TOFD檢測(cè)方法在水利水電工程焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用

吳春雷，李令闖，隋 偉，徐 爽

(1.貴州興盛建設(shè)集團(tuán)有限公司，貴州 畢節(jié) 551700；2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130061)

1 概 述

1.1 TOFD檢測(cè)技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用發(fā)展情況

TOFD技術(shù)原理為超聲波衍射現(xiàn)象，采用一發(fā)一收兩個(gè)寬帶窄脈沖探頭進(jìn)行檢測(cè)。發(fā)射探頭產(chǎn)生非聚焦縱波波束以一定角度入射到被檢工件中，其中部分波束沿近表面?zhèn)鞑ケ唤邮仗筋^接收，部分波束經(jīng)底面反射后被探頭接收。接收探頭通過(guò)接收缺陷尖端的衍射信號(hào)及其時(shí)差來(lái)確定缺陷的位置和自身高度。相比于傳統(tǒng)的UT超聲波脈沖反射法和RT射線(xiàn)檢測(cè)法，TOFD檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)效率高、缺陷檢出率高、對(duì)缺陷垂直方向的定量和定位更準(zhǔn)確、缺陷判讀更加直觀等優(yōu)勢(shì)。

從20世紀(jì)90年代起，TOFD檢測(cè)技術(shù)在國(guó)外逐步應(yīng)用于石化、電力等行業(yè)的承壓設(shè)備焊接接頭質(zhì)量檢測(cè)。21世紀(jì)初，我國(guó)開(kāi)始逐步應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，到2005年中科院武漢中科創(chuàng)新研發(fā)出第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)TOFD專(zhuān)用檢測(cè)設(shè)備。之后我國(guó)壓力容器行業(yè)開(kāi)始引用TOFD檢測(cè)技術(shù)，并進(jìn)行全面推廣。

近些年隨著我國(guó)水利水電工程的蓬勃發(fā)展，TOFD無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50766—2012)中已將TOFD檢測(cè)列入焊縫無(wú)損檢測(cè)常規(guī)方法。近些年我國(guó)已建成或在建的抽水蓄能電站工程中，部分項(xiàng)目已將TOFD檢測(cè)方法代替RT射線(xiàn)檢測(cè)，如洪屏、敦化、豐寧、阜康等抽水蓄能電站工程中TOFD與UT成為主要的焊縫內(nèi)部探傷方法。

1.2 TOFD圖譜數(shù)據(jù)有效性

在TOFD評(píng)圖之前應(yīng)檢查數(shù)據(jù)的有效性，為達(dá)到檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效性，應(yīng)滿(mǎn)足以下要求[1]。

(1) 檢測(cè)參數(shù)：主要是PCS的設(shè)置和楔塊角度的選擇應(yīng)滿(mǎn)足相應(yīng)檢測(cè)規(guī)范的要求。

(2) 顯示長(zhǎng)度應(yīng)與實(shí)際掃查長(zhǎng)度一致，主要通過(guò)對(duì)編碼器進(jìn)行校準(zhǔn)來(lái)保證。

(3)掃查靈敏度應(yīng)滿(mǎn)足：直通波滿(mǎn)屏40%～80%波高，若直通波不適合應(yīng)采用底波達(dá)到滿(mǎn)屏80%再提高20～32 dB，若以上皆不可用可將材料的晶粒噪聲設(shè)定為滿(mǎn)屏波高的5%～10%作為檢測(cè)靈敏度。

(4)數(shù)據(jù)丟失及耦合穩(wěn)定性應(yīng)滿(mǎn)足：掃查數(shù)據(jù)丟失不應(yīng)超過(guò)5%且不能有連續(xù)丟失。

(5) 時(shí)間窗口設(shè)置應(yīng)滿(mǎn)足相應(yīng)規(guī)范的要求，尤其是分區(qū)掃查時(shí)，應(yīng)確認(rèn)相鄰分區(qū)時(shí)間窗口的設(shè)置是否有覆蓋。

1.3 典型的TOFD圖譜介紹

對(duì)TOFD圖譜的分析包括定性分析和定量分析，定性分析為根據(jù)缺陷的顯示特征區(qū)分缺陷為何種型式，定性分析需要檢測(cè)人員有豐富的評(píng)圖經(jīng)驗(yàn)，定量分析需要確定缺陷的位置、顯示長(zhǎng)度、自身高度等信息。常見(jiàn)的缺陷顯示圖譜如圖1～圖4所示。

圖1所示的缺陷為氣孔，產(chǎn)生的原因主要包括焊材不良、焊接電流過(guò)大、焊接速度過(guò)快、氣體保護(hù)不周密等。單個(gè)氣孔的圖像通常呈拋物線(xiàn)形，信號(hào)圖像尾部向底面墜落，通常無(wú)法明顯分辨上、下端點(diǎn)信號(hào)，上部反射信號(hào)較強(qiáng)，得不到衍射信號(hào)，只有下部的回波是衍射產(chǎn)生的[2]。單個(gè)氣孔一般不記錄在報(bào)告中，根據(jù)(承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第10部分:衍射時(shí)差法超聲檢測(cè))NB/T 47013.10—2015規(guī)范規(guī)定，如果存在密集型氣孔，則需按照條狀缺陷顯示評(píng)判。

圖2所示的缺陷為夾渣，產(chǎn)生的原因主要包括前層焊渣清除不徹底、焊接電流過(guò)小、焊接速度過(guò)慢、焊條或焊絲擺弧不當(dāng)?shù)?。夾渣上、下端點(diǎn)一般無(wú)法分辨，呈弧形，上端點(diǎn)信號(hào)較強(qiáng)，有明顯的亮點(diǎn)。條狀?yuàn)A渣往往會(huì)斷成幾節(jié)，圖像黑白對(duì)比較為鮮明[2]。

圖3所示的缺陷為未熔合，未熔合指焊縫金屬和母材之間或焊縫金屬之間未熔化結(jié)合在一起的缺陷，產(chǎn)生的原因主要包括焊接電流過(guò)小、焊接速度過(guò)快、焊條角度不當(dāng)、母材表面有氧化物影響熔敷金屬與母材間的熔化結(jié)合、焊接處于下坡焊位置導(dǎo)致母材未熔化時(shí)已被鐵水覆蓋等。未熔合上、下端點(diǎn)信號(hào)較規(guī)則，圖譜一般成較直或光滑過(guò)渡的主線(xiàn)，在主線(xiàn)上側(cè)或下側(cè)一般會(huì)伴有相位相反的不規(guī)則狀線(xiàn)組(拋物線(xiàn)狀或不連續(xù)的小段)雜散信號(hào)較少[2]。

圖4所示的缺陷為裂紋，裂紋是對(duì)焊縫危害最大的缺陷，產(chǎn)生的原因主要包括母材碳元素及其他合金元素含量過(guò)高、焊材品質(zhì)不良、熱處理不當(dāng)導(dǎo)致焊縫冷卻過(guò)快、焊縫拘束應(yīng)力過(guò)大等。裂紋一般有一定的自身高度，可區(qū)分上、下端點(diǎn)，焊接產(chǎn)生的裂紋上、下端點(diǎn)一般不太規(guī)則，上、下端點(diǎn)之間有些雜散信號(hào)，一般裂紋下端點(diǎn)衍射信號(hào)強(qiáng)于上端點(diǎn)。兩端和主線(xiàn)有時(shí)伴有不規(guī)則的拋物線(xiàn)組[2]。

圖1 氣孔

圖2 夾渣

圖3 未熔合

圖4 裂紋

2 某工程實(shí)踐中幾種特殊圖譜的分析

在某抽水蓄能電站工程壓力容器檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)幾種較難判定的圖譜，對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不足的檢測(cè)人員，容易引起誤判，在此列出工程實(shí)踐中比較典型的幾種圖譜進(jìn)行分析探討。

圖5為在某工程壓力鋼管檢測(cè)中比較典型的一種偽缺陷顯示圖譜。在壓力鋼管檢測(cè)中，TOFD檢測(cè)某幾節(jié)壓力鋼管縱焊縫均存在類(lèi)似的缺陷顯示。焊縫相關(guān)參數(shù)為：母材材質(zhì)Q690E、母材厚度42 mm、坡口型式為X型、焊接方法為埋弧自動(dòng)焊。檢測(cè)儀器為中科HS810型TOFD檢測(cè)儀，探頭規(guī)格為5 MHz、Φ6 mm，楔塊角度為70°。

圖5 偽缺陷顯示圖譜

對(duì)于所有出現(xiàn)該偽缺陷顯示的鋼管焊縫，用UT脈沖反射法進(jìn)行檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺欠顯示。利用超聲波直探頭對(duì)母材進(jìn)行檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)母材存在缺陷。為排除TOFD檢測(cè)設(shè)備原因，采用奧林巴斯TOFD檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，該設(shè)備相關(guān)參數(shù)為探頭規(guī)格5 MHz、Φ6 mm，楔塊角度為60°，結(jié)果TOFD圖譜顯示出類(lèi)似的缺陷顯示。檢測(cè)人員選取兩節(jié)壓力鋼管，每節(jié)鋼管選取1條焊縫，對(duì)焊縫中TOFD圖譜缺陷顯示較明顯部位進(jìn)行打磨解剖，并對(duì)TOFD圖譜中缺陷顯示深度位置進(jìn)行滲透檢測(cè)，焊縫經(jīng)解剖后也未發(fā)現(xiàn)存在缺陷。最終判定此類(lèi)顯示為偽缺陷顯示。

對(duì)該偽缺陷顯示產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，具體如下：

(1)產(chǎn)生偽缺陷顯示的焊縫母材經(jīng)檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)存在缺陷，且母材材質(zhì)和厚度相同情況下采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的焊縫未出現(xiàn)此類(lèi)偽缺陷顯示，可判定偽缺陷顯示與母材無(wú)關(guān)。

(2)出現(xiàn)此類(lèi)偽缺陷顯示的焊縫均使用同一種焊接工藝，此種焊接工藝在此前的壓力鋼管焊接中未使用，由于焊接工藝原因?qū)е潞缚p晶粒粗大，組織不均勻，TOFD方法檢測(cè)靈敏度高導(dǎo)致出現(xiàn)偽缺陷顯示。

(3)對(duì)焊縫剖開(kāi)部分用焊條電弧焊進(jìn)行補(bǔ)焊，偽缺陷顯示仍存在，但不明顯且不連續(xù)。返修會(huì)導(dǎo)致金屬金相發(fā)生變化，也會(huì)引起局部晶粒粗大，故某些位置仍會(huì)出現(xiàn)偽缺陷顯示。

針對(duì)此類(lèi)偽缺陷顯示，本文建議有如下解決辦法[3-4]：

(1)遇到難以判斷是否為偽缺陷顯示的圖譜，首先應(yīng)采用脈沖反射法超聲波進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)TOFD圖譜的缺陷顯示進(jìn)行確認(rèn)，如超聲波未發(fā)現(xiàn)缺陷回波，可懷疑TOFD圖譜為偽顯示。

(2)應(yīng)對(duì)母材進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，以排除母材缺陷原因。

(3)TOFD必要時(shí)進(jìn)行雙面檢測(cè)，如仍出現(xiàn)類(lèi)似缺陷顯示，可采用更高頻率的探頭進(jìn)行驗(yàn)證檢測(cè)。TOFD探頭頻率越高分辨力越高，但由于頻率越高，衰減和噪聲也隨之增加，因此高頻率探頭只用于驗(yàn)證，正常檢測(cè)中探頭頻率選擇還是要滿(mǎn)足相應(yīng)規(guī)范要求。

(4)以上幾種方法基本可確定TOFD圖譜是否偽顯示，如還無(wú)定論，為謹(jǐn)慎起見(jiàn)可選取圖譜中缺陷顯示最嚴(yán)重部分對(duì)焊縫進(jìn)行剖開(kāi)并用滲透檢測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖6 密集氣孔圖譜

在某工程蝸殼焊接中，TOFD檢測(cè)發(fā)現(xiàn)某幾條焊縫上中和下中位置均出現(xiàn)較密集氣孔，圖6為其中一張比較典型的圖譜。圖中焊縫相關(guān)參數(shù)為：母材材質(zhì)610CF、母材厚度42 mm、坡口型式為K型、焊接方法為焊條電弧焊。檢測(cè)儀器為中科HS810型TOFD檢測(cè)儀，探頭規(guī)格為5 MHz、Φ6 mm，楔塊角度為70°。

根據(jù)規(guī)范NB/T 47013.10—2015如果按照密集氣孔進(jìn)行評(píng)判則判定為質(zhì)量等級(jí)Ⅲ級(jí)，不滿(mǎn)足該試板質(zhì)量等級(jí)Ⅱ級(jí)要求，而利用超聲波方法檢測(cè)缺欠未超標(biāo)，利用RT射線(xiàn)檢測(cè)缺陷未超標(biāo)。對(duì)焊縫進(jìn)行解剖分析，焊縫未出現(xiàn)連續(xù)性缺陷，由于TOFD相對(duì)于其他檢測(cè)方法，對(duì)微小缺陷的檢測(cè)靈敏度及檢出率更高，所以焊縫中氣孔比較多時(shí)，在TOFD圖譜中容易顯示為小圓弧布滿(mǎn)圖譜。

規(guī)范NB/T 47013.10—2015中規(guī)定：密集型點(diǎn)狀顯示需按照條狀顯示處理，但規(guī)范中對(duì)于如何算密集型點(diǎn)狀顯示未作出明確定義，對(duì)此文獻(xiàn)5中也進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的探討[5]。對(duì)于TOFD圖譜出現(xiàn)此類(lèi)的肉眼觀察較密集的點(diǎn)狀顯示，可參考文獻(xiàn)5中對(duì)密集型顯示的定義進(jìn)行判定，并利用常規(guī)超聲波方法等進(jìn)行檢測(cè)，必要時(shí)對(duì)最嚴(yán)重部位焊縫剖開(kāi)進(jìn)行驗(yàn)證檢測(cè)，如確實(shí)存在超標(biāo)缺陷，則進(jìn)行返修，如被剖開(kāi)焊縫點(diǎn)狀缺陷分布較稀疏則應(yīng)避免不必要的返修。

3 結(jié) 論

(1) TOFD檢測(cè)方法與射線(xiàn)檢測(cè)相比缺陷檢出率更高、效率更高，在水利水電工程建設(shè)中已逐步替代射線(xiàn)檢測(cè)，TOFD與常規(guī)超聲檢測(cè)方法成為主流的焊縫內(nèi)部探傷方法。

(2)TOFD檢測(cè)方法靈敏度較高，由于檢測(cè)人員水平和經(jīng)驗(yàn)不足等原因，可能對(duì)某些偽缺陷顯示進(jìn)行誤判，檢測(cè)人員在檢測(cè)時(shí)應(yīng)對(duì)焊縫的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行充分了解，綜合分析母材材質(zhì)、焊接方法與焊接工藝、坡口型式等，以排除非缺陷引起的顯示。

(3)對(duì)TOFD圖譜中的顯示有懷疑時(shí)，應(yīng)結(jié)合常規(guī)超聲等檢測(cè)方法的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，必要時(shí)可對(duì)TOFD圖譜中最嚴(yán)重部位焊縫進(jìn)行解剖分析。

(4)TOFD檢測(cè)人員應(yīng)對(duì)檢測(cè)保持認(rèn)真嚴(yán)肅的態(tài)度，嚴(yán)格按照檢測(cè)工藝書(shū)及規(guī)范進(jìn)行檢測(cè)及評(píng)定工作，對(duì)檢測(cè)結(jié)果負(fù)責(zé)，堅(jiān)守職業(yè)操守，對(duì)出現(xiàn)的超標(biāo)缺陷不放過(guò)，也不能對(duì)非缺陷顯示進(jìn)行不必要的返修。