壓力容器焊縫TOFD檢測的關(guān)鍵影響因素研究*

于鵬祖，趙志強(qiáng)，劉 祎，張鵬林

(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；3.蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

TOFD技術(shù)(即衍射時(shí)差法超聲檢測技術(shù)，簡稱“TOFD”)是超聲波檢測技術(shù)新方向。它是利用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，同時(shí)在兩端點(diǎn)處發(fā)生衍射的現(xiàn)象，而缺陷兩端的衍射信號(hào)指向性不明顯，這使該法對(duì)缺陷邊界的靈敏度很高[1]。因此，TOFD技術(shù)憑借比常規(guī)超聲波檢測更高的精準(zhǔn)度和可靠性，被國內(nèi)壓力容器制造企業(yè)廣泛引進(jìn)和推廣應(yīng)用[2-3]。

在實(shí)際大型容器焊接結(jié)構(gòu)的TOFD檢測中，由于場內(nèi)人員、設(shè)備、工序、工種等交互作業(yè)，TOFD檢測易出現(xiàn)雜波干擾、缺陷信號(hào)失真、圖像斷幀顯示等問題，特別是厚壁容器焊縫檢測，缺陷波幅度不可避免地降低[4]。TOFD技術(shù)在特殊結(jié)構(gòu)和復(fù)雜環(huán)境中的適應(yīng)性仍受多方因素的限制[5]，所采集數(shù)據(jù)無效返工的情況時(shí)有發(fā)生，造成額外增加人力、耗材、工期等，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的提升。因此，在壓力容器焊縫檢測中應(yīng)用TOFD技術(shù)，并不斷提升檢測效率和檢測質(zhì)量，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[6]。

針對(duì)本地區(qū)重點(diǎn)工業(yè)企業(yè)使用TOFD技術(shù)檢測焊縫易出現(xiàn)無效數(shù)據(jù)，導(dǎo)致無法正常評(píng)圖、檢測效率低等實(shí)際問題，項(xiàng)目組從“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測”等方面入手，采用案例調(diào)查和圖譜抽查統(tǒng)計(jì)分析的方式，重點(diǎn)研究影響壓力容器焊縫TOFD檢測效率和質(zhì)量的關(guān)鍵因素，為進(jìn)一步優(yōu)化檢測工藝，探索質(zhì)量提升路徑奠定基礎(chǔ)。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

為了解實(shí)際情況，項(xiàng)目組抽取生產(chǎn)工作量相對(duì)平穩(wěn)的1月份進(jìn)行四周的焊縫TOFD檢測圖譜質(zhì)量調(diào)研，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)整體一次成圖率為89%，這與相關(guān)檢測方法(如射線照相法成片率可達(dá)98%)存在差距。但在對(duì)其他月份調(diào)研中發(fā)現(xiàn)成圖率存在波動(dòng)性變化，而且曾出現(xiàn)過一次成圖率為97.5%的歷史最高水平。

為進(jìn)一步探索影響焊縫TOFD檢測成圖率的影響因素，項(xiàng)目組對(duì)1月份四周抽查的圖譜數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行復(fù)評(píng)確認(rèn)，并將確定的廢圖按照焊縫類型和探頭通道類型做分層分類統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)其中縱縫問題為91%，環(huán)縫問題為9%。為進(jìn)一步找到問題癥結(jié)，對(duì)該月四周的縱縫廢圖做了分層統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)顯示1通道圖譜為66%，2通道圖譜6%，3通道圖譜28%。其中1通道和3通道圖譜廢圖率總和占到了94%，是導(dǎo)致焊縫TOFD檢測一次成圖率低的主要問題所在。通過調(diào)查研究表明，解決壓力容器焊縫TOFD檢測成圖率低的問題，1、3通道的縱縫問題是癥結(jié)所在。經(jīng)過推算，表明解決好94%的問題，檢測一次成圖率就可以達(dá)到98%的水平，將顯著提升檢測效率。如圖1所示為焊縫TOFD三通道檢測掃查示意圖。

圖1 TOFD三通道檢測掃查示意圖(每對(duì)探頭為1個(gè)通道，按一收一發(fā)模式聚焦特定深度范圍材料，將焊縫在厚度方向分三層掃查)

2 原因分析

為了進(jìn)一步研究問題癥結(jié)的根本原因，確定影響一次成圖率的關(guān)鍵因素，項(xiàng)目組首先組織檢測技術(shù)、檢測操作、數(shù)據(jù)評(píng)圖方面的相關(guān)人員，結(jié)合日常檢測實(shí)際問題，采用頭腦風(fēng)暴的方式，圍繞問題癥結(jié)展開充分討論。重點(diǎn)從“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測”六方面，列舉出所有可能造成問題癥結(jié)的原因，初步梳理出16個(gè)關(guān)鍵詞，并按照直接因素和間接因素的層次，繪制出了影響焊縫TOFD檢測圖譜質(zhì)量的關(guān)聯(lián)圖，如圖2所示。其中1、3通道檢測成圖率低是問題癥結(jié)，圖譜無法離線轉(zhuǎn)化、高度覆蓋不足、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7個(gè)方面因素是直接影響因素，檢測儀系統(tǒng)故障、操作指導(dǎo)書不完善、相鄰區(qū)域交叉作業(yè)、現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)無采圖說明、探頭移動(dòng)區(qū)表面粗糙度過低(重點(diǎn)關(guān)注Ra低于12.5 μm的情況)、掃查器與工件曲率不一致、探頭線接頭虛連、人員培訓(xùn)不到位等8個(gè)方面是影響檢測圖譜質(zhì)量的末端因素。

圖2 影響因素關(guān)聯(lián)圖

3 關(guān)鍵因素研究

圍繞檢測日常工作，對(duì)影響檢測質(zhì)量水平的“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測”等六方面共8個(gè)末端因素進(jìn)行分析，除“標(biāo)準(zhǔn)無明確的采圖說明”能明確為不可抗因素外，其余7個(gè)方面都有可能通過一定的措施改善和消除。為了探索出具有普遍使用意義和工程價(jià)值的質(zhì)量提升路徑，項(xiàng)目組對(duì)其余7個(gè)末端影響因素進(jìn)行了周期性和常態(tài)化的跟蹤統(tǒng)計(jì)、對(duì)比、分析，并對(duì)壓力容器焊縫TOFD檢測的“關(guān)鍵影響因素”進(jìn)行研究和確認(rèn)。

3.1 檢測儀系統(tǒng)故障

為了深入分析檢測儀器系統(tǒng)狀況，項(xiàng)目組在設(shè)備購入、定期校準(zhǔn)、運(yùn)行核查等方面進(jìn)行了全面分析研究。其中年度校準(zhǔn)針對(duì)的是設(shè)備一年的使用耗損，進(jìn)行全面檢查和測定儀器系統(tǒng)性能的監(jiān)管性工作，而日常運(yùn)行核查能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)歷次系統(tǒng)故障記錄的細(xì)節(jié)情況。對(duì)這兩類記錄的調(diào)查研究，能全面掌握檢測儀器系統(tǒng)的真實(shí)情況。首先，項(xiàng)目組按校準(zhǔn)周期和運(yùn)行核查安排深入調(diào)查了儀器在使用過程中的實(shí)際記錄，包括“TOFD儀器年度校準(zhǔn)報(bào)告”和“TOFD儀器性能核查報(bào)告”等階段性和過程性資料。發(fā)現(xiàn)年度校準(zhǔn)情況和運(yùn)行核查記錄均詳細(xì)、清晰、齊全，且核查校準(zhǔn)記錄及時(shí)跟進(jìn)，符合設(shè)備日常管理維護(hù)的規(guī)范和要求。其次，為了從設(shè)備源頭進(jìn)一步判斷該問題的影響程度，調(diào)查了“設(shè)備開箱檢查記錄單”“設(shè)備試車和性能驗(yàn)收記錄單”“設(shè)備移交驗(yàn)收表”等記錄。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，儀器購進(jìn)入廠驗(yàn)收記錄齊全，設(shè)備入廠狀態(tài)完好正常。因此“檢測儀系統(tǒng)故障”對(duì)“1通道和3通道一次成圖率低”這個(gè)末端因素影響概率非常小，可以確定檢測儀器系統(tǒng)故障不是關(guān)鍵影響因素。

3.2 操作指導(dǎo)書不完善

采用資料調(diào)查和現(xiàn)場測量法，從兩個(gè)方面核查檢測操作指導(dǎo)書內(nèi)容的完整性和科學(xué)性：①操作指導(dǎo)書內(nèi)容的實(shí)用性和工藝的邏輯性分析。發(fā)現(xiàn)在選擇探頭之后，無高度覆蓋驗(yàn)算方法、時(shí)間窗口設(shè)置流程及其注意事項(xiàng)等相關(guān)內(nèi)容。這對(duì)操作人員使用帶來很大不便，特別是失去了統(tǒng)一的規(guī)范性約束，人員對(duì)內(nèi)容和過程的理解也呈差異化。因此，計(jì)算方法和窗口設(shè)置的正確性、合理性對(duì)圖譜一次成功率的影響更不穩(wěn)定。所以，這個(gè)問題是操作指導(dǎo)書的程序性漏洞，可能是重要的關(guān)鍵影響因素；②為了進(jìn)一步研究確認(rèn)“操作指導(dǎo)書不完善”對(duì)圖譜質(zhì)量的影響程度。經(jīng)過對(duì)多種典型厚度容器實(shí)際焊縫上時(shí)間窗口的設(shè)置值和圖譜分析值的差異比對(duì)，發(fā)現(xiàn)原來給出的設(shè)置值存在科學(xué)性漏洞。以某158 mm厚容器焊縫TOFD檢測為例，進(jìn)行探頭選擇、高度覆蓋驗(yàn)算和時(shí)間窗口設(shè)置等操作。發(fā)現(xiàn)按照操作指導(dǎo)書選擇的探頭，經(jīng)高度覆蓋驗(yàn)算，1通道下覆蓋和3通道上覆蓋分別為32.9 mm、75.1 mm，理論上滿足覆蓋，但在實(shí)際焊縫上設(shè)置時(shí)間窗口時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)如果按照計(jì)算值直接輸入，則在圖譜評(píng)判時(shí)發(fā)現(xiàn)1通道下覆蓋和3通道上覆蓋分別為30.9 mm(差0.7 mm)、84.6 mm(差5.6 mm)，不滿足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)探頭覆蓋的要求。表1所列為厚度150 mm的容器焊縫TOFD檢測分層計(jì)算參數(shù)表。

表1 TOFD檢測分層計(jì)算參數(shù)表

因此，原有操作指導(dǎo)書只能簡單給出理想的理論計(jì)算值，無高度覆蓋的驗(yàn)算，也沒有說明在實(shí)際檢測中時(shí)間窗口輸入時(shí)的誤差調(diào)整，存在科學(xué)性漏洞。因此，“操作指導(dǎo)書不完善”造成的工藝參數(shù)性問題，對(duì)一次成圖率影響程度大，是影響檢測質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

3.3 探頭移動(dòng)區(qū)表面粗糙度過大

TOFD標(biāo)準(zhǔn)要求檢測工件表面粗糙度不低于12.5 μm。一般冷軋鋼板表面粗糙度Ra可達(dá)到3.2 μm左右，熱軋的表面粗糙度Ra一般在6.3 μm～12.5 μm范圍內(nèi)。而壓力容器用鋼板一般表面粗糙度Ra不低于6.3 μm(甚至不低于3.2 μm)等。按照規(guī)定方式打磨后表面粗糙度Ra一般在0.8 μm～1.6 μm范圍內(nèi)。按照入廠產(chǎn)品供貨狀態(tài)和質(zhì)量文件可以保證初始表面粗糙度滿足檢測要求。

為了研究焊縫兩側(cè)表面清理實(shí)際粗糙度問題，文中采用工程上常用的“比較法”進(jìn)行表面粗糙度測量。這種利用試塊表面狀態(tài)下的視覺和觸覺情況判斷和比較表面粗糙度的方法簡單且效率高。項(xiàng)目組以TOFD檢測對(duì)比試塊焊縫兩側(cè)鋼板表面為參考(為鋼板原始表面，粗糙度Ra大約為3.2 μm)，對(duì)所抽查問題圖譜所在焊縫兩側(cè)進(jìn)行全面檢查記錄。為了避免因主觀因素引起判斷結(jié)果的差異，項(xiàng)目組組織至少3人進(jìn)行了3輪焊縫兩側(cè)掃查區(qū)粗度判定。測量表明，所有探頭移動(dòng)區(qū)都是在原有鋼板表面進(jìn)行了焊后清理性打磨，除存在個(gè)別由于機(jī)械原因造成的劃傷和打磨過渡問題以外，表面粗糙度Ra都不低于3.2 μm水平。

為了進(jìn)一步判斷不同直徑大小的凹坑對(duì)檢測圖像質(zhì)量的影響程度，對(duì)發(fā)現(xiàn)的5處表面典型凹坑(約φ2 mm、φ4 mm、φ6 mm、φ8 mm、φ10 mm)和5處砂輪修磨不當(dāng)(砂輪磨痕深淺不一)的部位，進(jìn)行表面狀況觀察和圖譜特征分析。表2所列為掃查面狀況和圖譜信號(hào)問題特征。

表2 表面凹坑狀況及圖譜信號(hào)比較

分析研究表明，該類問題均會(huì)100%影響直通波和底波狀態(tài)，且對(duì)圖譜質(zhì)量影響很大。但是，此類凹坑類表面狀態(tài)通?？扇庋圩R(shí)別，通過檢查人員和檢測人員兩撥工序的監(jiān)督，基本能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并向相關(guān)焊接人員反饋，立即做出相應(yīng)的修磨處理。掃查表面粗糙度超標(biāo)和凹坑導(dǎo)致的圖譜質(zhì)量問題頻率很低，對(duì)TOFD圖譜一次成圖率影響小。

3.4 相鄰區(qū)域交叉作業(yè)

針對(duì)無效圖譜中電信號(hào)干擾大，A掃信號(hào)波幅超過80%，以及D掃圖像特征信號(hào)雜亂衍射波紋的情況。項(xiàng)目組對(duì)檢測現(xiàn)場經(jīng)常出現(xiàn)的天車經(jīng)過、轉(zhuǎn)胎運(yùn)行、電弧氣刨等實(shí)際工況，對(duì)現(xiàn)場實(shí)際焊縫進(jìn)行環(huán)境和圖譜信號(hào)的動(dòng)態(tài)檢測，如圖3所示，發(fā)現(xiàn)當(dāng)天車經(jīng)過1次或者轉(zhuǎn)胎轉(zhuǎn)動(dòng)1下時(shí)均會(huì)100%產(chǎn)生信號(hào)干擾，焊接、電弧氣刨時(shí)，每作業(yè)1下就會(huì)在屏幕上產(chǎn)生1次干擾信號(hào)。這種情況在日常焊縫檢測中很難被檢測一線操作人員所發(fā)現(xiàn)，使得失效圖譜流轉(zhuǎn)到后期評(píng)圖時(shí)才被發(fā)現(xiàn)，造成一次成圖率下降和返工。

圖3 轉(zhuǎn)胎通電運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)檢測信號(hào)的影響 圖4 直桿掃查架實(shí)際檢測試驗(yàn)

經(jīng)過多次實(shí)地檢測監(jiān)測和可控變量試驗(yàn)，均重復(fù)性顯示天車通過、轉(zhuǎn)胎轉(zhuǎn)動(dòng)、焊接施工、電弧氣刨等與雜波信號(hào)有一致的對(duì)應(yīng)關(guān)系，干擾性變量重復(fù)次數(shù)與儀器屏幕上產(chǎn)生干擾信號(hào)的頻次相對(duì)應(yīng)。因此，“相鄰區(qū)域交叉作業(yè)”對(duì)焊縫一次成圖率”的影響程度大，是造成圖譜質(zhì)量下降的關(guān)鍵影響因素。

3.5 掃查器與工件曲率差異

項(xiàng)目組對(duì)直桿掃查架與曲率縱縫進(jìn)行匹配性檢查，發(fā)現(xiàn)都存在不同程度的曲率差異，直徑越小差異越大，曲率差異越大，出現(xiàn)信號(hào)丟失、斷幀、表面波多周期反射等問題越多。初步判斷直桿掃查架與檢測面曲率不匹配，會(huì)導(dǎo)致耦合不良，造成圖譜質(zhì)量下降。

為進(jìn)一步判斷曲率因素對(duì)圖譜質(zhì)量的影響程度，項(xiàng)目組選取不同曲率工件進(jìn)行分曲率直桿掃查試驗(yàn)。圖4為檢測人員對(duì)直桿曲率縱縫進(jìn)行TOFD檢測試驗(yàn)。典型曲率的選取根據(jù)企業(yè)承制的3種典型曲率容器設(shè)備的規(guī)格設(shè)置，如圖5所示。

圖5(a)為φ800 mm換熱器縱縫1A(規(guī)格為L1 490×44 mm)的圖譜；(b)為φ1 200 mm計(jì)量分離器，縱縫1A(規(guī)格為L2 000×42 mm)的圖譜；(c)為φ2 200 mm高壓分離器，縱縫1A(規(guī)格為L2 800×86 mm)的圖譜。試驗(yàn)表明，直桿掃查架與工件曲率差異越大，信號(hào)丟失越嚴(yán)重。表明“掃查器與工件曲率差異”對(duì)TOFD檢測的一次成圖率影響很大，是影響圖譜質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

圖5 三種典型曲率容器縱縫圖譜信號(hào)對(duì)比

3.6 探頭虛連

為測試探頭虛連引起的圖譜信號(hào)丟失問題，對(duì)本來完好的檢測線進(jìn)行虛連處理，并對(duì)圖譜上的缺陷信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析。發(fā)現(xiàn)單根線虛連時(shí)，圖譜出現(xiàn)A掃信號(hào)丟失和雜亂信號(hào)，D掃圖像為密集黑線。兩根線同時(shí)虛連時(shí)，圖譜A掃信號(hào)嚴(yán)重丟失，幾乎無法成圖。通過對(duì)以往失效圖譜的分析研究，此類現(xiàn)象在以往失效圖譜中幾乎沒有。這表明探頭線虛連對(duì)圖譜的影響雖然明顯、很大，但得益于設(shè)備管理和操作程序在檢測作業(yè)前、中、后的閉環(huán)設(shè)計(jì)，基本確保了操作人員能在第一時(shí)間識(shí)別和消除此類問題。表明“探頭虛連”不是影響一次成圖率的關(guān)鍵因素。

3.7 人員培訓(xùn)

通過資料調(diào)查和人員訪談，發(fā)現(xiàn)企業(yè)每月開展一次全體培訓(xùn)，一次專題培訓(xùn)，且每月培訓(xùn)學(xué)時(shí)均超過6學(xué)時(shí)，每次采圖之前，檢測技術(shù)人員都會(huì)對(duì)操作人員給予指導(dǎo)，對(duì)TOFD工藝規(guī)程的培訓(xùn)符合企業(yè)質(zhì)控要求。項(xiàng)目組通過觀察、詢問操作者的作業(yè)習(xí)慣，查看核對(duì)質(zhì)量管理記錄，發(fā)現(xiàn)沒有發(fā)生探頭線、楔塊、探頭等裝錯(cuò)接錯(cuò)問題，也未出現(xiàn)過工藝執(zhí)行不到位和個(gè)人作業(yè)不規(guī)范的記錄。在對(duì)現(xiàn)場檢測工作進(jìn)行抽查性工藝監(jiān)督檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)操作人員在現(xiàn)場采圖過程中，能夠?qū)Ｗ⒈O(jiān)測屏幕。若信號(hào)丟失，他們會(huì)在第一時(shí)間退回重掃，能有效避免大面積信號(hào)丟失狀況的發(fā)生。表明 “人員培訓(xùn)不到位”不是影響一次成圖率的關(guān)鍵因素。

4 結(jié) 論

通過全面系統(tǒng)的分析研究，表明“操作指導(dǎo)書不完善”“相鄰區(qū)域交叉作業(yè)”“掃查器與工件曲率差異”等三個(gè)方面因素是影響超聲TOFD技術(shù)在焊縫檢測中的關(guān)鍵因素。解決好這三方面的問題，將顯著提升圖譜質(zhì)量和效率。建議從以下三個(gè)方面進(jìn)行解決辦法的探索。

(1) 推導(dǎo)和設(shè)計(jì)典型高度覆蓋驗(yàn)算過程及表達(dá)式，結(jié)合實(shí)際編制時(shí)間窗口設(shè)置說明，將以上內(nèi)容加入操作指導(dǎo)書。及時(shí)開展專項(xiàng)技術(shù)培訓(xùn)，并在周、月度質(zhì)量會(huì)議上重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)要領(lǐng)，保證專項(xiàng)培訓(xùn)和會(huì)議時(shí)間。建議專項(xiàng)培訓(xùn)不少于90 min，月度質(zhì)量專題會(huì)議不少于10 min，周例會(huì)不少于5 min。

(2) 研判現(xiàn)場環(huán)境，及時(shí)避開天車經(jīng)過時(shí)段和轉(zhuǎn)胎轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)段，避免與焊接、氣刨等工序交叉作業(yè)?？山Y(jié)合因素影響方式和檢測工作實(shí)際，編寫影響TOFD圖譜質(zhì)量的現(xiàn)場環(huán)境因素清單及應(yīng)對(duì)措施方案，使檢測人員能夠100%識(shí)別現(xiàn)場環(huán)境因素，正確做出應(yīng)對(duì)措施，消除不利影響。

(3) 設(shè)計(jì)制作曲率可調(diào)節(jié)的專用檢測掃查架?？赏ㄟ^自主設(shè)計(jì)、設(shè)備商配合、相關(guān)部門施工的方式，制作開發(fā)能匹配企業(yè)大宗產(chǎn)品各曲率類型的曲率掃查架，消除因曲率不匹配引起的耦合性圖譜質(zhì)量下降問題。