TOFD檢測(cè)技術(shù)在液化氣球罐定期檢驗(yàn)中的應(yīng)用

王 瑛 陳 娟（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 450016）

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TOFD檢測(cè)技術(shù)在液化氣球罐定期檢驗(yàn)中的應(yīng)用

王 瑛 陳 娟
（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 450016）

摘 要：球罐是壓力容器的一種，廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)。本文首先分析了TOFD檢測(cè)技術(shù)，并以相關(guān)案例為依據(jù)，分析了TOFD檢測(cè)技術(shù)在液化氣球罐定期檢驗(yàn)中的應(yīng)用效果方法，然后對(duì)其使用方法、工藝參數(shù)、掃查面以及盲區(qū)等部位進(jìn)行了討論，最后分析了有效縮小掃描盲區(qū)的對(duì)策。

關(guān)鍵詞：TOFD檢測(cè)技術(shù)；液化氣球罐；定期檢驗(yàn)

球罐是一種用于存儲(chǔ)化學(xué)物質(zhì)的壓力容器，且實(shí)際生產(chǎn)中約有近一半的球罐是用來(lái)存儲(chǔ)、運(yùn)輸液化石油氣。液化石油氣與水或硫化物相遇時(shí)，容易受到其影響并產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，出現(xiàn)火災(zāi)、爆炸等安全事故。因此，液化氣球罐的定期檢測(cè)在安全管理中具有重要的影響。TOFD檢測(cè)是一種新型檢測(cè)方式，該技術(shù)在《衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》發(fā)布后，得到了石油化工行業(yè)的廣泛應(yīng)用。本文主要以選取1000m3液化氣球罐為例進(jìn)行分析，觀察對(duì)TOFD檢測(cè)技術(shù)在液化氣球罐定期檢驗(yàn)中的應(yīng)用效果，具體如下。

一、TOFD檢測(cè)原理

TOFD檢測(cè)主要是應(yīng)用了對(duì)被測(cè)工件發(fā)生超聲波時(shí)，除了反射信號(hào)外，工件缺損部位同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種衍射信號(hào)的原理。該檢測(cè)技術(shù)除了能夠進(jìn)行缺損檢測(cè)外，同時(shí)還能夠檢測(cè)到缺損的深度以及位置，具有無(wú)損檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，常使用縱波斜探頭進(jìn)行一發(fā)一收檢測(cè)模式，并將其對(duì)稱放置于球罐焊縫兩側(cè)，在無(wú)明顯缺損部位，發(fā)射超聲脈沖波。當(dāng)球罐有缺損存在時(shí)，除了直通波以及地面反射波之外，缺損處同時(shí)會(huì)產(chǎn)生的衍射波，其工作原理如圖1所示。

1 檢測(cè)區(qū)域

TOPD檢測(cè)技術(shù)主要覆蓋了被檢測(cè)工件的高度和寬度，高度就是指球罐厚度，寬度則為焊縫寬度加上兩側(cè)直徑約12.5mm范圍。

2 選擇和設(shè)置探頭

參考相關(guān)文獻(xiàn)［3］可知球罐厚度為35mm，并根據(jù)文獻(xiàn)［4］指出，探頭頻率為4.5MHz、聲束角度為63°、晶片直徑為4mm是比較理想的探頭參數(shù)。

3 調(diào)節(jié)探頭中心距

可以將探頭中心距設(shè)置于探頭與超聲波交合點(diǎn)以下2/3高度處，為符合標(biāo)準(zhǔn)的中心距。

4 設(shè)置A掃描時(shí)間窗口

將時(shí)間窗口起始位置參數(shù)設(shè)定為直通波接收探頭信號(hào)0.5us以上，而終止位置參數(shù)可設(shè)置為超聲波發(fā)射后直到底面反射波形成后0.5us以上。檢測(cè)儀器屏幕能夠?qū)⒅蓖úā⒌孛娣瓷洳ㄒ约白冃尾@示出來(lái)。

5 深度校準(zhǔn)

測(cè)量?jī)x器通過超聲波的發(fā)射以及反射能夠?qū)崟r(shí)觀察到，因此可將時(shí)間間隔所呈現(xiàn)的厚度參數(shù)設(shè)置為球罐厚度，并且能夠通過直通波與反射波形成的時(shí)間差進(jìn)行校驗(yàn)工作。

6 設(shè)置靈敏度

靈敏度需要通過測(cè)量?jī)x器中的對(duì)比試塊進(jìn)行調(diào)節(jié)?？梢允褂脺y(cè)量設(shè)備中的對(duì)比試塊進(jìn)行靈敏度的調(diào)節(jié)，在此之前，需要將衍射信號(hào)波幅接收信號(hào)調(diào)低；此外，還需要在被測(cè)工件的表面進(jìn)行耦合補(bǔ)償。若被檢工件厚度＜50mm時(shí)，僅需要通過單檢測(cè)通道，即可直接進(jìn)行靈敏度的設(shè)置。通常情況下直通波的波幅設(shè)定為滿屏高的40%～80%。

二、TOFD檢測(cè)工藝

TOFD檢測(cè)工藝是利用被檢工件內(nèi)部缺損的端角以及端點(diǎn)處發(fā)出的衍射波進(jìn)行缺損檢測(cè)的一種方法，該項(xiàng)檢測(cè)工藝已經(jīng)得到ASTM E2373-04、ASME ⅧCode 2235等檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)同。TOFD檢測(cè)對(duì)于判斷缺損的真實(shí)存在性以及定位方面具有較好的應(yīng)用效果，在檢查核電、建筑、石油化工以及長(zhǎng)輸管道設(shè)備的缺損中具有較好的應(yīng)用效果。TOFD檢測(cè)技術(shù)能夠有效地避免壁厚較大工件的缺損檢測(cè)問題，并且呈現(xiàn)較好的發(fā)展性以及可能性。TOFD主要是通過發(fā)生超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，當(dāng)超聲波遇到開裂、小孔等問題時(shí)，會(huì)在缺損部位的尖端生成衍射波，應(yīng)用探頭能夠獲取不同位置以及聲頻的衍射波，從而分析出缺損所在的高度以及深度。由于橫波聲速低于縱波聲速，因此，屏幕中的反射橫波會(huì)慢于反射縱波，從而能夠避免橫波對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾作用。因此，可以說TOFD檢測(cè)技術(shù)主要是利用縱波來(lái)完成檢測(cè)缺損工作的。

圖1 TOFD檢測(cè)原理

TOFD檢測(cè)工藝具有較多的優(yōu)勢(shì)，例如缺損檢出率高、定位準(zhǔn)確、檢測(cè)周期斷、檢測(cè)效率高、安全環(huán)保、檢測(cè)數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行繪圖處理、檢測(cè)結(jié)果具有較高的科學(xué)性并且儲(chǔ)存方便。與常規(guī)脈沖回波超聲檢測(cè)技術(shù)相比，TOFD檢測(cè)不會(huì)被缺損的方向影響，并且不會(huì)以缺損反射波幅的高低作為判定缺損大小的依據(jù)，這與常規(guī)超聲檢測(cè)中的比較大小法有一定的差異。TOPD檢測(cè)工藝能夠使測(cè)量數(shù)據(jù)數(shù)字化，便于數(shù)字化結(jié)果的儲(chǔ)存、運(yùn)輸、成像等工作，具有高度的可變性以及現(xiàn)實(shí)性，能夠減少或降低重復(fù)檢測(cè)的問題，進(jìn)而避免浪費(fèi)資源，有效提高TOPD檢測(cè)工藝在定期檢查中的實(shí)用性。

三、實(shí)施檢測(cè)掃查

在進(jìn)行檢測(cè)掃查時(shí)，需要將被測(cè)球罐表面的油漆去除并打磨光滑，采取科學(xué)、有效以及便于操作的媒介當(dāng)作TOFD檢測(cè)中的超聲耦合劑。在進(jìn)行TOFD檢測(cè)時(shí)，探頭所對(duì)中心線要與焊縫中心線保持重合狀態(tài)，并且要采取非平行掃查方式進(jìn)行檢測(cè)。如果在檢測(cè)完畢后想對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行更進(jìn)一步的檢測(cè)時(shí)，筆者以多年的工作經(jīng)驗(yàn)建議對(duì)被測(cè)工件聯(lián)合應(yīng)用偏置非平行掃查、平行掃查或常規(guī)超聲檢測(cè)法等檢測(cè)方法。檢測(cè)過程中的掃查速度要保持勻速，否則容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失或延誤的現(xiàn)象。若需要采取焊縫長(zhǎng)度分段法進(jìn)行檢測(cè)，分段直徑應(yīng)≤20mm。在檢測(cè)球罐的環(huán)焊縫時(shí)，掃查停止位置要超過初始位置的20%。在球罐檢驗(yàn)中，其T型焊接接頭是重要檢測(cè)環(huán)節(jié)，該部位是球罐最容易產(chǎn)生裂縫的部位，因此，需要進(jìn)行多次排檢。

四、數(shù)據(jù)分析

當(dāng)所有檢查結(jié)束之后，可以應(yīng)用現(xiàn)代信息化技術(shù)對(duì)TOFD檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行繪圖處理，并通過圖像資料進(jìn)行觀察與分析。若檢測(cè)數(shù)據(jù)丟失量超過檢測(cè)量的5%，則為不合格的檢測(cè)結(jié)果，且相鄰數(shù)據(jù)連續(xù)丟失也會(huì)被判斷為不合格檢測(cè)結(jié)果。在掃查過程中，需要保證被檢工件被檢測(cè)儀器完全掃查到，若檢測(cè)區(qū)域小于被測(cè)工件區(qū)域，需要重新檢測(cè)。

五、表面盲區(qū)的分析和補(bǔ)充檢

掃查面以及軸偏離底面存在盲區(qū)，這是TOFD檢測(cè)技術(shù)中的主要缺陷。

（1）掃查面盲區(qū)形成的原因是：直通波具有一定的寬度，而反射的缺陷信號(hào)被掩蓋在直通波的信號(hào)中，導(dǎo)致儀器無(wú)法對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行有效辨識(shí)。該區(qū)域的計(jì)算公式為：

其中，t0為衍射信號(hào)的反饋時(shí)間；c為縱波的速率；s為探頭中心距。

由于焊縫表面凹凸不平，若焊縫表面有開裂、裂縫等現(xiàn)象存在，TOFD檢測(cè)也很難發(fā)現(xiàn)。軸偏離地面盲區(qū)：在使用TOFD檢測(cè)技術(shù)的過程中，缺陷處衍射的信號(hào)在相同位置所留下軌跡為橢圓形。當(dāng)衍射的缺陷信號(hào)出現(xiàn)在衍射信號(hào)軌跡以下的地方時(shí)，則該信號(hào)無(wú)法被檢測(cè)儀器有效接收，因此，該缺陷部位也就無(wú)法被檢測(cè)到。通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，應(yīng)用磁粉檢測(cè)方式對(duì)T50型試塊進(jìn)行檢測(cè)，將試塊比較粗糙的背面作為檢測(cè)面，磁粉檢測(cè)結(jié)果為：4個(gè)Φ3橫通孔，檢測(cè)率為100%，并且對(duì)底面刻槽也具有一定的敏感度。使用TOFD檢測(cè)技術(shù)為對(duì)比，發(fā)現(xiàn)對(duì)于Φ3橫通孔的敏感度較低，只能檢出距表面2mm深地面人工刻槽以及距底面深4mmΦ3橫通孔，而2個(gè)深度2mm表面刻槽以及距掃查面深4mm的Φ3橫通孔沒有被檢測(cè)出。

結(jié)論

液化氣球罐具有高壓、有毒等特點(diǎn)，在長(zhǎng)期使用過程中，球館內(nèi)壁與液化氣中的化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，容易出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，因此，定期檢查對(duì)于液化氣球罐安全管理具有重要的作用。TOFD檢查是一種無(wú)損檢測(cè)方式，但是其主要存在兩個(gè)盲區(qū)，需要結(jié)合其他檢測(cè)方式，以滿足實(shí)際檢測(cè)的要求，提高檢測(cè)準(zhǔn)確度。

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中圖分類號(hào)：TH49

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A