球形儲(chǔ)罐定期檢驗(yàn)中的TOFD檢測

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(1.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院, 長沙 410117;2.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 長沙 410083)

球形儲(chǔ)罐(簡稱球罐)為大容量的承壓球形存儲(chǔ)容器。近年來，隨著球罐制造技術(shù)的飛速發(fā)展，其在石油、化工、能源等承壓特種設(shè)備領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，主要用來存儲(chǔ)天然氣、液化石油氣、液氧、液氨等介質(zhì)。相比圓筒形容器，在相同容積和相同壓力下，球罐的表面積最小，一般可節(jié)省鋼材30%～45%，且球罐的承載能力為圓筒形容器的2倍，因此在承載相同壓力的情況下，其壁厚可減小一半。在承壓特種設(shè)備領(lǐng)域，球罐屬于第3類壓力容器，球罐的制造過程是現(xiàn)場組焊安裝，主要是將已壓制好的球殼板以焊接的形式組裝。由于球罐往往用于儲(chǔ)存易燃易爆介質(zhì)，良好的焊接質(zhì)量對于球罐的安全運(yùn)行十分重要，而無損檢測是保證焊接接頭質(zhì)量的重要手段。

長期以來，在制造監(jiān)督、檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)時(shí)，球罐焊接接頭的檢測主要采用射線、超聲、磁粉等常規(guī)無損檢測技術(shù)。2016年，國家質(zhì)檢總局頒布了TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，與2009版相比，2016版在壓力容器設(shè)計(jì)上，新增了對大型壓力容器對接接頭進(jìn)行檢測的特殊規(guī)定，即當(dāng)大型壓力容器的對接接頭采用γ射線全景曝光射線檢測時(shí)，還應(yīng)當(dāng)另外采用X射線檢測或者超聲衍射時(shí)差法(TOFD)檢測進(jìn)行50%的附加局部檢測，如果發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，則應(yīng)當(dāng)進(jìn)行100%的X射線檢測或者TOFD檢測。在TOFD檢測技術(shù)興起之前，對于壁厚較大的球罐，為了省時(shí)省力，常采用γ射線進(jìn)行全景曝光檢測，由于γ射線為線狀譜，其能量不可調(diào)節(jié)，在大多數(shù)情況下得不到最佳的對比度，而且其曝光時(shí)間相比于X射線的成倍增加，故γ射線的靈敏度和成像質(zhì)量遠(yuǎn)不如X射線的。2015年9月，國家能源局發(fā)布的NB/T 47013-2015《承壓設(shè)備無損檢測》標(biāo)準(zhǔn)中，對γ射線的曝光時(shí)間予以嚴(yán)格的限制。當(dāng)采用Ir192 γ射線檢測時(shí)，曝光時(shí)間不得超過8 h，且不得采用多個(gè)射線源捆綁的方式進(jìn)行透照。對于大型球罐，若采用Ir192 γ射線全景曝光檢測，其曝光時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了這一限制。因此，2016版《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》及2015版無損檢測標(biāo)準(zhǔn)中新增的這些條款，在很大程度上限制了γ射線檢測在球罐中的應(yīng)用，而極大地推廣了TOFD檢測技術(shù)在球罐檢測中的應(yīng)用。筆者對一臺(tái)在役的5 000 m3球罐進(jìn)行了TOFD檢測，有效地檢出了氣孔、夾渣、未熔合、裂紋等埋藏缺陷。

1 TOFD檢測技術(shù)的應(yīng)用

1.1 TOFD檢測技術(shù)的基本原理

TOFD檢測技術(shù)是一種基于缺陷端點(diǎn)衍射信號對缺陷進(jìn)行定位、定量的無損檢測方法[1-3]，該技術(shù)采用一發(fā)一收模式，探頭為縱波斜探頭，當(dāng)焊縫無缺陷時(shí)，接收探頭接收到的前兩個(gè)信號為直通縱波和底面反射縱波；若焊縫中存在缺陷，超聲波入射至缺陷上時(shí)，除了產(chǎn)生反射回波，還會(huì)在缺陷的端部產(chǎn)生向各個(gè)方向傳播的衍射波，此衍射波被接收探頭接收后，其將位于直通縱波和底面反射縱波之間，通過測量直通縱波與衍射信號的傳播時(shí)間差，即可得到缺陷的深度和自身高度。TOFD檢測原理示意如圖1所示。

圖1 TOFD檢測原理示意

1.2 TOFD檢測技術(shù)在5 000 m3球罐檢測中的應(yīng)用

某公司在役5 000 m3球罐于2008年5月投入使用，公稱壁厚為44 mm，材料為15MnNbR，直徑為21.2 m，設(shè)計(jì)壓力為1.36 MPa，設(shè)計(jì)溫度為0～50 ℃，工作介質(zhì)為天然氣。該球罐于2012年進(jìn)行了首次定期檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)論是:安全狀況等級定為3級，檢驗(yàn)周期定為5 a。2017年對該球罐進(jìn)行了第二次定期檢驗(yàn)，根據(jù)檢驗(yàn)方案，要求對對接焊接接頭進(jìn)行100% TOFD檢測，其對接焊接接頭焊接方法為手工電弧焊，焊接型式為X型坡口，外表面焊縫寬度為35 mm，內(nèi)表面焊縫寬度為20 mm。

TOFD檢測所用儀器為漢威HS810以及帶位置傳感器的探頭掃查裝置，耦合劑采用工業(yè)漿糊，現(xiàn)場檢測溫度約為30～40 ℃。

1.2.1 工藝參數(shù)選取

檢測技術(shù)等級為B級，選取內(nèi)表面作為掃查面，掃查步進(jìn)為1 mm，信號的平均化處理次數(shù)為1，脈沖重復(fù)頻率為1 000 Hz，掃查方式為非平行掃查。

檢測所用標(biāo)準(zhǔn)試塊為CSK-IA試塊，用于測量探頭延時(shí)及前沿。

探頭間距越大，深度分辨率越差；探頭間距越小，深度分辨率越好。檢測時(shí)將探頭中心間距設(shè)置為探頭對的聲束交點(diǎn)位置，位于板厚的2/3深度處，因此檢測探頭的中心間距確定為115 mm。

探頭頻率越高，激勵(lì)出來的信號脈沖寬度越窄，區(qū)分出厚度方向相鄰位置缺陷的能力越強(qiáng)。一般而言，板厚越小，探頭頻率越高。有研究表明，為了獲得良好的時(shí)間分辨率，宜盡可能減小掃查面盲區(qū)高度，并提高對缺陷的定位定量檢測精度，要求直通縱波與底面反射縱波的時(shí)間間隔達(dá)到一定的周期數(shù)，以能夠滿足20個(gè)信號周期數(shù)最為理想。按照標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.10-2015《承壓設(shè)備無損檢測 第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測》，厚度在35～50 mm內(nèi)的對接接頭的探頭頻率選取范圍為3～5 MHz。

筆者經(jīng)計(jì)算得出直通縱波與底面反射縱波之間的時(shí)間間隔為5 μs。TOFD檢測應(yīng)控制直通縱波持續(xù)時(shí)間不超過2個(gè)脈沖周期，因此將直通縱波持續(xù)時(shí)間調(diào)整至1.5個(gè)脈沖周期，此時(shí)1個(gè)5 MHz和3 MHz信號的持續(xù)時(shí)間分別為0.3,0.5 μs，則采用5 MHz和3 MHz探頭進(jìn)行檢測時(shí)，直通縱波與底面反射縱波的時(shí)間間隔包含的周期數(shù)分別為16.7,10。因此，檢測選取的探頭頻率為5 MHz。

實(shí)際檢測中需使有效聲場覆蓋整個(gè)焊縫，檢測選取的晶片尺寸為6 mm。

楔塊角度越小，直通縱波與底面反射縱波之間的時(shí)間間隔越大，檢測分辨率越高；楔塊角度越大，直通縱波幅值增大，靠近掃查面附近的缺陷難以識別。此球罐壁厚為44 mm，標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.10-2015中推薦的聲束角度范圍為60°～70°，檢測選取的楔塊角度為63°。

起始位置設(shè)置為直通縱波到達(dá)接收探頭前0.5 μs，終止位置設(shè)置為底面反射變型波后0.5 μs。

直接在被檢工件上設(shè)置檢測靈敏度，將直通縱波的波幅設(shè)置為滿屏高的40%～80%。

1.2.2 TOFD檢測結(jié)果

對球罐進(jìn)行第二次定期檢驗(yàn)，根據(jù)TSG 21-2016，相應(yīng)壓力容器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)允許的焊縫埋藏缺陷要不影響定級；超出相應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的，對于有特殊要求(該球罐存儲(chǔ)天然氣，屬于易爆介質(zhì))的壓力容器，非圓形缺陷尺寸及安全狀況等級評定如表1所示(表中H為缺陷在板厚方向的尺寸；L為缺陷長度；t為實(shí)測厚度)。

表1 有特殊要求的壓力容器中非圓形缺陷尺寸與相應(yīng)的安全狀況等級

經(jīng)TOFD檢測，發(fā)現(xiàn)該球罐內(nèi)部存在裂紋、未熔合、夾渣等缺陷。對這些缺陷進(jìn)行評定，有4處缺陷超出了表1的限制，測得缺陷尺寸如表2所示，超標(biāo)缺陷的D掃圖像如圖2所示。這些缺陷均位于上溫帶環(huán)焊縫，且靠近內(nèi)表面，最短缺陷長323 mm，最長缺陷長1 164.8 mm，其自身高度在5.7～7.2 mm內(nèi)。這些缺陷D掃圖像有相似的特點(diǎn)，即均能夠區(qū)分出上下端點(diǎn)，沿著焊縫長度方向，其深度和自身高度在不斷變化，缺陷長度方向的端部呈拋物線狀，從缺陷的位置及圖譜特征判斷，這些缺陷可能為未熔合或裂紋。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TSG 21-2016，需對超標(biāo)缺陷進(jìn)行返修，返修合格后，再進(jìn)行檢測，球罐的安全狀況等級可評為3級。

表2 TOFD檢測得到的某球罐缺陷尺寸 mm

圖2 某球罐的TOFD檢測超標(biāo)缺陷D掃圖像

1.3 常規(guī)超聲檢測復(fù)查

由于TOFD非平行掃查檢測方式無法確定缺陷偏離焊縫中心的位置，采用常規(guī)超聲檢測對上述超標(biāo)缺陷進(jìn)行復(fù)查，以確定缺陷偏離焊縫中心的位置。

檢測采用標(biāo)準(zhǔn)試塊為CSK-IA，對比試塊為CSK-IIA-2，探頭頻率為2.5 MHz，晶片尺寸(長×寬)為13 mm×13 mm，斜探頭K值分別為1.0和2.0，采用內(nèi)表面雙側(cè)的檢測方式。檢測發(fā)現(xiàn)不同折射角對缺陷檢測靈敏度有較大影響；K2.0斜探頭對超標(biāo)缺陷的檢測靈敏度要高于K1.0斜探頭的，其原因在于缺陷信號幅值與缺陷的性質(zhì)、取向等因素有關(guān)。當(dāng)采用K2.0斜探頭檢測時(shí)，從焊縫兩側(cè)均可以發(fā)現(xiàn)缺陷，缺陷信號具有以下特征：一側(cè)波高明顯低于另一側(cè)，且沿著焊縫長度方向檢測時(shí)，缺陷反射回波幅度時(shí)高時(shí)低，缺陷位置均往上偏離焊縫中間位置，判定這些缺陷為靠近球罐內(nèi)表面的坡口夾渣未熔合，K2.0斜探頭測得的缺陷尺寸如表3所示(SL為距離-波幅曲線中的定量線)。

表3 常規(guī)超聲檢測K2.0斜探頭測得的缺陷尺寸

通過分別對缺陷進(jìn)行TOFD檢測和常規(guī)超聲檢測發(fā)現(xiàn)，對于埋藏型缺陷，TOFD檢測的靈敏度遠(yuǎn)高于常規(guī)超聲檢測的，常規(guī)超聲檢測結(jié)果受耦合劑耦合程度、人為因素影響較大，易發(fā)生漏檢，而TOFD檢測對于氣孔、夾渣、未熔合等缺陷非常敏感。由于缺陷尺寸超出法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的限制，需對缺陷進(jìn)行返修處理，通過對BF12焊縫中的超標(biāo)缺陷進(jìn)行返修，發(fā)現(xiàn)該缺陷具有裂紋的特征。

2 缺陷形成原因

定期檢驗(yàn)中，除TOFD檢出4處靠近內(nèi)表面的超標(biāo)埋藏缺陷外，磁粉檢測也檢出了11處內(nèi)表面裂紋。

先從球罐材料進(jìn)行分析，該球罐材料為15MnNbR，又稱Q370R，其標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為520～620 MPa，屬于低合金高強(qiáng)度鋼，該鋼種是在16MnR基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其強(qiáng)度要高于16MnR。材料的強(qiáng)度越高，可焊性越差，焊接時(shí)越容易產(chǎn)生各種裂紋。15MnNbR的焊接性能要低于16MnR的焊接性能，具有一定的淬硬、延遲裂紋及再熱裂紋傾向，屬于裂紋敏感材料。

該球罐存儲(chǔ)天然氣介質(zhì)，可能存在的損傷模式主要是濕硫化氫破壞。對于表面裂紋缺陷一般采用打磨消除，通過對檢出的裂紋進(jìn)行打磨發(fā)現(xiàn)，個(gè)別裂紋最大深度達(dá)3 mm。該球罐于2012年進(jìn)行了首次定期檢驗(yàn)，僅發(fā)現(xiàn)1處內(nèi)表面裂紋。檢測初步判定這些表面裂紋為硫化物應(yīng)力腐蝕裂紋。

球罐制造時(shí)采用現(xiàn)場組焊的安裝方式，球殼板之間焊接的總體原則是先焊縱焊縫，后焊環(huán)焊縫；先焊外焊縫，后焊內(nèi)焊縫。對于縱焊縫，由于其最先完成焊接，組裝產(chǎn)生的應(yīng)力較小，因此環(huán)焊縫應(yīng)力較大。焊接作業(yè)人員焊接上溫帶環(huán)焊縫時(shí)，在球罐內(nèi)部的焊接方式為仰焊，焊接難度很大，容易產(chǎn)生未熔合、裂紋、夾渣等缺陷。TOFD檢測發(fā)現(xiàn)位于球罐上溫帶環(huán)焊縫的危險(xiǎn)性缺陷均靠近內(nèi)表面，個(gè)別外焊縫僅存在少量氣孔點(diǎn)狀缺陷，大部分上溫帶環(huán)焊縫的TOFD檢測質(zhì)量均達(dá)到法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的要求；而對于其他位置焊縫，TOFD檢出的埋藏缺陷較少，一般為氣孔、夾渣等非超標(biāo)缺陷，說明該球罐在制造安裝時(shí)選用的焊接工藝滿足標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的要求，可以排除焊接工藝選用不合理的可能性。

該球罐在制造驗(yàn)收時(shí)，采用了γ射線100%檢測，查閱底片未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合等缺陷，而在定期檢驗(yàn)中，TOFD檢測和常規(guī)超聲檢測均發(fā)現(xiàn)了具有未熔合性質(zhì)的缺陷，進(jìn)一步說明采用γ射線全景曝光對于大型球罐對接焊縫的缺陷檢測具有一定的局限性。一方面，由于灰霧度較大，降低了射線照相對比度，使得缺陷影像與其周圍背景的黑度差很小，所以缺陷影像難以識別；另一方面，缺陷的取向也會(huì)影響檢測結(jié)果，射線透照厚度差決定了照相對比度。對于一些如裂紋、未熔合面積型缺陷，為保證此類缺陷的檢出率，需要控制射線束的角度，而采用全景曝光檢測時(shí)，因無法保證一定的透照厚度差，缺陷可能漏檢。

根據(jù)TOFD檢出的4處超標(biāo)缺陷的位置和尺寸，常規(guī)超聲的檢測結(jié)果以及通過返修發(fā)現(xiàn)缺陷的特征，綜合判定這些缺陷在球罐制造過程中已經(jīng)產(chǎn)生，并且在球罐投入使用后，在焊縫內(nèi)部應(yīng)力和球罐內(nèi)壓的共同作用下存在擴(kuò)展的可能性。

3 結(jié)語

(1) 通過對球罐現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，相比于常規(guī)超聲檢測、射線檢測，TOFD檢測技術(shù)具有檢測效率高、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，并且對于大壁厚球罐，TOFD檢測的優(yōu)勢更為明顯，利用圖譜可以方便獲取缺陷的深度、自身高度等信息，為球罐的安全狀況等級評定提供了依據(jù)。

(2) TOFD檢測發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)缺陷，需采用常規(guī)超聲檢測或射線檢測進(jìn)行復(fù)查，以便測量缺陷偏離焊縫中心的距離，從而確定缺陷返修的具體位置。

(3) TOFD檢測技術(shù)對于缺陷定性有一定難度，對于氣孔、夾渣缺陷，根據(jù)圖譜顯示可以方便區(qū)分出來；而對于面狀缺陷，如裂紋、未熔合等缺陷，由于缺陷圖譜顯示的是缺陷的上下端部信號，在一些情況下，僅根據(jù)圖譜特征難以區(qū)分出缺陷的具體性質(zhì)。如對某5 000 m3球罐檢測發(fā)現(xiàn)，依據(jù)圖譜判定為未熔合的缺陷，最后實(shí)際返修發(fā)現(xiàn)該缺陷具有裂紋的特征。

(4) TOFD檢測技術(shù)對于掃查面及其近表面缺陷的檢測具有局限性，定期檢驗(yàn)中，磁粉檢測發(fā)現(xiàn)最大深度為3 mm的內(nèi)表面裂紋，TOFD檢測無法檢出。

(5) 對于球罐的定期檢驗(yàn)，采用TOFD檢測的重點(diǎn)應(yīng)為環(huán)焊縫，尤其是上溫帶環(huán)焊縫，該位置易出現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

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