TOFD技術(shù)在壓力容器焊縫檢測中的質(zhì)量提升路徑研究

于鵬祖 趙志強(qiáng) 劉 祎

（1.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730314）

1 TOFD 檢測技術(shù)

TOFD 技術(shù)（衍射時(shí)差法超聲檢測，簡稱“TOFD”）是1 種超聲波檢測技術(shù)的新方向，區(qū)別于超聲脈沖反射法和聲波穿透法等技術(shù)，它是利用當(dāng)入射波與缺陷自身結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用時(shí)，在缺陷表面發(fā)生超聲波反射現(xiàn)象，同時(shí)在兩端點(diǎn)處發(fā)生衍射現(xiàn)象。與缺陷中部反射信號(hào)的顯著特定指向性相比，缺陷兩端的衍射信號(hào)指向性不明顯。正因?yàn)檫@種差異性現(xiàn)象的存在，缺陷中部發(fā)射波是近似平面波，能產(chǎn)生疊加現(xiàn)象，而缺陷端部子波源發(fā)出的是衍射波。TOFD 檢測就是依靠縱波在固體中傳播時(shí)缺陷端角和端點(diǎn)產(chǎn)生的衍射波來進(jìn)行缺陷檢測的。如圖1 和圖2 所示，分別為 TOFD 檢測時(shí)的缺陷衍射波傳播和A 掃描信號(hào)示意圖。

圖1 TOFD 檢測缺陷衍射波示意圖

圖2 TOFD 檢測典型A 掃描信號(hào)示意圖

2 TOFD 技術(shù)在壓力容器焊縫檢測中的應(yīng)用

長期以來，壓力容器焊縫內(nèi)部缺陷檢測主要使用射線照相法檢測和超聲脈沖反射法檢測。但超聲脈沖反射法和射線照相法檢測對(duì)焊縫內(nèi)部缺陷自身高度均無法確定，特別是射線檢測對(duì)超過60mm 的超厚件清晰度明顯降低，檢測靈敏度無法保證。而超厚件射線檢測因自身特點(diǎn)，受到時(shí)間和空間的限制，不僅檢測效率較低，也增加了經(jīng)濟(jì)成本，延長了檢測周期，也可能會(huì)傷害人體和環(huán)境。隨著煉油化工裝置大型化發(fā)展，裝置中的反應(yīng)器、換熱器和儲(chǔ)罐等承壓設(shè)備向大直徑和厚壁方向發(fā)展。但受運(yùn)輸條件及制造要求的限制，某些大型承壓設(shè)備須在項(xiàng)目安裝現(xiàn)場焊接和檢測。但傳統(tǒng)的射線檢測，一方面無法滿足大壁厚設(shè)備檢測靈敏度的要求，另一方面現(xiàn)場射線檢測時(shí)，不允許交叉作業(yè)，施工人員和公眾群體必須疏散，因此對(duì)工程的進(jìn)度影響較大。特別是大型球形儲(chǔ)罐在檢測時(shí)因?yàn)槠毓鈺r(shí)間較長，在檢測時(shí)周圍其他工種不能作業(yè)，嚴(yán)重影響工期。而且對(duì)現(xiàn)場組焊的厚度超過200mm 的承壓設(shè)備焊縫，進(jìn)行射線照相是很難的。因此，TOFD 技術(shù)憑借較高的檢測精度和可靠性，在承壓設(shè)備生產(chǎn)中使用相當(dāng)廣泛，在工業(yè)行業(yè)應(yīng)用中占據(jù)著重要地位。世界各國都把承壓設(shè)備作為特種設(shè)備予以強(qiáng)制性管理，TOFD 技術(shù)成為特種設(shè)備質(zhì)量管理時(shí)效性準(zhǔn)確性較高的檢測方法之一。在大型煉油化工壓力容器焊縫缺陷檢測和評(píng)定中應(yīng)用TOFD 技術(shù)，對(duì)不斷提升檢測效率和自動(dòng)化水平有重要意義。

3 壓力容器焊縫TOFD 檢測存在的問題

TOFD 技術(shù)在我國各大重點(diǎn)能源裝備制造單位得到廣泛應(yīng)用，但在實(shí)際大型能源裝備焊接結(jié)構(gòu)的TOFD 檢測中，由于場內(nèi)設(shè)備繁雜、工序繁多、工種交互作業(yè)，受檢測人員、設(shè)備、結(jié)構(gòu)、工藝、環(huán)境等各方面相關(guān)因素的影響，存在檢測圖譜無法離線轉(zhuǎn)化、高度覆蓋不足、時(shí)間窗口設(shè)置錯(cuò)誤、雜波信號(hào)干擾、采圖方法差異化、掃查速度過快、圖譜信號(hào)丟失、耦合不良圖像斷幀等問題。因此，經(jīng)常導(dǎo)致所采集數(shù)據(jù)無效，無法用于圖譜分析和缺陷評(píng)定，一般只能重新返工和檢測。但重新檢測將額外占用人力、耗費(fèi)耦合劑、磨損楔塊、延誤工期，使檢測成本和生產(chǎn)成本顯著增加，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度。另外，無效數(shù)據(jù)未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，還會(huì)導(dǎo)致缺陷漏檢，給產(chǎn)品質(zhì)量埋下隱患。

4 檢測質(zhì)量提升的路徑

針對(duì)壓力容器焊縫TOFD 檢測中的突出問題，圍繞厚壁檢測1 通道一次成圖率低這個(gè)影響檢測質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量的核心問題，項(xiàng)目組從“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測”6 個(gè)方面入手，采取分類調(diào)查統(tǒng)計(jì)和分析研究的方式，排查了高度覆蓋不足等8 個(gè)可能產(chǎn)生影響的直接因素，梳理出對(duì)應(yīng)的8 個(gè)末梢因素，并對(duì)末梢因素進(jìn)行了跟蹤確認(rèn)，鎖定了“操作指導(dǎo)書不完善”“檢測環(huán)境存在交叉作業(yè)”“掃查器與工件曲率不匹配”等3 個(gè)關(guān)鍵影響因素。

運(yùn)用基于質(zhì)量管理思維的檢測過程監(jiān)測和控制路徑工程實(shí)踐，按照實(shí)際情況制定降低和消除其不利影響因素的控制措施，并持續(xù)跟蹤檢查優(yōu)化改進(jìn)后的檢測效果，循環(huán)反饋調(diào)整工藝措施及檢測要點(diǎn)，形成厚壁容器焊縫TOFD 檢測質(zhì)量提升方案，提高了TOFD 圖譜采集一次成功率，提高了厚壁容器的檢測效率，提升了焊縫質(zhì)量。

4.1 優(yōu)化完善技術(shù)文件

針對(duì)檢測工藝技術(shù)問題，進(jìn)行了楔塊縱波入射角、聲束擴(kuò)散角、上下邊界角和厚度方向聲束覆蓋范圍等計(jì)算程序設(shè)計(jì)，在TOFD 檢測操作指導(dǎo)書中補(bǔ)充加入高度覆蓋驗(yàn)算和時(shí)間窗口設(shè)置的方法和說明，明確了工藝參數(shù)和技術(shù)方法。要求檢測人員熟練應(yīng)用參數(shù)計(jì)算程序，具體可通過內(nèi)部管理機(jī)制和培訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行推廣，如檢測部門內(nèi)部專項(xiàng)培訓(xùn)，周例會(huì)和月度質(zhì)量會(huì)強(qiáng)調(diào)，檢驗(yàn)檢測過程指導(dǎo)監(jiān)督等，提高了檢測參數(shù)的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。

式中：為縱波入射角度；為楔塊中縱波聲束的擴(kuò)散角；為擴(kuò)散因子；為縱波波長；為縱波波速；為探頭晶片直徑；為縱波頻率；為楔塊中縱波聲束的上邊界角；為楔塊中縱波聲束的下邊界角；為鋼中縱波聲束的上邊界角；為鋼中縱波聲束的下邊界角。

根據(jù)以上-12dB聲束擴(kuò)散角的計(jì)算，采用頻率5MHz6mm的探頭，60°楔塊時(shí)，聲束下半擴(kuò)散角為47.22°，上半擴(kuò)散角為84.0°。

第二分區(qū)覆蓋厚度為22.5mm～90mm，=242mm。在焊縫中心線上，-12dB 聲束覆蓋深度范圍如下。

式中：為探頭中心間距，為聲束覆蓋上界深度，為聲束覆蓋下界深度。

經(jīng)計(jì)算表明，該法滿足厚度方向上深度覆蓋的要求。實(shí)際工作中，還應(yīng)在對(duì)比試塊上通過對(duì)各深度缺陷的檢測效果進(jìn)行驗(yàn)證。

4.2 降低環(huán)境不利影響

通過對(duì)制造過程質(zhì)量檢測工作的跟蹤研究，編制了“影響TOFD 圖譜質(zhì)量的現(xiàn)場環(huán)境因素清單及應(yīng)對(duì)措施”，補(bǔ)充為衍射時(shí)差法超聲檢測工藝規(guī)程的資料性附錄。規(guī)范了檢測人員在處理檢測環(huán)境方面的具體內(nèi)容，顯著提升了采圖的一次成功率。具體措施包括以下5 點(diǎn)：1）密切觀察車間環(huán)境，結(jié)合屏幕波形顯示，發(fā)現(xiàn)天車經(jīng)過時(shí)，立即暫停作業(yè)。2）檢查轉(zhuǎn)胎滾輪有無絕緣膠皮，結(jié)合儀器波形顯示，發(fā)現(xiàn)雜波隨轉(zhuǎn)胎轉(zhuǎn)動(dòng)周期性出現(xiàn)時(shí)，立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，再重新采圖。3）觀察檢測區(qū)域附近是否存在焊接等作業(yè)，結(jié)合儀器波形顯示，出現(xiàn)雜波時(shí)，暫停采圖，或者通過生產(chǎn)管理機(jī)制要求暫停焊接作業(yè)或?qū)⒐ぜ蹼x該區(qū)域，再重新采圖。4）觀察檢測區(qū)域附近是否存在氣割作業(yè)，同時(shí)結(jié)合儀器波形顯示，出現(xiàn)雜波時(shí)，暫停采圖或者通過生產(chǎn)管理機(jī)制暫停氣割作業(yè)或者將工件吊離該區(qū)域，再實(shí)施采圖。5）高溫天氣耦合劑黏度低、流速快，須及時(shí)補(bǔ)充耦合劑；低溫天氣耦合劑黏度高，探頭容易黏結(jié)，同時(shí)影響透聲性，可在耦合劑中兌入一定量的溫水調(diào)和，再進(jìn)行檢測。

4.3 改進(jìn)工裝適應(yīng)工件曲率

通過掃查角度驗(yàn)算和掃查器結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計(jì)制作了可調(diào)節(jié)曲率的掃查架。這種方式很好地解決了原固定式直型掃查架在筒體縱縫檢測中探頭耦合不良和圖像質(zhì)量低的問題。同時(shí)，新設(shè)計(jì)的曲率掃查架有活動(dòng)關(guān)節(jié)，能夠便捷適應(yīng)各種曲率的縱縫檢測，調(diào)節(jié)范圍廣，檢測適應(yīng)性強(qiáng)。圖3（a）為原掃查架，（b）為改造后的曲率掃查架。

圖3 原掃查架與定制曲率掃查架的對(duì)比

曲率掃查架顯著減少了楔塊與工件間隙過大和耦合不良導(dǎo)致的焊縫內(nèi)部質(zhì)量信息失真的問題的產(chǎn)生，降低了耦合劑內(nèi)多次反射導(dǎo)致的直通波周期增加的問題出現(xiàn)的頻率，提高了圖像質(zhì)量。

5 質(zhì)量控制情況分析

5.1 質(zhì)量目標(biāo)

對(duì)策實(shí)施后，項(xiàng)目組對(duì)控制目標(biāo)完成情況進(jìn)行檢查，統(tǒng)計(jì)方法與現(xiàn)狀調(diào)查時(shí)一致。經(jīng)過分析8 月份四周采集的圖譜后發(fā)現(xiàn)，3 種對(duì)策實(shí)施后縱縫TOFD 檢測一次成圖率由89%上升至98.2%，超過了目標(biāo)值0.2%?？刂魄闆r如圖4 所示。

圖4 目標(biāo)檢查期圖譜質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表

結(jié)果表明，環(huán)縫的一次成圖率達(dá)到了100%；縱縫廢圖率下降了81.25%。影響一次成圖率的“3 通道”圖譜問題全部解決?！? 通道”問題下降了71.43%，整體焊縫檢測的一次成圖率達(dá)98.2%，超過了預(yù)定目標(biāo)。

為驗(yàn)證各項(xiàng)鞏固措施執(zhí)行后的效果，項(xiàng)目組對(duì)10 月份3 周和11 月份1 周的TOFD 圖譜做了隨機(jī)抽查，統(tǒng)計(jì)方法和現(xiàn)狀調(diào)查時(shí)一致。結(jié)果表明，1 個(gè)月的鞏固期內(nèi)，焊縫TOFD檢測的一次成圖率為99.1%，高于目標(biāo)值98%，檢測效能穩(wěn)定，鞏固效果良好。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

該項(xiàng)目研究除人力成本外，產(chǎn)生了一定的定制曲率掃查架的費(fèi)用，但實(shí)現(xiàn)了較高的性價(jià)比?？v縫定制曲率掃查架的使用提升了圖譜的整體質(zhì)量和一次成圖率、提高了缺陷檢出率，極大地降低了產(chǎn)品由于TOFD 圖譜數(shù)據(jù)無效存在的質(zhì)量隱患。減少了因反復(fù)采圖導(dǎo)致的楔塊磨損、耦合劑浪費(fèi)、人工工時(shí)增加等，預(yù)計(jì)年節(jié)約各類綜合檢測成本10 萬元以上。

5.3 社會(huì)效益

該項(xiàng)目提升了壓力容器焊縫TOFD 檢測的質(zhì)量，在保證TOFD 圖譜有效的基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品焊接質(zhì)量的提升起到了積極的影響，很大程度降低了因反復(fù)補(bǔ)采圖對(duì)產(chǎn)品制造乃至交貨周期的影響，有助于企業(yè)“節(jié)約成本、提質(zhì)增效”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，有助于提升容器產(chǎn)品在用戶中的滿意度、美譽(yù)度和社會(huì)信用度。

6 結(jié)論

基于質(zhì)量管理思維的檢測過程監(jiān)測和控制路徑工程實(shí)踐表明，以上質(zhì)量提升路徑能夠有效確認(rèn)TOFD 檢測中成圖率低的重要影響因素，進(jìn)一步按照實(shí)際情況及時(shí)制定消除其不利影響因素的具體措施，然后通過跟蹤統(tǒng)計(jì)檢查優(yōu)化改進(jìn)后的檢測案例效果，分析確認(rèn)一次成圖率和檢測效率方面的改善情況，利用循環(huán)反饋調(diào)整工藝措施及檢測要點(diǎn)的方式，不斷優(yōu)化質(zhì)量控制方法及質(zhì)量提升方案，顯著提高了TOFD圖譜采集成功效率，提升了壓力容器的焊縫質(zhì)量和檢測水平。