TOFD與相控陣技術(shù)在高壓加熱器筒體焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用分析

蘇宣機(jī) 吳林軍 汪建光

（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院）

熱電廠高壓加熱器利用汽輪機(jī)高壓抽汽加熱鍋爐給水，提高鍋爐給水溫度，降低能耗，提高機(jī)組熱效率，是火力發(fā)電廠鍋爐給水循環(huán)系統(tǒng)中的重要設(shè)備［1］。由于筒體壁厚大，焊后容易產(chǎn)生裂紋或未熔合缺陷，而制造單位常用的射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)這類面積型缺陷敏感性低，容易漏檢，設(shè)備投入運(yùn)行后，漏檢缺陷在復(fù)雜的外界載荷和加熱器內(nèi)高溫高壓的流體沖擊等多種因素的作用下，還可能出現(xiàn)擴(kuò)展現(xiàn)象，給設(shè)備運(yùn)行埋下巨大的安全隱患。

某熱電廠高壓加熱器2006 年投入運(yùn)行，在定期檢驗(yàn)時(shí)超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)筒體焊縫存在大量的超標(biāo)缺陷，但超聲檢測(cè)是利用探頭接收到缺陷反射回來的聲波能量大小即回波幅度的高低來評(píng)價(jià)缺陷的大小，不能準(zhǔn)確對(duì)缺陷進(jìn)行定性和尺寸精確測(cè)定，難以為缺陷的進(jìn)一步安全評(píng)定與處理提供有效數(shù)據(jù)。 筆者闡述采用TOFD 和相控陣技術(shù)對(duì)設(shè)備筒體焊縫進(jìn)行檢測(cè)，并比較分析不同檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 設(shè)備概況

筆者所檢測(cè)的高壓加熱器筒體材料為SA516Gr70， 壁厚70 mm， 焊接方法為埋弧自動(dòng)焊+焊條電弧焊， 先焊外側(cè)焊縫清根后再焊內(nèi)側(cè)焊縫，焊后進(jìn)行620～640 ℃消應(yīng)力熱處理。 制造過程筒體焊縫采用100%射線檢測(cè)+20%超聲檢測(cè)，射線檢測(cè)選用Co60 進(jìn)行透照。 無損檢測(cè)曾發(fā)現(xiàn)13 處超標(biāo)缺陷并進(jìn)行返修處理， 超標(biāo)缺陷均為夾渣，最大條渣長(zhǎng)490 mm，同時(shí)焊縫中存在大量氣孔，未記錄裂紋、未熔合等面積型缺陷。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及結(jié)果分析

2.1 TOFD 檢測(cè)

筒體對(duì)接焊縫采用TOFD 進(jìn)行100%檢測(cè)附加100%超聲檢測(cè)。TOFD 檢測(cè)采用以色列Sonotron 公司Isonic-2006 檢測(cè)儀，選用頻率5 MHz、直徑6 mm、角度60°的縱波探頭，以直通波波幅達(dá)滿屏高度的80%作為掃查靈敏度。 檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)3 幅TOFD 圖譜中存在6 處超標(biāo)缺陷（圖1）。

圖1 TOFD 圖譜

TOFD 圖譜1 中的#1 缺陷靠近焊縫下側(cè)坡口根部位置，缺陷為線狀顯示，自身高度2.8 mm，有未熔合特征（圖1a），超聲檢測(cè)在正常掃查速度下缺陷波與底面波信號(hào)相連，探頭前后移動(dòng)缺陷波和底面波形呈連續(xù)變化狀態(tài)，無法識(shí)別，只有探頭放在特定位置才會(huì)顯示可區(qū)分的缺陷波和底面反射波兩個(gè)波形， 兩者深度差只有5 mm。TOFD 圖譜2 中的缺陷，由斷續(xù)圓弧組成，圓弧兩端較短，有裂紋形貌（圖1b），圖中#2 和#3 缺陷在深度方向界限明顯，#2 和#4 缺陷基本相連，界限不清，超聲檢測(cè)探頭聲束方向垂直于焊縫做鋸齒形掃查檢測(cè)，僅發(fā)現(xiàn)#2、#3 缺陷，長(zhǎng)度、深度方向較難分開， 記錄為一個(gè)深度范圍較大的缺陷，未能發(fā)現(xiàn)#4 缺陷； 探頭聲束方向平行于焊縫掃查， 顯示#4 缺陷位置存在多條位置不同的橫向缺陷，而且波幅很高。TOFD 圖譜3 中有2 處缺陷（圖1c）， 圖中#5 缺陷顯示非常不明顯， 容易漏判，本次檢測(cè)在首次評(píng)圖時(shí)就將該處圖像顯示判斷為由材料聲阻抗不同引起的， 未進(jìn)行評(píng)定，而在相控陣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該處存在缺陷顯示后才重新對(duì)其進(jìn)行評(píng)定。圖中#6 缺陷形貌與TOFD 圖譜2中的#4 缺陷類似，經(jīng)超聲檢測(cè)顯示#6 缺陷為橫向缺陷。

2.2 相控陣檢測(cè)

考慮到所查出缺陷較為嚴(yán)重，帶有裂紋或未熔合特征，為慎重起見，對(duì)超標(biāo)缺陷部位采用相控陣檢測(cè)進(jìn)一步確認(rèn)。 相控陣檢測(cè)采用以色列Sonotron 公司Isonic-2009 便攜式相控陣超聲檢測(cè)儀，選用頻率2.5 MHz、晶片數(shù)量32 個(gè)的相控陣探頭， 以CSK-ⅡA 試塊作為靈敏度校準(zhǔn)試塊，TCG 方式進(jìn)行靈敏度設(shè)置，掃查靈敏度參照超聲檢測(cè)規(guī)定將基準(zhǔn)靈敏度提高14 dB，并根據(jù)掃查面的表面粗糙度再提高3 dB 進(jìn)行補(bǔ)償，降低6 dB 進(jìn)行缺陷評(píng)定［2，3］。 相控陣圖譜如圖2 所示。

圖2 相控陣圖譜

圖2a 所示為TOFD 圖譜1 處的相控陣圖譜，在扇形掃描圖和A 掃信號(hào)中可清晰看見焊縫根部的缺陷顯示， 但只能在焊縫單側(cè)掃查到缺陷顯示， 有坡口未熔合特征，#1 缺陷經(jīng)消除確認(rèn)為坡口根部未熔合， 是制造遺留缺陷。 圖2b 所示為TOFD 圖譜2 處的相控陣圖譜， 相控陣超聲檢測(cè)時(shí)探頭聲束方向垂直焊縫做縱向垂直掃查， 只能檢測(cè)到#2 和#3 缺陷， 且深度方向未能識(shí)別，#4缺陷未能檢出；將相控陣探頭放在焊縫上，聲束方向平行于焊縫做縱向平行掃查，檢測(cè)結(jié)果如圖2c所示（#4 缺陷3D 圖如圖3a 所示），很明顯看出此處存在多條深度不同、水平間隔6～10 mm 的橫向缺陷， 上述缺陷經(jīng)消除確認(rèn)#2 和#3 缺陷為縱向裂紋，#4 缺陷為橫向裂紋。 圖2d 所示為TOFD 圖譜3 處的相控陣圖譜， 相控陣超聲檢測(cè)探頭聲束方向垂直焊縫做縱向垂直掃查， 檢測(cè)結(jié)果僅顯示#5 缺陷，上部區(qū)域的#6 缺陷也未檢出；探頭放在焊縫上聲束方向平行于焊縫做縱向平行掃查，檢測(cè)結(jié)果如圖2e 所示 （#6 缺陷3D 圖如圖3b 所示），圖像顯示存在多條橫向缺陷。 經(jīng)消除確認(rèn)#5缺陷為縱向裂紋，#6 缺陷為橫向裂紋。

圖3 缺陷3D 圖

本次檢測(cè)查出的缺陷經(jīng)消缺返修均得到確認(rèn)，缺陷所在位置和尺寸與TOFD、相控陣檢測(cè)結(jié)果基本對(duì)應(yīng)。TOFD 圖譜1 中的焊縫根部未熔合缺陷為制造遺留缺陷。TOFD 圖譜2、3 中的裂紋缺陷所在的位置， 經(jīng)查詢出廠資料得知這些部位在制造時(shí)均進(jìn)行過返修處理， 其他未返修部位沒有發(fā)現(xiàn)裂紋， 因此判斷這些裂紋是在制造過程返修時(shí)產(chǎn)生而射線檢測(cè)未能檢出而遺留下來的。 產(chǎn)生裂紋的主要原因是由于返修時(shí)焊接區(qū)域較小， 如果焊前預(yù)熱不到位， 焊后快速冷卻收縮會(huì)產(chǎn)生極大的拉應(yīng)力， 焊縫在無法承受拉應(yīng)力作用的情況下下很容易產(chǎn)生開裂， 而制造單位采用的射線檢測(cè)對(duì)裂紋敏感性低不易檢出， 資料未見有進(jìn)行超聲檢測(cè)，因此返修后若產(chǎn)生裂紋缺陷很容易漏檢。

檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)匯總見表1。

表1 檢測(cè)數(shù)據(jù)匯總表

3 檢測(cè)技術(shù)對(duì)比分析

3.1 射線檢測(cè)

射線檢測(cè)是利用被測(cè)物體各部分的厚度或密度因缺陷的存在而有所不同，導(dǎo)致當(dāng)X 射線在穿透被檢物時(shí)射線被吸收的程度也會(huì)不同的原理進(jìn)行檢測(cè)的，射線投射在X 射線膠片上經(jīng)顯影后可得到顯示物體厚度變化和內(nèi)部缺陷情況的X 射線底片。 射線檢測(cè)對(duì)于體積型缺陷具有很好的檢出效果，對(duì)薄試件除非裂紋或未熔合的高度和張口寬度小，否則只要透照角度適當(dāng)，底片靈敏度符合要求，裂紋檢出率也是足夠高的。 但射線檢測(cè)不適宜檢驗(yàn)較厚工件，對(duì)厚壁筒體焊縫易產(chǎn)生的裂紋和未熔合缺陷敏感性低， 容易漏檢。筆者所檢測(cè)的高壓加熱器筒體壁厚較大，進(jìn)行射線檢測(cè)時(shí)幾何不清晰度和固有不清晰度明顯增大；同時(shí)為了保證射線能夠穿透筒體焊縫，選用能量高的Co60 進(jìn)行透照， 散射比和顆粒度也隨之增大，導(dǎo)致底片上裂紋影像對(duì)比度下降，邊界模糊，無法識(shí)別。 另外裂紋一般都有方向性，如果X 射線穿透焊縫并沒有因裂紋的存在而使投射到X 射線膠片上的強(qiáng)度有所變化，就不能在膠片上留下相應(yīng)影像，導(dǎo)致缺陷無法檢出。 從該設(shè)備制造過程的射線檢測(cè)數(shù)據(jù)就可看出這一點(diǎn)，該方法對(duì)體積型缺陷有很高的靈敏度，可檢出大量的夾渣和氣孔，但對(duì)裂紋或未熔合等面積型缺陷靈敏度低。

3.2 TOFD 檢測(cè)

TOFD 技術(shù)是利用在固體中傳播速度最快的縱波在缺陷端部產(chǎn)生的衍射信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的，由于采用一發(fā)一收雙探頭，檢測(cè)不受缺陷形狀和方位的影響，可以檢出與檢測(cè)表面不相垂直的面狀缺陷，檢測(cè)結(jié)果重復(fù)性好，缺陷圖譜顯示直觀，可以精確測(cè)定缺陷的自身高度，檢測(cè)數(shù)據(jù)能全程記錄并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放與永久保存［4，5］。本次高壓加熱器筒體對(duì)接焊縫進(jìn)行100%TOFD 檢測(cè)，除可見氣孔和點(diǎn)狀缺陷外，還發(fā)現(xiàn)多處裂紋和未熔合缺陷，這些缺陷經(jīng)過分析判斷應(yīng)為制造時(shí)遺留下來的，但由于制造時(shí)采用射線檢測(cè)，造成漏檢。 這說明TOFD 檢測(cè)對(duì)面積型缺陷檢出率明顯高于射線檢測(cè)，并且具有定量精度高及缺陷定位和尺寸測(cè)定準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)于焊縫底部深度方向的缺陷有很高的分辨力， 如靠近根部的#1 缺陷也能很好地跟底波區(qū)分開來。

TOFD 檢測(cè)雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)， 但也有不足之處，比如有的缺陷尖端衍射信號(hào)較弱聲波波幅低， 而且會(huì)與材料晶界的散射信號(hào)交織在一起，導(dǎo)致衍射信號(hào)識(shí)別困難。 本次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的#5 缺陷就屬于這類缺陷，很容易漏判。 本次檢測(cè)采用超聲檢測(cè)和相控陣技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充檢測(cè)，才彌補(bǔ)了TOFD 檢測(cè)的不足。

3.3 相控陣檢測(cè)

相控陣超聲檢測(cè)和常規(guī)超聲檢測(cè)原理同屬于脈沖反射法范疇，都是按照探頭接收缺陷反射波的能量大小即回波幅度的高低來評(píng)價(jià)缺陷的大小，檢測(cè)受缺陷形貌和方位的影響較大。 相控陣技術(shù)相比于常規(guī)超聲的優(yōu)點(diǎn)是通過電子系統(tǒng)控制探頭陣列中的各個(gè)晶片按照一定的延時(shí)法則發(fā)射和接收超聲波，實(shí)現(xiàn)聲束的掃描、偏轉(zhuǎn)等功能，能夠在探頭不前后移動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)區(qū)域的掃查， 從而提高檢測(cè)效率和缺陷檢出率。 相控陣檢測(cè)通過編碼器實(shí)時(shí)采集記錄數(shù)據(jù)，圖像顯示直觀，可以減少人員操作不當(dāng)造成的缺陷漏檢。 但是相控陣檢測(cè)一樣存在諸多局限性，比如難以對(duì)缺陷進(jìn)行精確定性、定量，缺陷的位置、 取向和形狀及聲波衰減影響缺陷檢出等問題。 本次檢測(cè)中的#2 和#3 缺陷在深度、長(zhǎng)度方向上未能分開是由于聲波的聲束是擴(kuò)散的，隨著聲程的增大深度和長(zhǎng)度方向的分辨力都會(huì)下降，對(duì)于兩缺陷間距小于儀器分辨力的就難以分開，而且聲程距離越大這種現(xiàn)象越明顯［6］。另外，相控陣檢測(cè)對(duì)缺陷的方位比較敏感，#4、#6 缺陷為橫向裂紋，屬于面積型缺陷，當(dāng)聲束方向與裂紋平面平行時(shí)，探頭就很難接收到缺陷處反射回來的聲波， 如果沒有進(jìn)行斜向掃查或參照TOFD 檢測(cè)，缺陷就會(huì)漏檢。

4 結(jié)束語

承壓設(shè)備焊縫缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)完整性有著重要影響，為保證設(shè)備服役時(shí)的安全性，通常采用無損檢測(cè)手段進(jìn)行檢查，但不同的檢測(cè)技術(shù)對(duì)各類缺陷的敏感性差異較大，選擇不當(dāng)可能造成大量的危害性缺陷漏檢。 筆者檢測(cè)的高壓加熱器由于筒體壁厚較大，采用傳統(tǒng)的射線檢測(cè)對(duì)面積型缺陷敏感性低，附加的超聲檢測(cè)受技術(shù)特點(diǎn)和人員因素影響較大，特別是橫向缺陷很容易漏檢。 采用TOFD 和相控陣技術(shù)相結(jié)合則可以優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，對(duì)各類缺陷均有較高的敏感性，而且能夠?qū)崟r(shí)采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，受人員因素影響減少，圖譜顯示直觀， 可以大幅度提高面積型缺陷的檢出率，對(duì)于重要的高參數(shù)厚壁設(shè)備可以最大限度避免缺陷漏檢，減少安全隱患。 同時(shí)由于TOFD 檢測(cè)可以精確測(cè)定缺陷尖端距離表面的埋藏深度及其自身高度，檢測(cè)結(jié)果重復(fù)性好，對(duì)在役設(shè)備檢測(cè)中的缺陷評(píng)定和檢測(cè)特別有價(jià)值。