衍射時差法超聲檢測（TOFD）技術(shù)在工程施工中的應用

吳俊 王超

中國石油天然氣第七建設公司山東青島266061

衍射時差法超聲檢測（TOFD）技術(shù)在工程施工中的應用

吳俊 王超

中國石油天然氣第七建設公司山東青島266061

作為焊接接頭無損檢測方法的一種，TOFD技術(shù)因其具有其它檢測方法無法具備的優(yōu)點近年來被越來越多的業(yè)內(nèi)人士所認知，在工程建設領域中逐漸得到廣泛的應用。

焊接接頭無損檢測TOFD檢測

衍射時差法超聲檢測(TOFD)技術(shù)在近年來被越來越多的業(yè)內(nèi)人士所認知，作為焊接接頭無損檢測方法的一種，TOFD技術(shù)因其具有其它檢測方法無法具備的優(yōu)點而在工程建設領域中逐漸得到應用。目前，國家質(zhì)檢總局在2009年8月31日頒布的《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中更是明確了TOFD檢測技術(shù)的規(guī)定，使TOFD檢測具備了制度保障。我單位在廣西石化1000萬t/a煉油項目球罐裝置中對19臺球罐的焊接接頭開始使用TOFD檢測技術(shù)，隨后在350萬t/a重油催化裂化裝置中也對現(xiàn)場組焊的再生器、沉降器等核心設備的焊接接頭采用了TOFD檢測，并取得了良好效果。

1 TOFD的概念及相關(guān)介紹

1.1 TOFD的概念

TOFD是TimeOfFlightDiffraction的簡稱，譯為衍射時差法超聲檢測，是一種依靠從待檢試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)（主要是指缺陷）的“端角”和“端點”處得到的衍射能量來檢測缺陷的方法，屬于超聲波檢測的一種。

1.2 TOFD基本結(jié)構(gòu)

TOFD工具由一發(fā)一收雙探頭組成（見圖1）。

1.3 TOFD檢測顯示

TOFD檢測結(jié)果可進行存儲記錄，記錄的圖示稱為灰度圖（見圖2）。

2 TOFD的起源及發(fā)展概述

2.1 TOFD的起源

20世紀70年代，英國AEA國家無損檢測研究中心的Harwell實驗室提出了超聲波衍射時差法（TOFD），經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展和大量的試驗研究，現(xiàn)在TOFD已具有較高的缺陷檢出率和可靠性，對缺陷高度測量有很好的精確度（精度可至±1mm），同時以成像的方式可即刻獲得對焊縫的清晰印象，“實時”分析缺陷，且檢測記錄方便保存、重復性高，TOFD已成為一種普遍接受的自動超聲檢測方法。

2.2 TOFD的發(fā)展

2.2.1 TOFD在國外的發(fā)展

TOFD技術(shù)在歐美發(fā)達國家已經(jīng)作為一種先進的無損檢測技術(shù)得到承認和廣泛的應用，此技術(shù)必將為我國關(guān)鍵設備安全生產(chǎn)和安全運行提供有力的技術(shù)保障。

目前，在美國和日本應用較多的TOFD檢測驗收標準是美國ASMECodeCase2235-6，它是根據(jù)ASMEVIII卷Division1，papa.UW-11（a）和ASMEVIII卷Division2，TableAF-241.1的要求在進行射線檢驗時，解答在什么條件和限制下可以使用超聲波檢測替代射線檢測。

2.2.2 TOFD在國內(nèi)的發(fā)展

在我國，TOFD技術(shù)的研究和應用也在蓬勃發(fā)展，影響日益擴大。隨著我國能源工業(yè)的發(fā)展，對安全環(huán)保的強調(diào)，對檢測質(zhì)量、成本和效率的不斷重視，TOFD檢測具備了越來越廣泛的應用需求。2007年國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局以國質(zhì)檢特函（2007）402號文《關(guān)于進一步完善鍋爐壓力容器壓力管道安全監(jiān)察工作的通知》的方式為TOFD技術(shù)在國內(nèi)的應用提供了契機。

目前，《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中已明確寫進了TOFD檢測方法，中國特種設備檢測研究院等單位已具有了較成熟的院標，這些都將對TOFD檢測技術(shù)的推廣創(chuàng)造極為有利的條件。

3 TOFD的技術(shù)特點及適用性

3.1 TOFD的優(yōu)點

（1）能探測不利取向的缺陷，缺陷檢出率高。以荷蘭焊接協(xié)會的試驗結(jié)果（見圖3、表1）為例。其中，POD為缺陷檢出率；FCR為誤報率；R為可靠性。

（2）超聲波束覆蓋區(qū)域大，效率高。

（3）缺陷高度測量精確。深度尺寸定位和相應的誤差不依靠信號振幅，而是靠衍射波轉(zhuǎn)播過程中的時間差，因此缺陷的測高精確。

（4）實時成像，便于快速分析。

（5）非基于波幅，受波幅影響小。

（6）TOFD檢測橫截面視圖的檢測數(shù)據(jù)可以進行自動的數(shù)字記錄并作持久保存，可以為以后的檢測提供準確明了的資料，尤其是對于判斷缺陷的擴展性提供了可靠的根據(jù)。

（7）TOFD檢測與射線檢測（RT）相比，TOFD檢測使用水作為耦合劑，對環(huán)境無污染無輻射，對人體無傷害。可與施工同步進行，可以有效地保證大型石油化工項目的施工進度。

3.2 TOFD的主要局限性

（1）掃查面盲區(qū)：直通波有一定的寬度，處于此范圍的缺陷波難以被發(fā)現(xiàn)，在表面存在盲區(qū)；

（2）底面盲區(qū)；

（3）橫向缺陷檢出率較低；

（4）TOFD信號較弱，對噪聲敏感；

表1 TOFD檢測與射線檢測、手動超聲波檢測等檢出率對比

（5）TOFD數(shù)據(jù)分析對檢測人員要求高。

TOFD檢測要求檢測人員不僅要具備熟練的常規(guī)超聲波檢測技能，還需要進行TOFD相關(guān)理論的培訓。檢測人員對TOFD數(shù)據(jù)分析正確與否將直接決定TOFD檢測結(jié)果的可靠性。

TOFD數(shù)據(jù)分析對人員的要求很高，對TOFD圖像分析識別的難度要遠遠大于對射線底片的評判。需要檢測人員經(jīng)過大量的實踐和科研，通過射線、超聲以及解剖的驗證，積累豐富的數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗，方可較為準確的對TOFD數(shù)據(jù)進行分析。TOFD數(shù)據(jù)分析人員絕不是僅通過人員資格培訓考核就能勝任此項工作的，必須具有一定時間和一定量的檢測經(jīng)驗的積累。

3.3 TOFD的適用性

采用以TOFD技術(shù)為主、結(jié)合脈沖反射法超聲檢測及表面檢測方法（MT、PT或ET）的綜合檢測方式，在一定條件下，可替代射線檢測，并在缺陷檢出率、檢測效率、面型缺陷檢測敏感性、環(huán)境親和性等方面具有優(yōu)越性。

4 TOFD的在工程施工中的實際運用

4.1 TOFD檢測施工程序

TOFD檢測工作委托→施工方提供焊接工藝、設備基本信息、施工單位自檢→準備條件具備→現(xiàn)場實施TOFD檢測→數(shù)據(jù)分析，確定可疑部位→可疑部位再次檢測→出具缺陷處理通知單→返修后（施工單位自檢合格后）復檢→出具初步結(jié)論通知單→出具檢測報告。

4.2 TOFD檢測適用焊接接頭需滿足條件

（1）材料為低碳鋼、合金鋼；（2）截面全焊透的焊接接頭；

（3）工件厚度t：12≤t≤400mm（不包括焊縫余高，焊縫兩側(cè)母材厚度不同時，取薄側(cè)厚度值）。

4.3 確定檢測區(qū)域?qū)挾?/p>

對于TOFD檢測，其檢測區(qū)域為：

（1）檢測區(qū)域?qū)挾葢呛缚p本身，再加上焊縫熔合線兩側(cè)各25mm的范圍或t（厚度）中較小值的范圍。

（2）若焊縫實際熱影響區(qū)經(jīng)過測量并記錄，并且超聲探頭的位置可按預先標記得到控制時，檢測區(qū)域?qū)挾瓤梢詼p小到包括實際熱影響區(qū)加上兩側(cè)各6mm的范圍。

4.4 檢測區(qū)域的表面處理

由于TOFD檢測技術(shù)的特殊性，為確保TOFD探頭表面與工件耦合良好，采集到準確有效數(shù)據(jù)，必須對焊縫表面進行打磨處理。

（1）一般情況下焊縫余高不需磨平，但在T字口焊縫應將縱焊縫200mm長范圍內(nèi)磨平。設計要求去除余高的焊縫，應將余高打磨到與鄰近母材平齊。保留余高的焊縫，如果焊縫表面有咬邊、較大的隆起和凹陷等也應進行適當?shù)男弈ィ⒆鲌A滑過渡以免影響檢測結(jié)果的評定。

（2）要求焊縫熔合線兩側(cè)表面進行處理，無飛濺、凹坑等，表面應平整，一般粗糙度Ra≤6.3μm（與JB/T4730.3中的規(guī)定一致）。

（3）打磨寬度與工件厚度有關(guān)（與JB/T4730.3中規(guī)定的手動超聲探頭移動區(qū)寬度一致）：工件厚度t≤46mm，每側(cè)打磨寬度約150mm；工件厚度t≤120mm，每側(cè)打磨寬度約200mm。

（4）一般做法是先使用砂輪片進行打磨，再使用鋼絲刷進行去毛刺處理。

4.5 確定可疑缺陷部位、再次檢測和返修后復檢

對檢測結(jié)果進行綜合分析，確定可疑部位并按下述方式進行再次檢測：

（1）采用手動UT進行再次檢測，必要時輔助采用相控陣超聲成像方式，以判斷其形態(tài)、位置和尺寸。依據(jù)Q/CSEI01-2007《承壓設備衍射時差法超聲檢測》（國家特檢院院標）進行缺陷評定和驗收。

（2）采用射線檢測進行再次檢測驗證。若發(fā)現(xiàn)超標缺陷后，由施工單位進行缺陷處理（返修），在施工單位自檢合格的基礎上采用與初檢一致的檢測方法進行復檢。

4.6 其它要求

（1）在探頭移動區(qū)周圍空間沒有阻擋探頭移動的障礙物，離掃查面應有300mm的空間以便實施檢測操作。

（2）檢測現(xiàn)場需要一定量的自來水（每檢測1m約需水3L），同時需要220V電源。

（3）檢測實施時，附近不應有電、磁、聲等強干擾信號源。

5 總結(jié)

目前大型壓力容器（特別是現(xiàn)場組焊設備）等設備根據(jù)設計圖紙要求大部分焊縫需進行100%射線檢測，目前現(xiàn)場施工常規(guī)的射線檢測種類有χ射線檢測和γ射線檢測兩種，而χ射線檢測很難滿足大厚度工件檢測的技術(shù)要求，所以只能采用γ射線進行檢測。由于Ir-192特別是Co-60射線源的底片靈敏度偏低，尤其是對壁厚較大且裂紋敏感性材料的高強鋼設備，可能導致危害性裂紋的漏檢。再是裝置處于施工密集區(qū)，由于放射源的輻射危害影響，在射線曝光期間，周圍不能進行正常施工。因此，大范圍、長時間實施現(xiàn)場射線檢測，嚴重影響了射線輻射范圍內(nèi)大規(guī)模施工組織的正常進行，對工程安全、工期和質(zhì)量將產(chǎn)生極為不利的影響。

采用TOFD檢測代替射線檢測較好地解決了上述問題。在廣西石化1000萬t/a煉油項目19臺球罐及350萬t/a重油催化裂化裝置中再生器、沉降器、分餾塔及催化劑罐等7臺核心設備采用TOFD檢測技術(shù)，共檢測焊縫長度達7000m，焊縫合格率為98.6%，在質(zhì)量、進度等方面取得了良好的效果。

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