探究TOFD技術(shù)在電站鍋爐鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用

郭金國(guó)

（六安市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽 六安 237161）

0 引言

電站中很多設(shè)備都需要滿足常年工作的要求，為了確保電站能夠常年穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，既要加強(qiáng)日常維護(hù)檢測(cè)，又要利用高精度壽命診斷技術(shù)做好維護(hù)管理工作，無損檢測(cè)技術(shù)的重要性不容忽視[1]。在焊縫缺陷檢測(cè)、表征以及定量等較多方面，與脈沖回波以及射線等檢測(cè)技術(shù)相比，TOFD技術(shù)具有壓倒性的優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用于電站鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的檢測(cè)中意義顯著。

1 TOFD技術(shù)基本原理

超聲TOFD運(yùn)用雙探頭模式，探頭以縱波斜探頭為主，因此其主要衍射信號(hào)也是縱波，此類波形在固體中聲速最快，可先于其他信號(hào)到達(dá)接收探頭，校準(zhǔn)簡(jiǎn)單且方便，可簡(jiǎn)化處理接收信號(hào)波形，顯示圖形解釋。如圖1所示，利用TOFD技術(shù)測(cè)量缺陷時(shí)，如果被檢測(cè)物體完好無損，接收探頭接收到的波形數(shù)量?jī)H有2種：表面直波與底面回波；若被測(cè)物體內(nèi)部有缺陷存在，接收探頭接收到的波形數(shù)量會(huì)增加為4種：表面直波、地面回波與缺陷上下兩端位置衍射波。以增加的2種接收波為參考，進(jìn)行缺陷檢測(cè)具有很好的可行性及有效性。

圖1 TOFD技術(shù)檢測(cè)原理以及典型的A掃描信號(hào)

根據(jù)圖1可知，表面直通波和地面回波2種波形之間相位相反，被測(cè)元件缺陷上下2個(gè)端點(diǎn)的衍射波相位同樣相反[2]?？梢哉f在一定程度上，缺陷所處的實(shí)際位置會(huì)對(duì)直通波和缺陷上端點(diǎn)衍射波之間的傳播時(shí)間差產(chǎn)生影響，而其自身高度又會(huì)在一定程度上影響缺陷上下2個(gè)端點(diǎn)衍射波的傳播時(shí)間差，總的來說，衍射波的傳播時(shí)間會(huì)對(duì)它們產(chǎn)生決定性影響，信號(hào)波幅則并不會(huì)產(chǎn)生影響。

2 TOFD技術(shù)應(yīng)用于電站鍋爐鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)

以《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù)，針對(duì)一、二級(jí)鋼結(jié)構(gòu)焊縫，如果預(yù)判其內(nèi)部存在缺陷，進(jìn)行缺陷檢測(cè)工作時(shí)需要運(yùn)用無損檢測(cè)技術(shù)。從目前情況來看，在采用無損檢測(cè)技術(shù)執(zhí)行對(duì)鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的檢測(cè)任務(wù)時(shí)，應(yīng)將大板梁以及主立柱對(duì)接焊縫作為重點(diǎn)檢測(cè)方向，這種類型的焊縫表現(xiàn)出壁厚較大的特點(diǎn)，檢測(cè)工作對(duì)I型坡口自動(dòng)焊方式有更高的應(yīng)用率，檢測(cè)方法則以超聲波與射線檢測(cè)為主。根據(jù)表1檢測(cè)技術(shù)的比較，將TOFD技術(shù)應(yīng)用于鍋爐的鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)表現(xiàn)出了更突出的適用性。

表1 幾種檢測(cè)技術(shù)比較[3]

3 TOFD技術(shù)在電站鍋爐P92鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的具體應(yīng)用

P92鋼是鍋爐用鋼中的一種耐熱鋼種，具有強(qiáng)度高、可抵御高溫腐蝕和抵抗高溫氧化等優(yōu)勢(shì)[4]。為明確TOFD技術(shù)在電站鍋爐鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用效果，該文以P92鋼為例，對(duì)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行實(shí)例分析。

3.1 系統(tǒng)與設(shè)置

3.1.1 設(shè)備與軟件

運(yùn)用ISONIC雙通道超聲成像檢測(cè)系統(tǒng)、ISONCI Office離線分析軟件以及隨機(jī)配備的掃查設(shè)備和編碼器。

3.1.2 P92鋼檢測(cè)聲速設(shè)定

根據(jù)圖1所示的TOFD技術(shù)檢測(cè)原理，TOFD選用一對(duì)縱波斜探頭，該檢測(cè)試驗(yàn)將側(cè)向波信號(hào)作為基準(zhǔn)，材料的縱波聲速C以及兩探頭之間的距離2S為已知量，在此前提條件下，缺陷埋藏深度d可以通過側(cè)向波及衍射脈沖傳播時(shí)差求解得到，如公式（1）所示。

式中：d為缺陷埋藏深度；為側(cè)向波與衍射波脈沖傳播時(shí)差；C為材料縱波聲速；S為兩探頭之間的距離。

在求解缺陷上下2個(gè)端點(diǎn)的深度位置d上與d下后，可進(jìn)一步求解缺陷自身的高度h=h上-h下。根據(jù)公式（1），聲速大小會(huì)在很大程度上對(duì)材料缺陷深度的定位精度產(chǎn)生影響。而通常情況下，聲速的大小由材料密度ρ以及彈性模量E來決定。據(jù)此可以確定P92鋼縱波聲速的計(jì)算如公式（2）所示。

式中：CL為P92鋼縱波聲速；ρ為材料密度；E為彈性模量；μ為空氣分子的摩爾質(zhì)量。

通過查閱相關(guān)資料，在室溫條件下，P92各項(xiàng)指標(biāo)值分別為E=1.91×105MPa；ρ=7850kg/m3；μ=0.28。進(jìn)一步將這些數(shù)據(jù)代入公式（2），則有CL=5577m/s。

3.1.3 探頭對(duì)的選擇和布置

選用標(biāo)稱頻率相同以及晶片尺寸相等的一對(duì)縱波斜探頭，一個(gè)探頭用來發(fā)射信號(hào)，另一個(gè)則用來接收信號(hào)，采用對(duì)稱方式將它們放在鋼結(jié)構(gòu)焊縫的兩側(cè)。參照EN14751標(biāo)準(zhǔn)，以鋼結(jié)構(gòu)厚度為依據(jù)確定探頭的角度、中心頻率以及晶片尺寸等幾項(xiàng)重要指標(biāo)。針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)厚度在50mm～100mm之間的環(huán)形焊縫，需要開通2個(gè)TOFD通道執(zhí)行分層檢測(cè)任務(wù)，并以探頭角度和聲束聚焦位置為依據(jù)，將探頭間距確定下來。

3.1.4 靈敏度設(shè)定

在工件上沒有缺陷的位置放置探頭，對(duì)直通波的高度進(jìn)行調(diào)整，讓其覆蓋屏幕的40%～80%。在執(zhí)行分層檢測(cè)任務(wù)時(shí)，第二通道因無直通波存在，可對(duì)底波信號(hào)進(jìn)行滿屏高的設(shè)置，之后將靈敏度提升18dB～30dB，為了保證能檢測(cè)所有的焊縫體積，前后兩通道之間應(yīng)有重疊，并保證重疊區(qū)域不少于25mm。針對(duì)各通道檢測(cè)區(qū)域，可用閘門將其中某一雜波信號(hào)套住，以此完成設(shè)定任務(wù)。

3.2 TOFD圖像分析

3.2.1 沒有判廢缺陷焊縫的TOFD圖像

基于TOFD檢測(cè)原理，在沒有缺陷存在的位置，接收探頭先接收直通波，之后執(zhí)行對(duì)底面回波的接收任務(wù)。TOFD可以對(duì)A掃描結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)化，用灰譜級(jí)圖像進(jìn)行表示，由此一來，直通波與底波可以用連續(xù)的多周期條狀灰譜圖像來表示，它們之間的初始相位具有相反性。在Φ699mm×45mm P92型站用鍋爐鋼結(jié)構(gòu)沒有缺陷存在，A掃描波形以及對(duì)應(yīng)的TOFD圖像如圖2所示。在該圖中，橫坐標(biāo)表示編碼器走過的距離，縱坐標(biāo)則表示時(shí)間。如果有缺陷存在，直通波與底波之間會(huì)顯示缺陷上下端衍射信號(hào)變換的多周期條狀灰譜。有一點(diǎn)需要強(qiáng)調(diào)，因?yàn)镻92鋼結(jié)構(gòu)采用多層多道焊方式，若層與層之間存在打磨不干凈的問題，用TOFD技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)結(jié)果會(huì)有一定數(shù)量的點(diǎn)狀缺陷，表現(xiàn)出拋物線的特征，這種缺陷通過拋物線的光標(biāo)測(cè)量長(zhǎng)度，通常小于5mm，按照ASME2235-8規(guī)定，無須對(duì)這些缺陷進(jìn)行記錄，對(duì)密集性氣孔，則表現(xiàn)為多條拋物線的疊加。

圖2 Φ699mm×45mm P92型站用鍋爐鋼結(jié)構(gòu)無判廢缺陷焊縫的TOFD圖像

3.2.2 裂紋

Φ508mm×45mm P92型站用鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的裂紋缺陷TOFD圖像特征與實(shí)際缺陷如圖3所示。在該圖中，焊縫挖開之后缺陷的形狀表現(xiàn)為斷續(xù)形狀的縱向裂紋。與點(diǎn)狀缺陷相比，裂紋尖端會(huì)發(fā)出比較強(qiáng)的衍射信號(hào)。因?yàn)榱鸭y表現(xiàn)出斷續(xù)狀的特點(diǎn)，所以會(huì)有多個(gè)衍射信號(hào)產(chǎn)生，在圖像上表現(xiàn)出密集性的拋物線信號(hào)特征，運(yùn)營(yíng)TOFD自帶軟件的運(yùn)用能夠測(cè)量缺陷高度以及長(zhǎng)度。

圖3 裂紋缺陷TOFD圖像特征與實(shí)際缺陷比較示意圖

3.2.3 未熔合

Φ699mm×43mm站用鍋爐鋼結(jié)構(gòu)未熔合缺陷A掃描波形以及對(duì)應(yīng)的TOFD檢測(cè)圖譜如圖4所示。根據(jù)圖4可知，未熔合類缺陷會(huì)表現(xiàn)出一定長(zhǎng)度的條狀特征，不僅如此，黑白相位還非常明顯。因?yàn)槲慈酆辖?jīng)常會(huì)表現(xiàn)出一定體積的長(zhǎng)條形狀，導(dǎo)致接收探頭接收到的是單一的反射信號(hào)，信號(hào)的強(qiáng)度比較大，和點(diǎn)狀缺陷之間有較為明顯的不同，易于區(qū)分。

圖4 Φ699mm×45mmP92型站用鍋爐鋼結(jié)構(gòu)未熔合TOFD圖像

因?yàn)樵撲摻Y(jié)構(gòu)采用自動(dòng)焊接的方式，會(huì)受到焊接工藝參數(shù)控制不合理這一因素的影響，所以同一層焊縫上存在斷續(xù)狀未熔合缺陷。對(duì)側(cè)壁未熔合，已有學(xué)者對(duì)其作過研究，指出其會(huì)更多出現(xiàn)在焊縫的中上部位置，上端有一部分信號(hào)會(huì)被側(cè)向波埋藏，其他則與未熔合的特征有一定的相似性。

3.2.4 表面與底面開口缺陷

為了進(jìn)一步對(duì)TOFD表面以及底面盲區(qū)的大小進(jìn)行驗(yàn)證，該文以EN14751綜合靈敏度評(píng)定試塊做參照，可以得到加工試件尺寸以及表面與底面開口缺陷試塊的TOFD檢測(cè)結(jié)果。

根據(jù)試塊上表面檢測(cè)將直通波移除之后的TOFD圖像，φ2mm側(cè)邊孔沒有被檢測(cè)出來，即使移除直通波，缺陷特征依舊不明顯。與之對(duì)應(yīng)的，其他3個(gè)側(cè)邊孔均表現(xiàn)出明顯的反射特征，成像清晰，意味著該儀器的表面盲區(qū)大于5mm。另外，根據(jù)試塊下表面檢測(cè)的TOFD圖像，4個(gè)側(cè)邊孔的成像均清晰，意味著儀器的底面盲區(qū)小于2mm，且儀器底面盲區(qū)較之表面盲區(qū)而言要更小。因?yàn)镻92鋼結(jié)構(gòu)有較為明顯的淬硬傾向，在焊接作業(yè)完成以后，若熱處理不及時(shí)，便容易出現(xiàn)表面冷裂紋，TOFD并不能對(duì)這一缺陷進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)。因此針對(duì)P92型站用鍋爐鋼結(jié)構(gòu)，在利用TOFD技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)之時(shí)，還需要與磁粉檢測(cè)進(jìn)行配合，才能更加高效地發(fā)現(xiàn)表面裂紋。

4 結(jié)語(yǔ)

該文以電站鍋爐為對(duì)象，在對(duì)其鋼結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行檢測(cè)之時(shí)，TOFD技術(shù)表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，在得到具體的檢測(cè)結(jié)果以后，可以借助計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)生成并顯示這一結(jié)果。該文通過具體案例研究TOFD技術(shù)在站用鍋爐鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用，即在利用TOFD技術(shù)執(zhí)行對(duì)P92型鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的檢測(cè)任務(wù)時(shí)，為了達(dá)到精確定位缺陷位置的目的，系統(tǒng)設(shè)置過程中需要保證材料聲速輸入的準(zhǔn)確性。根據(jù)對(duì)幾種P92鋼TOFD檢測(cè)典型缺陷的分析可知，點(diǎn)狀缺陷和裂紋表現(xiàn)出拋物線的特點(diǎn)，同時(shí)裂紋有比較強(qiáng)的衍射信號(hào)，未熔合則是反射信號(hào)，表現(xiàn)出條狀特征，黑白相位比較明顯。另外，TOFD檢測(cè)技術(shù)在P92型站用鍋爐鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用存在表面以及底面檢測(cè)盲區(qū)，表面盲區(qū)較之底面盲區(qū)更大。為了保證P92型鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的焊縫缺陷被完全檢測(cè)出來，需要在其中添加表面磁粉來檢測(cè)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來看，TOFD技術(shù)不僅可靠性高，自動(dòng)化水平亦非常理想，可以作為一個(gè)重要的檢測(cè)手段高效地應(yīng)用于電站鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的檢測(cè)中。