厚壁不對(duì)稱對(duì)接焊縫超聲衍射時(shí)差法檢測(cè)中的仿真模擬

黃　輝，薛東劍，鄒　納

(寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院， 寧波 315048)

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厚壁不對(duì)稱對(duì)接焊縫超聲衍射時(shí)差法檢測(cè)中的仿真模擬

黃輝，薛東劍，鄒納

(寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院， 寧波 315048)

摘要：以厚壁不對(duì)稱對(duì)接焊縫為對(duì)象，通過(guò)建模和仿真模擬分析厚壁不對(duì)稱對(duì)接焊縫超聲衍射時(shí)差(TOFD)信號(hào)傳播規(guī)律；采用不同角度楔塊和探頭組合進(jìn)行修正，研究了不同探頭組合在不對(duì)稱焊縫中信號(hào)的傳播規(guī)律，驗(yàn)證了超聲衍射時(shí)差檢測(cè)方法在大厚壁不對(duì)稱焊縫中的實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用的可行性，為實(shí)際檢測(cè)工作提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：TOFD方法；厚壁不對(duì)稱；對(duì)接焊縫；仿真

1超聲波衍射時(shí)差檢測(cè)方法

1.1超聲波衍射時(shí)差檢測(cè)方法原理

超聲波衍射時(shí)差(TOFD)檢測(cè)方法是利用缺陷部位的衍射波信號(hào)來(lái)檢測(cè)和測(cè)量缺陷尺寸的一種超聲檢測(cè)方法，通常使用縱波斜探頭，采用一發(fā)一收雙探頭模式進(jìn)行檢測(cè)[1]。從原理上講，TOFD檢測(cè)方法與常規(guī)脈沖回波超聲檢測(cè)技術(shù)相比，有兩個(gè)重要不同點(diǎn)：一是由于缺陷衍射信號(hào)與角度無(wú)關(guān)，檢測(cè)可靠性和精度不受缺陷與入射波角度的影響；二是根據(jù)衍射信號(hào)傳播時(shí)差確定衍射點(diǎn)位置，缺陷的定量定位不依靠信號(hào)振幅。

TOFD檢測(cè)法對(duì)缺陷進(jìn)行定量的精度比常規(guī)超聲要高得多，且具有很高的缺陷檢出率。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)關(guān)于缺陷檢出率的試驗(yàn)評(píng)價(jià)是：手工超聲檢測(cè)：50%～70%；TOFD：70%～90%。由此可見(jiàn)，TOFD檢測(cè)比常規(guī)手工超聲檢測(cè)的缺陷檢出率要高。TOFD檢測(cè)時(shí)，記錄圖像的信息量比超聲A掃描檢測(cè)大得多。與A掃信號(hào)相比，包含豐富信息的TOFD圖像更有利于缺陷的識(shí)別和分析。

1.2TOFD法在厚壁焊縫的應(yīng)用前景

目前我國(guó)承壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)越來(lái)越向大型厚壁方向發(fā)展，大型設(shè)備的焊接接頭很多都是現(xiàn)場(chǎng)組焊。在《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中要求:壓力容器的對(duì)接接頭應(yīng)當(dāng)采用射線檢測(cè)或者超聲檢測(cè)，超聲檢測(cè)包括衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)(TOFD)、可記錄的脈沖反射法超聲檢測(cè)和不可記錄的脈沖反射法超聲檢測(cè)；當(dāng)采用不可記錄的脈沖反射法超聲檢測(cè)時(shí)，應(yīng)采用射線檢測(cè)或者衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)作為附加局部檢測(cè)。

傳統(tǒng)檢測(cè)方法(射線檢測(cè))一方面無(wú)法滿足大厚壁設(shè)備檢測(cè)靈敏度的要求；另一方面現(xiàn)場(chǎng)射線防護(hù)設(shè)施成本較高。另外，使用射線檢測(cè)時(shí),附近其他工藝作業(yè)時(shí)就不得不避讓，從而影響整個(gè)工程進(jìn)度。國(guó)內(nèi)在大厚壁設(shè)備檢測(cè)中有將TOFD替代射線檢測(cè)的趨勢(shì)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于將TOFD技術(shù)應(yīng)用于厚壁焊縫檢測(cè)中的文獻(xiàn)不斷出現(xiàn)，說(shuō)明了其在厚壁焊縫檢測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)。如李衍[2]通過(guò)用TOFD法檢出某化工設(shè)備廠中的大厚壁壓力容器的一些重要缺陷,將TOFD與射線照相和傳統(tǒng)手工超聲檢測(cè)進(jìn)行比較研究，討論了TOFD法在大厚壁壓力容器檢測(cè)各種類型缺陷所具有的優(yōu)缺點(diǎn)； 閻長(zhǎng)周等[3]將TOFD檢測(cè)法應(yīng)用于183 mm厚加氫反應(yīng)器焊縫檢測(cè)中，通過(guò)與射線檢測(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn)TOFD技術(shù)對(duì)裂紋類面狀缺陷十分敏感，檢測(cè)厚度范圍大且檢測(cè)靈敏度不隨厚度增大而大幅降低。因此，對(duì)深厚焊縫而言，TOFD檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)十分明顯。陳建玉等[4]探討了對(duì)于目前國(guó)內(nèi)熱壁加氫反應(yīng)器厚壁焊縫的主要無(wú)損檢測(cè)方法，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于傳統(tǒng)的射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)，TOFD在大厚壁焊縫(200 mm以上)檢測(cè)中具有較好的應(yīng)用前景。

1.3TOFD法在厚壁焊縫檢測(cè)中的不足

TOFD在厚壁容器上的應(yīng)用空間很大，也有很多學(xué)者針對(duì)超聲檢測(cè)在不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的傳播規(guī)律及應(yīng)用方面做過(guò)很多研究工作。張秀梅等[5]通過(guò)理論推導(dǎo)和試驗(yàn)對(duì)不等厚對(duì)接焊縫中缺陷的超聲波定位進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)的公式雖然較為繁瑣，但能區(qū)分一次底波，并能測(cè)出超聲波經(jīng)斜面反射后缺陷的位置，為辨清真?zhèn)稳毕萏峁┝丝煽康囊罁?jù)。

但是，TOFD檢測(cè)法對(duì)大厚度不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的檢測(cè)目前還是一個(gè)空白，當(dāng)超聲波入射到此類焊縫斜面上時(shí)，斜面引起反射角變小，缺陷波提前，一次聲程的位置也隨聲束入射到斜面的位置不同而變化，給缺陷定位帶來(lái)一定難度?，F(xiàn)行的TOFD檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中提到的不對(duì)稱對(duì)接焊縫的TOFD檢測(cè)的相關(guān)規(guī)定也相當(dāng)簡(jiǎn)略，無(wú)法滿足實(shí)際檢測(cè)中的需要。

目前使用的TOFD檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中提到的不對(duì)稱對(duì)接焊縫的TOFD檢測(cè)的相關(guān)規(guī)定還很少，僅有DL/T 330-2010《水電水利工程金屬結(jié)構(gòu)及設(shè)備焊接接頭衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》和JB/T 4730.10-2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》中略有涉及。DL/T 330-2010中規(guī)定：對(duì)兩側(cè)母材厚度不等的焊縫檢測(cè)應(yīng)根據(jù)兩側(cè)母材厚度分別設(shè)置PCS1值(第一通道的PCS值)和PCS2值(第二通道的PCS值)；焊縫寬度較大或焊縫兩側(cè)母材厚度不相等且母材厚度相差8 mm以上時(shí)應(yīng)進(jìn)行偏置非平行掃查；對(duì)兩側(cè)母材厚度不等的焊縫進(jìn)行非平行掃查時(shí)，宜采用單探頭對(duì)進(jìn)行多次掃查。① 單面掃查時(shí)，應(yīng)分別進(jìn)行PCS1對(duì)中掃查、PCS2對(duì)中和偏置掃查。② 雙面掃查時(shí)，應(yīng)分別進(jìn)行PCS1、PCS2對(duì)中掃查。特殊情況下，也可以采用其他合適的掃查方式。JB/T 4730.10-2005中規(guī)定：工件厚度t在12～400 mm范圍內(nèi)(不包括焊縫余高，焊縫兩側(cè)母材厚度不同時(shí)，取薄側(cè)厚度值)。

以上標(biāo)準(zhǔn)對(duì)厚度差大且需要實(shí)施多通道檢測(cè)的情況未做具體說(shuō)明或者要求不夠全面，在實(shí)際檢測(cè)時(shí)很多檢測(cè)方案也回避了在這些特殊情況下的檢測(cè)，給大型關(guān)鍵設(shè)備的定期檢測(cè)帶來(lái)了一定的困難。

1.4TOFD檢測(cè)法在厚壁焊縫檢測(cè)中應(yīng)用的意義

厚壁不對(duì)稱對(duì)接焊縫因結(jié)構(gòu)原因?qū)е耇OFD信號(hào)傳播角度改變，使得一發(fā)一收設(shè)置的探頭組合無(wú)法正常收到信號(hào)，影響了檢測(cè)工作的正常開(kāi)展。目前TOFD檢測(cè)在厚壁容器不對(duì)稱對(duì)接焊縫方面的研究尚屬于空白，而研究不對(duì)稱對(duì)接焊縫的外觀結(jié)構(gòu)對(duì)于TOFD信號(hào)傳播的影響,以及厚壁容器中不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的聲波信號(hào)角度覆蓋問(wèn)題，是未來(lái)該技術(shù)在大型關(guān)鍵承壓設(shè)備上應(yīng)用的一個(gè)重要研究課題，具有重大的意義。

2CIVA建模與仿真

采用CIVA軟件對(duì)厚100 mm平板與中間斜坡角度為17°的80 mm厚平板不對(duì)稱對(duì)接焊縫的TOFD檢測(cè)進(jìn)行仿真模擬(見(jiàn)圖1)，分析該焊接表面盲區(qū)的大小和埋藏缺陷的模擬檢測(cè)能力。

圖1　大厚度不對(duì)稱焊縫焊接件模型

2.1不等厚平板焊縫表面盲區(qū)仿真對(duì)于TOFD檢測(cè)來(lái)說(shuō)，其表面盲區(qū)主要有兩部分：① 聲束覆蓋不夠造成的檢測(cè)盲區(qū)。② 直通波寬度造成的分辨盲區(qū)。為減小表面盲區(qū)，首先應(yīng)保證聲束覆蓋，主要是使用小晶片探頭和大角度楔塊，其次是通過(guò)使用高頻探頭和減小PCS值來(lái)減小直通波盲區(qū)。

2.1.1表面盲區(qū)在深度方向上的仿真

針對(duì)不等厚焊件，使用10 MHz，3 mm直徑探頭，70°縱波楔塊，探頭緊挨焊縫非對(duì)稱放置，沿焊縫中線添加兩個(gè)長(zhǎng)10 mm，高3 mm的裂紋缺陷。其中，缺陷1是表面裂紋，缺陷2深度比右側(cè)表面低2 mm，見(jiàn)圖2(a)。其非平行掃查檢測(cè)仿真得到的B掃圖見(jiàn)圖2(b),圖中只出現(xiàn)了一個(gè)信號(hào)。

圖2　表面盲區(qū)在深度方向上的缺陷仿真和檢測(cè)仿真結(jié)果

圖3　表面盲區(qū)在水平方向上的缺陷仿真和檢測(cè)仿真結(jié)果

2.1.2表面盲區(qū)在水平方向上的仿真

同樣，在中心線上添加一個(gè)高3 mm的裂紋缺陷，該缺陷的上尖端與前面的缺陷2下尖端重合，然后在其左右兩側(cè)各添加一個(gè)同樣的缺陷，見(jiàn)圖3(a);其非平行掃查檢測(cè)仿真得到的B掃圖見(jiàn)圖3 (b),可見(jiàn),除直通波外，圖中出現(xiàn)了3組信號(hào)。

從上面的仿真結(jié)果來(lái)看，如果使用10 MHz，3 mm直徑探頭和70°楔塊進(jìn)行檢測(cè)，在深度方向上，表面盲區(qū)的范圍是右側(cè)平板表面以下5 mm深度的范圍；在水平方向上，從中心線往左，表面盲區(qū)逐漸減小，中心線往右，表面盲區(qū)逐漸增大；另外，對(duì)于同一深度的缺陷，因?yàn)槿毕莺吞筋^的相對(duì)偏置導(dǎo)致表面盲區(qū)所處的水平位置不同，檢測(cè)中測(cè)得的深度就會(huì)不同。

2.2不等厚平板焊縫埋藏缺陷檢測(cè)仿真

2.2.1埋藏缺陷仿真

在上述模擬焊接件的基礎(chǔ)上，為了更好地模擬實(shí)際工件情況，以側(cè)孔中心為焊縫中心，焊縫左右兩側(cè)寬度為30 mm，坡口形式為X型坡口，如圖4所示。

圖4　埋藏缺陷的仿真示意

2.2.2埋藏缺陷檢測(cè)仿真結(jié)果

通過(guò)對(duì)采用不同角度聚焦在工件厚度的2/3處仿真或在任意位置、選擇不同探頭頻率及不同鍥塊角度、PCS中心對(duì)稱或非對(duì)稱設(shè)置、以及在焊縫兩側(cè)設(shè)置不同角度,來(lái)進(jìn)行聲場(chǎng)覆蓋范圍、聲場(chǎng)能量及盲區(qū)大小三個(gè)方面的大量仿真比對(duì)，根據(jù)以上仿真結(jié)果來(lái)選擇以下參數(shù)對(duì)上面的埋藏缺陷進(jìn)行模擬檢測(cè)：

(1) 第一通道工藝參數(shù)選擇5 MHz、70°探頭對(duì)，PCS為91 mm。

(2) 第二通道工藝參數(shù)選擇5 MHz、60°探頭對(duì)，PCS為172 mm或者5 MHz、60°和55°探頭對(duì)。

兩個(gè)通道的缺陷響應(yīng)仿真結(jié)果如圖5所示。從缺陷響應(yīng)仿真結(jié)果可知：

(1) 除了厚側(cè)靠近表面φ2 mm側(cè)孔及上表面刻槽未被發(fā)現(xiàn)外，其他缺陷均較好檢出。

(2) 底面刻槽位置不同，TOFD圖譜中顯示深度也不同，圖5(b)中，從左至右，分別為靠近工件薄側(cè)、工件中心、工件厚側(cè)的刻槽。

圖5　兩個(gè)通道缺陷響應(yīng)仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，由于表面盲區(qū)的存在，埋藏缺陷并未全部檢出。但聲束覆蓋區(qū)域內(nèi)的缺陷均能檢出,且與設(shè)置的水平位置及深度能夠較好的一一對(duì)應(yīng)。說(shuō)明選取的檢測(cè)參數(shù)適合，TOFD法在模擬焊接件中有較好地適應(yīng)性，表面盲區(qū)在實(shí)際檢測(cè)中可以通過(guò)補(bǔ)充檢測(cè)法來(lái)彌補(bǔ)。

3結(jié)語(yǔ)

在采用CIVA軟件數(shù)值模擬來(lái)研究大厚壁不對(duì)稱焊縫中TOFD信號(hào)傳播規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)楔塊和探頭組合同步修正的大量模擬仿真中選取一例模擬焊接件的檢測(cè)仿真,來(lái)對(duì)TOFD檢測(cè)中兩大要點(diǎn),即表面盲區(qū)的大小及埋藏缺陷檢出率進(jìn)行研究,取得了較好的效果，驗(yàn)證了TOFD法在厚壁不對(duì)稱對(duì)接焊縫檢測(cè)的可行性，并為后續(xù)實(shí)際檢測(cè)提供了很好的指導(dǎo)；CIVA軟件數(shù)值模擬局限于單一的焊縫模式，將來(lái)要應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)中，還需進(jìn)行大量研究工作：

(1) 承壓設(shè)備中大厚壁不對(duì)稱對(duì)接焊縫結(jié)構(gòu)的形式及其對(duì)TOFD信號(hào)傳播的影響。

(2) 相應(yīng)大厚壁不對(duì)稱焊縫結(jié)構(gòu)下TOFD的信號(hào)覆蓋及檢測(cè)結(jié)果誤差修正。

(3) 制定大厚壁不對(duì)稱對(duì)接焊縫TOFD檢測(cè)專用工藝規(guī)程等。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭暉, 林樹(shù)青.超聲檢測(cè)[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社, 2008.

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The Simulation of TOFD Testing in Thick Walled Asymmetry Butt Weld

HUANG Hui, XUE Dong-jian, ZOU Na

(Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute, Ningbo 315048, China)

Abstract：Aiming at the thick walled asymmetry weld, this paper analyzed the TOFD signal propagation regularities of thick walled asymmetry weld through modeling and simulation. Combination of different angle wedges and probe revisions was adopted and different probes were used to study the signal propagation regularities in asymmetry weld. The feasibility of using TOFD testing method for asymmetry weld in practical testing application was verified, and it provided guidance in the practical detection.

Key words:TOFD method; Thick wall asymmetry; Butt weld; Simulation

收稿日期：2015-05-28

作者簡(jiǎn)介：黃輝(1984-),男,工程師,主要從事承壓特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)工作。通信作者: 黃輝,E-mail: huanghuidh@163.com。

DOI:10.11973/wsjc201605003

中圖分類號(hào)：TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-6656(2016)05-0010-04