī)超聲檢測缺陷及缺陷尺寸的測量是基于信號的波幅,缺陷的傾斜角度以及形狀等會影響反射信號的波幅,從而影響判斷。厚壁容器焊縫采用窄間隙坡口,這種焊接結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生垂直于表面的坡口未熔合,對于常規(guī)超聲檢測,其波束無法以適當(dāng)?shù)慕嵌鹊竭_(dá)缺陷表面,從而導(dǎo)致漏檢。此外,常規(guī)超聲檢測無法保留缺陷記錄,完全依賴于現(xiàn)場無損檢測人員的經(jīng)驗(yàn)和判斷。

TOFD技術(shù)既能彌補(bǔ)射線檢測的不足,又能保存掃描圖像,已成為現(xiàn)場制造厚壁大型容器無損檢測方法的首選。自2007年402號文發(fā)布以來,據(jù)粗略估算,我國已在數(shù)百臺大型壓力容器制造過程中采用TOFD技術(shù)檢測焊接接頭。

1 TOFD技術(shù)的基本原理

1.1 物理基礎(chǔ)

TOFD技術(shù)即超聲衍射時(shí)差法(Time of Flight Diffraction Technique),是20世紀(jì)70年代由英國哈威爾(Harwell)無損檢測中心首先提出的,最初的目的是更精確地測量缺陷自身高度。按照惠更斯原理,波陣面上的每個(gè)點(diǎn)都可以被看作一個(gè)新的波源,TOFD技術(shù)是依靠超聲波與缺陷端部的相互作用發(fā)出的衍射波來檢出缺陷并對其進(jìn)行定量的,見圖1。這與根據(jù)反射信號檢出缺陷,根據(jù)反射信號幅度評定缺陷尺寸的傳統(tǒng)超聲波檢測方法截然不同。

1.2 TOFD檢測原理

TOFD檢測時(shí)使用一對(目前稱為一個(gè)通道)或多對寬聲束縱波探頭,每對探頭相對焊縫對稱分布,聲束覆蓋檢測區(qū)域,遇到缺陷時(shí)產(chǎn)生反射波和衍射波。如圖2(a)所示,主要超聲波束為：在檢測面上由發(fā)射探頭直接傳播到接收探頭的縱波(直通波或側(cè)向波),焊縫中埋藏缺陷上下端點(diǎn)的衍射波,底面反射回波。圖2(b)為TOFD檢測時(shí)帶相位指示的A型掃描顯示,接收探頭接收到的為射頻波(RF波,即非檢波A掃描信號)。探頭掃查的方向垂直于超聲波束稱為非平行掃查,探頭掃查的方向平行于超聲波束稱為平行掃查,由A掃描檢測數(shù)據(jù)疊加而成的斷面視圖為B掃描顯示(英國標(biāo)準(zhǔn)稱非平行掃查為D掃描),圖3為典型埋藏缺陷的TOFD非平行掃查示意圖和檢測圖像。

圖1 TOFD技術(shù)的基本原理

圖2 TOFD檢測示意圖

1.3 缺陷測量

通過測量衍射波傳播時(shí)間和利用三角方程,可確定出缺陷的尺寸和位置。圖4為缺陷自身高度和埋藏深度測量示意圖。

式中L為超聲波達(dá)到缺陷上端點(diǎn)的聲程;c為聲速;T為超聲衍射波在工件中傳播的時(shí)間;S為探頭中心間距的一半。

以直通波為參考起點(diǎn),若缺陷上端點(diǎn)的衍射波與直通波間的傳播時(shí)間差為t,則可計(jì)算出缺陷深度為：

缺陷下端點(diǎn)與掃查面間的最大距離以d2表示,同理可計(jì)算出缺陷下端點(diǎn)的深度d2。則缺陷的自身高度：

1.4 厚度分區(qū)

對于厚壁容器焊縫,需要使用多對探頭進(jìn)行檢測,即設(shè)定不同的探頭中心間距,以確保對檢測區(qū)域的覆蓋。一般應(yīng)在厚度方向分成若干區(qū)域進(jìn)行檢測,探頭設(shè)置應(yīng)確保聲束在深度方向至少覆蓋相鄰分區(qū)在壁厚方向上深度的25%,避免漏檢缺陷。分區(qū)檢測可以使用多通道一次完成掃查;也可使用單通道,采用不同的探頭設(shè)置進(jìn)行多次掃查。

探頭設(shè)置應(yīng)通過試驗(yàn)優(yōu)化,在系統(tǒng)設(shè)置和校準(zhǔn)時(shí)可采用對比試塊調(diào)整,在對工件的掃查中可通過檢測效果驗(yàn)證。

1.5 試塊與靈敏度設(shè)定

圖5 厚壁容器的分區(qū)檢測

試塊采用人工缺陷試塊或帶自然缺陷的試塊,不同標(biāo)準(zhǔn)有不同的試塊要求。TOFD檢測前應(yīng)設(shè)置檢測通道的靈敏度。靈敏度設(shè)置一般應(yīng)采用對比試塊,進(jìn)行靈敏度設(shè)置前,應(yīng)注意①一般將直通波的波幅設(shè)定到滿屏高的40%～80%。②若因工件表面狀況采用直通波不適合或直通波不可見,可將底面反射波幅設(shè)定為滿屏高以上18～30 dB。③若直通波和底面反射波均不可用,可將材料的晶粒噪聲設(shè)定為滿屏高的5%～10%作為靈敏度。設(shè)置初始靈敏度后,應(yīng)保證對比試塊上的人工缺陷在掃描圖像中均得到清晰的顯示。

2 TOFD技術(shù)的發(fā)展及在我國的應(yīng)用

2.1 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展

自20世紀(jì)70年代英國Harwell無損檢測中心提出TOFD技術(shù)以來,TOFD技術(shù)已有了迅速的發(fā)展。1993年英國首先頒布BS 7706標(biāo)準(zhǔn),提出了用于缺陷檢測、定位和定量超聲衍射時(shí)差法指南,這是第一部用于TOFD檢測的方法標(biāo)準(zhǔn);1996年美國ASME code case 2235提出可用自動超聲檢測(包括TOFD)代替射線檢測,是集方法標(biāo)準(zhǔn)與驗(yàn)收準(zhǔn)則為一體的綜合規(guī)范。其后有歐州標(biāo)準(zhǔn)ENV 583-6：2000《缺陷檢測與測量的超聲衍射時(shí)差法》;歐洲標(biāo)準(zhǔn)CEN/TS 14751：2004《焊接 焊縫檢測用超聲衍射時(shí)差法》;荷蘭標(biāo)準(zhǔn)NEN 1822：2005《衍射時(shí)差法驗(yàn)收準(zhǔn)則》;美國 ASTM E2373—2004《超聲衍射時(shí)差法實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)》;日本標(biāo)準(zhǔn)NDIS 2423—2001《用于缺陷高度測量的超聲衍射時(shí)差法》。

以上標(biāo)準(zhǔn)中,TOFD方法標(biāo)準(zhǔn)居多,與壓力容器有關(guān)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)如ASME規(guī)范案例2235適用于ASME中第Ⅰ卷(動力鍋爐),第Ⅷ卷(壓力容器)第1冊和第2冊,第Ⅻ卷(移動式壓力容器),當(dāng)滿足一定條件時(shí)可以替代射線檢測。ASME規(guī)范案例2235頒布以來已修改9版,目前版本為2235-9。國內(nèi)技術(shù)人員對上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過詳細(xì)研究和對比[1-4]。

在20世紀(jì)80年代的中后期,TOFD已經(jīng)得到廣泛的接受和應(yīng)用,尤其是在海上和陸上油氣工業(yè)中;在20世紀(jì)90年代,作為一種獨(dú)立的檢測方法,TOFD在歐洲和美國得到越來越多的認(rèn)可,主要被用來代替射線檢測。

中國TOFD標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展已有文獻(xiàn)[5]討論。國質(zhì)檢特函〔2007〕402號文規(guī)定,從事 TOFD檢測的無損檢測機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)參照國外成熟標(biāo)準(zhǔn)制訂相應(yīng)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會審核通過后,按照《中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)化法》規(guī)定進(jìn)行備案。自通知發(fā)布以來,迄今已有十余家企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)審核備案。全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化委員會TOFD標(biāo)準(zhǔn)起草組起草了壓力容器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4730.10,數(shù)易其稿,目前已推出報(bào)批稿[5]。

各家企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在方法要求方面大同小異,質(zhì)量分級則各有千秋。以合肥通用機(jī)械研究所壓力容器檢驗(yàn)站2007年制定并審核備案的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GMRI01—2007《承壓設(shè)備超聲波衍射時(shí)差法(TOFD)自動超聲檢測》為例,質(zhì)量分級分為Ⅰ和Ⅱ兩級,考慮了缺陷自身高度、埋藏深度和長度。表面缺陷(開口或距檢測面很近,磁粉檢測可以檢測的缺陷)長度的質(zhì)量級別主要按照J(rèn)B/T4730—2005表面檢測部分的要求確定。內(nèi)部和一般的近表面缺陷指示長度的質(zhì)量級別主要參照J(rèn)B/T4730—2005射線檢測部分的要求確定,從與常規(guī)超聲檢測和射線檢測的一致性進(jìn)行綜合考慮,標(biāo)準(zhǔn)對不同厚度的焊接接頭規(guī)定了相應(yīng)不同的允許長度,TOFD驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅱ級基本與射線驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅲ級對應(yīng)。

2.2 國內(nèi)TOFD技術(shù)的應(yīng)用

21世紀(jì)初,我國開始了TOFD技術(shù)的研究和應(yīng)用。2004年第一重型機(jī)械集團(tuán)有限責(zé)任公司起草了TOFD企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并通過全國容器標(biāo)準(zhǔn)化委員會的審查和備案,2005年一重將TOFD技術(shù)用于神華340mm厚煤液化加氫反應(yīng)器;合肥通用機(jī)械研究院、中國特檢院等單位都開展了TOFD理論和技術(shù)的研究及應(yīng)用工作;中國特種設(shè)備檢驗(yàn)協(xié)會無損檢測考委會組織了特種設(shè)備TOFDⅡ級人員培訓(xùn)班,開始了人員培訓(xùn)和資格取證工作;鍋容標(biāo)委開始組織專家評審備案企業(yè)TOFD標(biāo)準(zhǔn)?？梢哉f,自2007年質(zhì)檢總局特設(shè)局發(fā)布402號文開始,在中國特種設(shè)備行業(yè)開始了TOFD技術(shù)研究和應(yīng)用的高潮。

合肥通用機(jī)械研究院是國內(nèi)較早開始研究TOFD技術(shù)的單位之一,2005年承擔(dān)了中石化“大型厚壁容器超聲 TOFD技術(shù)研究”課題,制作了模擬試塊和對比試塊,對在用容器和在制容器進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。通過與射線檢測和脈沖回波超聲檢測以及解剖試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。2007年7月10日,國家質(zhì)檢總局特設(shè)局以(2007)質(zhì)檢特便字第3055號函同意合肥通用機(jī)械研究所壓力容器檢驗(yàn)站采用 TOFD技術(shù)代替射線進(jìn)行加氫反應(yīng)器現(xiàn)場組焊焊縫的檢測,與蘭州蘭石機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司合作。項(xiàng)目組技術(shù)人員在蘭石駐廠三個(gè)多月,對所有制造的厚壁容器焊縫進(jìn)行TOFD檢測,并與射線、脈沖回波超聲以及解剖結(jié)果進(jìn)行對比,積累了經(jīng)驗(yàn),于2008年初,成功地完成了蘭石為中石化洛陽分公司制造的國內(nèi)最大板焊結(jié)構(gòu)加氫反應(yīng)器(壁厚183mm)現(xiàn)場組焊焊縫TOFD代替射線檢測的工作[6-7]。此后,合肥通用機(jī)械研究所壓力容器檢驗(yàn)站對獨(dú)山子現(xiàn)場組焊壓力容器采用TOFD檢測和手動超聲代替射線檢測,對神華大型超限設(shè)備等現(xiàn)場組焊焊縫采用TOFD代替射線檢測。到目前為止,合肥通用院已采用TOFD技術(shù)進(jìn)行代替射線檢測的新制容器有：板焊加氫反應(yīng)器,規(guī)格 φ4000mm×183mm;氣化爐,規(guī)格φ4420mm×60mm;高溫高壓飛灰器,規(guī)格φ7000mm×105mm+4mm/108mm+4mm/90mm+4mm/75mm+4mm/70mm+4mm;球形儲罐(3000m3和2000m3液化氣球罐、2500m3丙烯球罐、2000m3丙烯球罐、1000m3乙烯球罐、3000m3聚丙烯原料罐、2000m3輕烴球罐以及650m3DAM產(chǎn)品球罐);大型塔器和換熱器等40余臺大型設(shè)備[6-8]。一重、二重和中國特檢院等十余家無損檢測機(jī)構(gòu)也在近幾年進(jìn)行了大量 TOFD技術(shù)的應(yīng)用,粗略統(tǒng)計(jì),我國已在數(shù)百臺大型壓力容器制造過程中采用TOFD技術(shù)代替射線檢測。

2.3 檢測實(shí)例

圖6為一容器縱焊縫TOFD檢測圖像,該容器材質(zhì)為SA516Gr.65(HIC),規(guī)格 φ3400mm×164mm,TOFD測量缺陷深度 40.2mm,長度10mm,自身高度5.2mm;射線底片(加速器拍攝)上為直徑10mm的圓形缺陷;返修時(shí)可以看到直徑約為6mm氣孔。

圖6 氣孔TOFD檢測圖像

圖7為16MnR22mm厚試板 TOFD檢測圖像,TOFD測量缺陷深度9.8mm,長度12mm,自身高度2.6mm;射線底片上為長度10mm的條形缺陷。解剖證實(shí)為長度10mm,自身高度為2～3mm的條渣。

圖8(a)為182 mm厚容器焊縫上第4厚度分區(qū)非平行掃查TOFD檢測圖像,在深度165 mm處有一缺陷,缺陷長度很小而衍射波明顯;圖8(b)為同一條缺陷,當(dāng)垂直于焊縫掃查時(shí),發(fā)現(xiàn)該缺陷長度有40 mm,也就是說,這是一條橫向缺陷(裂紋),在射線底片上并未發(fā)現(xiàn)該缺陷,主要原因是筒體厚度較大,加速器拍出的底片靈敏度較低。

從圖9中可以看到3處缺陷,TOFD檢測和常規(guī)超聲檢測均能發(fā)現(xiàn)。但該部位兩次X射線檢測均為Ⅰ級片,返修時(shí)確認(rèn)為裂紋。3處裂紋長度分別為83,97和37 mm。

圖9 裂紋缺陷

圖10為164 mm厚容器環(huán)焊縫的TOFD圖像,缺陷深度約在30～40 mm,非常清晰;但射線底片(加速器拍攝)上未見有缺陷。經(jīng)解剖證實(shí)為密集小橫裂,長度3～10 mm,自身高度 5 mm左右。

圖10 密集裂紋經(jīng)解剖驗(yàn)證

3 討論與展望

TOFD檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)顯而易見：一對探頭具有寬的覆蓋范圍,可以不依賴于幅度進(jìn)行精確的缺陷自身高度測定,可以進(jìn)行快速掃查,與脈沖反射法相比,對缺陷方向依賴性不大,對各種缺陷的檢測靈敏度都比較高,可以保存缺陷圖像等。但是,必須清醒地認(rèn)識到,TOFD檢測技術(shù)有其固有的缺點(diǎn),例如,由于側(cè)向波和底部回波的存在,在TOFD掃查的上下表面附近存在盲區(qū),需要輔助其它檢測手段;難以解釋缺陷性質(zhì),夸大了一些危險(xiǎn)性不大的如氣孔等缺陷;實(shí)際檢測中缺陷長度方向誤差較大;對橫向裂紋可能造成漏檢等。

由于TOFD衍射波檢測技術(shù)和射線檢測的本質(zhì)差異,其檢測結(jié)果有可能存在不一致,導(dǎo)致一些不必要的誤會。出于對設(shè)計(jì)、監(jiān)督監(jiān)理監(jiān)造、業(yè)主易于認(rèn)可的角度考慮,目前對制造安裝的承壓設(shè)備質(zhì)量控制檢測來說,TOFD衍射波檢測技術(shù)的檢測范圍最好為厚壁容器,以便揚(yáng)長避短,充分發(fā)揮 TOFD檢測技術(shù)的長處,提高安全性。特別是對于射線檢測很容易進(jìn)行的薄壁容器,優(yōu)先選用射線檢測。

TOFD檢測技術(shù)應(yīng)該與表面檢測技術(shù)(如電磁檢測)結(jié)合使用,避免漏檢表面或近表面缺陷。對于特定設(shè)備和缺陷,還要采用非平行、平行和橫向等組合掃查技術(shù),配合脈沖回波超聲技術(shù),確保檢出垂直于焊縫橫向缺陷。

隨著我國經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展,百萬噸乙烯、千萬噸煉油、百萬千瓦核電站、煤液化工程、煤化工工程等大型工程建設(shè)項(xiàng)目大批興起,大直徑厚壁壓力容器日益增多。對厚度超過100 mm的壓力容器焊縫的射線照相已成為約束壓力容器制造的瓶頸,尤其是現(xiàn)場組焊的厚度超過200 mm的壓力容器焊縫,實(shí)施射線照相是非常困難的。因此TOFD技術(shù)的應(yīng)用對國內(nèi)大型壓力容器的制造發(fā)展具有重要意義 ,且具有必要性和緊迫性。TOFD檢測方法特別適合于大型承壓設(shè)備的制造和安裝,能夠大大降低生產(chǎn)成本,提高我國產(chǎn)品制造業(yè)的競爭能力。

我國無損檢測工作者正深入研究和應(yīng)用TOFD技術(shù),政府管理機(jī)構(gòu)推廣力度進(jìn)一步加大,無損檢測人員培訓(xùn)工作不斷加強(qiáng),儀器生產(chǎn)廠家持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)TOFD設(shè)備,隨著特種設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的加快,TOFD技術(shù)在我國壓力容器行業(yè)必將得到更廣泛的應(yīng)用。

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