淺談TOFD技術(shù)在承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用前景

摘要：承壓設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位，是各工業(yè)行業(yè)都能涉及到的通用型產(chǎn)品，故其國(guó)際地位在一定程度上可以反映國(guó)家的綜合實(shí)力。設(shè)備的可靠性檢驗(yàn)很重要。目前多為常規(guī)射線檢測(cè)，在經(jīng)濟(jì)成本及技術(shù)條件有一定局限性，現(xiàn)引進(jìn)TOFD技術(shù)。文章主要介紹了TOFD技術(shù)的由來(lái)、原理、優(yōu)缺點(diǎn)，相對(duì)常規(guī)射線檢測(cè)超聲檢測(cè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及在承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：承壓設(shè)備；無(wú)損檢測(cè)；可靠性檢驗(yàn)；TOFD；焊接缺陷

中圖分類號(hào)：TG115

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-2374(2009)17－0055－02

承壓設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著重要地位，是各工業(yè)行業(yè)都能涉及到的通用性產(chǎn)品。承壓設(shè)備在受壓狀態(tài)工作，所處理的介質(zhì)也多為高溫或易燃易爆，一旦發(fā)生事故，會(huì)對(duì)人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成不可估量的損失，所以世界各國(guó)都把承壓設(shè)備作為特種設(shè)備予以強(qiáng)制性管理。因類型各有不同，功能也隨應(yīng)用場(chǎng)合而變化，其整個(gè)建造過(guò)程涉及冶金、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械加工、焊接、熱處理、無(wú)損檢測(cè)等多種專業(yè)技術(shù)門類。因此，承壓設(shè)備行業(yè)的國(guó)際地位在一定程度上反映了國(guó)家的綜合實(shí)力。

承壓設(shè)備檢驗(yàn)規(guī)程中，對(duì)一般和有特殊要求的承壓設(shè)備進(jìn)行安全等級(jí)評(píng)定時(shí)，需要考慮缺陷性質(zhì)、形狀、取向、尺寸，對(duì)缺陷自身高度的測(cè)定提出了明確要求。針對(duì)焊接內(nèi)部質(zhì)量，從常規(guī)檢測(cè)方法主要為射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)。超聲脈沖反射檢測(cè)法適用于厚度8mm以上的承壓設(shè)備殼體或大口徑接管與殼體的對(duì)接焊縫內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。通常采用A型脈沖反射式超聲波探傷儀和2.5或5MHz頻率的探頭檢測(cè)。射線檢測(cè)方法適用于承壓設(shè)備殼體或接管對(duì)接焊縫內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，使用的射線探傷設(shè)備包括x射線機(jī)、γ射線源和電子直線加速器。一般<450kV的x射線機(jī)適于理論檢測(cè)的鋼最大厚度為90mm，γ源最大檢測(cè)鋼厚度為200mm；4～9MeV直線加速器適于檢測(cè)的最大鋼厚度為200～400mm。另外，射線檢測(cè)也常用于在用壓力容器檢驗(yàn)中對(duì)超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷的復(fù)驗(yàn)，以進(jìn)一步確定這些缺陷的性質(zhì)，為缺陷返修提供依據(jù)。但超聲脈沖反射法和射線檢測(cè)對(duì)焊縫內(nèi)部缺陷高度均無(wú)法確定。

目前，重要承壓設(shè)備通常要求采用射線檢測(cè)焊縫內(nèi)部缺陷。射線方法需要拍片，不僅提高了經(jīng)濟(jì)成本，延長(zhǎng)了檢測(cè)周期，而且增加了環(huán)境污染物排放，更重要的是，射線方法具有電離輻射危險(xiǎn)，可造成對(duì)人體和環(huán)境危害。射線檢測(cè)的檢測(cè)厚度受設(shè)備能力限制，對(duì)缺陷檢出率有方向性限制。就焊縫缺陷測(cè)高方法而言，TOFD是當(dāng)前超聲波檢測(cè)領(lǐng)域的前沿技術(shù)之一，較傳統(tǒng)的方法測(cè)試精確得多。TOFD方法具有無(wú)污染、速度快、靈敏度高、定位精確高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

一、TOFD的由來(lái)

TOFD全稱Time ofFlightDiffraction，即超聲衍射時(shí)差技術(shù)：它是在1977年，由Silk根據(jù)超聲波衍射現(xiàn)象提出來(lái)，由于它在探傷過(guò)程中具有相當(dāng)高的一次掃查檢出率，且具有小于1mm的定位精度，成為國(guó)際間所公認(rèn)的超聲新技術(shù)。此技術(shù)首先是應(yīng)用于核工業(yè)設(shè)備在役檢驗(yàn)，現(xiàn)在在核電、建筑、冶金、化工、石化、長(zhǎng)輸管道等工業(yè)的承壓設(shè)備方面多有應(yīng)用。

二、TOFD的技術(shù)特點(diǎn)及原理

TOFD技術(shù)作為一種較新的超聲波檢測(cè)技術(shù)，不同于以往的超聲脈沖反射法和聲波穿透法等技術(shù)，它利用的是在固體中聲速最快的縱波在缺陷端角和端點(diǎn)產(chǎn)生的衍射來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。在焊縫兩側(cè)，將一對(duì)頻率、尺寸和角度相同的縱波斜探頭相向?qū)ΨQ放置，一個(gè)作為發(fā)射探頭，另一個(gè)為接受探頭。發(fā)射探頭發(fā)射的縱波從側(cè)面入射被檢焊縫斷面。部分波束沿近表面?zhèn)鞑ケ唤邮芴筋^接受，部分波束經(jīng)底面反射后被接受探頭接受，通過(guò)各個(gè)聲波信號(hào)之間到達(dá)的時(shí)間差并形成特殊的TOFD圖象，顯示缺陷位置、高度、形狀等信息。特點(diǎn)是成像直觀，檢測(cè)速度快，能全程記錄檢測(cè)過(guò)程并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放。在無(wú)缺陷部位，接收探頭會(huì)接收到沿試件表面?zhèn)鞑サ膫?cè)向波和底面反射波。而有缺陷存在時(shí)，在上述兩波之間，接收探頭會(huì)接收到缺陷上端部和下端部的衍射波。

FOFD技術(shù)作為超聲檢測(cè)是可行的，其可靠性和精度要高于常規(guī)超聲脈沖反射檢測(cè)技術(shù)。相比常規(guī)的脈沖反射技術(shù)，當(dāng)時(shí)的TOFD技術(shù)有幾個(gè)最明顯的不同，一是很高的定量精度，絕對(duì)誤差<±1mm，而裂紋監(jiān)測(cè)的誤差<±0.3mm；二是對(duì)缺陷的方向和角度不敏感；三是對(duì)缺陷的定量不是基于信號(hào)的波幅，而是基于缺陷尖端衍射信號(hào)的聲程和時(shí)間。

三、TOFD的優(yōu)缺點(diǎn)

(一)TOFD的優(yōu)點(diǎn)

TOFD技術(shù)缺陷檢出能力強(qiáng)，缺陷定位精度高，節(jié)省設(shè)備的制造時(shí)間，安全，檢測(cè)數(shù)據(jù)可以用數(shù)字形式永久保存。

1TOFD在缺陷檢測(cè)方面，與缺陷的方向無(wú)關(guān)。

2TOFD可以檢測(cè)出與檢測(cè)表面不相垂直的缺陷和裂紋。

3可以精確的確定缺陷的高度。

4在安全上，TOFD不需要—個(gè)安全的獨(dú)立的操作空間，因此可以在不中斷工藝生產(chǎn)的情況下進(jìn)行檢測(cè)，節(jié)約設(shè)備制造時(shí)間。

5可以在線得到檢測(cè)結(jié)果，并且可以將結(jié)果用數(shù)字信號(hào)型式永久保存在光盤中，以便于以后在役檢驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。

6可以在線應(yīng)用相關(guān)的工程評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)定，僅將按標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定的缺陷進(jìn)行挖補(bǔ)修復(fù)，避免了無(wú)用的破壞焊縫整體性的修補(bǔ)現(xiàn)象。

7因?yàn)闄z測(cè)速度快，對(duì)于板厚超過(guò)25mm的材料，經(jīng)濟(jì)成本比射線檢測(cè)少得多。

8可以在200℃以上的表面進(jìn)行檢測(cè)。

9TOFD檢測(cè)系統(tǒng)易于搬運(yùn)，可以在方便的任何地方進(jìn)行檢測(cè)。

10檢測(cè)率高于常規(guī)的超聲脈沖反射檢測(cè)。

(二)TOFD的缺點(diǎn)

1焊縫的兩邊必須有能夠安放用于TOFD檢測(cè)的發(fā)射和接收探頭的位置。

2在檢測(cè)表面下，存在一個(gè)檢測(cè)不到的死區(qū)；根據(jù)技術(shù)條件不同，此死區(qū)在2～10mm不等。

3檢測(cè)人員必須經(jīng)過(guò)專門的訓(xùn)練，并積累相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)。

4標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題尚未正式解決。

(三)TOFD的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的常規(guī)檢測(cè)相比，TOFD具有以下的優(yōu)勢(shì)：

1檢測(cè)速度快，檢測(cè)周期短，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)只需對(duì)環(huán)焊縫進(jìn)行一次簡(jiǎn)單的線性掃查而無(wú)需來(lái)回移動(dòng)即可完成全焊縫的檢測(cè)。

2能正確的缺陷定性，精確任何朝向的缺陷定量。

3缺陷定位準(zhǔn)確，檢測(cè)靈敏度高。

4檢測(cè)結(jié)果直觀，在掃查的同時(shí)可對(duì)焊縫進(jìn)行分析、評(píng)判；可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的永久性保存。

5可檢測(cè)射線無(wú)法穿透的壁厚。對(duì)管道環(huán)焊縫、球罐、儲(chǔ)罐等對(duì)接焊縫的檢測(cè)，效率高、效果好。

6作業(yè)強(qiáng)度小，環(huán)保，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。

四、TOFD在承壓設(shè)備檢測(cè)中的前景

目前，自動(dòng)焊和手工焊均被應(yīng)用于承壓設(shè)備的環(huán)焊縫焊接中。射線的判廢標(biāo)準(zhǔn)是建立在工藝上的。它對(duì)焊縫中任何不完

備性的嚴(yán)重性進(jìn)行的評(píng)估都十分保守。然而，因?yàn)樯渚€檢測(cè)無(wú)法判斷缺陷的垂直延伸量，所以保守的處理是十分必要的。X射線對(duì)與射線角度不佳的平面缺陷不易檢出(如未熔合、裂紋等)。

在大多數(shù)缺陷中，手工焊與自動(dòng)焊沒(méi)有太大的差異。自動(dòng)焊中最主要的缺陷是側(cè)壁的未熔合。在手工焊中也可能出現(xiàn)未熔合，但體積性缺陷更為常見(jiàn)，如夾渣、空心焊道和氣孔等。中心線裂紋與自動(dòng)焊有一點(diǎn)關(guān)系，然而，焊道下裂紋和根部裂紋在手工焊中更可能發(fā)生。無(wú)論哪種方法，分辨真實(shí)缺陷和幾何能力的反射都是至關(guān)重要的。

目前，在TOFD標(biāo)準(zhǔn)方面，可供借鑒的方法標(biāo)準(zhǔn)除英BS7706、歐ENV 583-6、CEN／TSl4751、美ASTM E2373、日NDIS2423外，還有2007年7月發(fā)布的ASME第V卷第四章《焊縫超聲檢測(cè)》強(qiáng)制性附錄Ⅲ(TOFD操作要領(lǐng))和非強(qiáng)制性附錄N(TOFD圖像識(shí)別)。但涉及TOFD檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的僅兩個(gè)：歐NENl822和美ASME規(guī)范案例2235-9。美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可用TOFD法取代射線方法檢測(cè)鋼焊縫缺陷。TOFD目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，出口產(chǎn)品是按ASME標(biāo)準(zhǔn)的要求來(lái)做的。國(guó)內(nèi)只能是請(qǐng)專家作技術(shù)鑒定后報(bào)相關(guān)機(jī)構(gòu)備案的一事一議的做法。TOFD檢測(cè)技術(shù)靈敏度高，可靠性好，檢測(cè)速度快，無(wú)污染，結(jié)果可記錄保存。但是該技術(shù)有檢測(cè)盲區(qū)，對(duì)橫向裂紋不敏感，檢出率較低，且成本相對(duì)較高?，F(xiàn)還不能完全代替射線檢測(cè)。國(guó)質(zhì)檢特函[2007]402號(hào)《關(guān)于進(jìn)一步完善鍋爐壓力容器壓力管道安全監(jiān)察工作的通知》第六條明確規(guī)定：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)制造壁厚度60ram以上的壓力容器，可以采用TOFD檢測(cè)方法替代射線法進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

TOFD是焊縫超聲檢測(cè)和缺陷定量很有發(fā)展前景的一種新技術(shù)，有爭(zhēng)議的常規(guī)射線檢測(cè)技術(shù)雖然一度在承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)中占主導(dǎo)地位，但展望未來(lái)，TOFD和超聲脈沖反射法相結(jié)合必將在承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)中最終取代常規(guī)射線檢測(cè)，而成為一種新型可靠的檢測(cè)技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)之第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)草案(JB／T4730，10)[s]

[2]李衍，超聲TOFD法與射線照相法對(duì)缺陷檢出能力的比較

作者簡(jiǎn)介：劉宏宇(1973-)，男，河北唐山人，中冶京唐建設(shè)有限公司管鐵分公司工程師，研究方向：工程管理。