厚壁不對稱對接焊縫超聲衍射時差法檢測中的仿真模擬

黃　輝，薛東劍，鄒　納

(寧波市特種設備檢驗研究院， 寧波 315048)

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厚壁不對稱對接焊縫超聲衍射時差法檢測中的仿真模擬

黃輝，薛東劍，鄒納

(寧波市特種設備檢驗研究院， 寧波 315048)

摘要：以厚壁不對稱對接焊縫為對象，通過建模和仿真模擬分析厚壁不對稱對接焊縫超聲衍射時差(TOFD)信號傳播規律；采用不同角度楔塊和探頭組合進行修正，研究了不同探頭組合在不對稱焊縫中信號的傳播規律，驗證了超聲衍射時差檢測方法在大厚壁不對稱焊縫中的實際檢測應用的可行性，為實際檢測工作提供指導。

關鍵詞：TOFD方法；厚壁不對稱；對接焊縫；仿真

1超聲波衍射時差檢測方法

1.1超聲波衍射時差檢測方法原理

超聲波衍射時差(TOFD)檢測方法是利用缺陷部位的衍射波信號來檢測和測量缺陷尺寸的一種超聲檢測方法，通常使用縱波斜探頭，采用一發一收雙探頭模式進行檢測[1]。從原理上講，TOFD檢測方法與常規脈沖回波超聲檢測技術相比，有兩個重要不同點：一是由于缺陷衍射信號與角度無關，檢測可靠性和精度不受缺陷與入射波角度的影響；二是根據衍射信號傳播時差確定衍射點位置，缺陷的定量定位不依靠信號振幅。

TOFD檢測法對缺陷進行定量的精度比常規超聲要高得多，且具有很高的缺陷檢出率。國外研究機構關于缺陷檢出率的試驗評價是：手工超聲檢測：50%～70%；TOFD：70%～90%。由此可見，TOFD檢測比常規手工超聲檢測的缺陷檢出率要高。TOFD檢測時，記錄圖像的信息量比超聲A掃描檢測大得多。與A掃信號相比，包含豐富信息的TOFD圖像更有利于缺陷的識別和分析。

1.2TOFD法在厚壁焊縫的應用前景

目前我國承壓設備的結構越來越向大型厚壁方向發展，大型設備的焊接接頭很多都是現場組焊。在《固定式壓力容器安全技術監察規程》中要求:壓力容器的對接接頭應當采用射線檢測或者超聲檢測，超聲檢測包括衍射時差法超聲檢測(TOFD)、可記錄的脈沖反射法超聲檢測和不可記錄的脈沖反射法超聲檢測；當采用不可記錄的脈沖反射法超聲檢測時，應采用射線檢測或者衍射時差法超聲檢測作為附加局部檢測。

傳統檢測方法(射線檢測)一方面無法滿足大厚壁設備檢測靈敏度的要求；另一方面現場射線防護設施成本較高。另外，使用射線檢測時,附近其他工藝作業時就不得不避讓，從而影響整個工程進度。國內在大厚壁設備檢測中有將TOFD替代射線檢測的趨勢。

近年來，國內外關于將TOFD技術應用于厚壁焊縫檢測中的文獻不斷出現，說明了其在厚壁焊縫檢測方面的優勢。如李衍[2]通過用TOFD法檢出某化工設備廠中的大厚壁壓力容器的一些重要缺陷,將TOFD與射線照相和傳統手工超聲檢測進行比較研究，討論了TOFD法在大厚壁壓力容器檢測各種類型缺陷所具有的優缺點； 閻長周等[3]將TOFD檢測法應用于183 mm厚加氫反應器焊縫檢測中，通過與射線檢測對比發現TOFD技術對裂紋類面狀缺陷十分敏感，檢測厚度范圍大且檢測靈敏度不隨厚度增大而大幅降低。因此，對深厚焊縫而言，TOFD檢測的優勢十分明顯。陳建玉等[4]探討了對于目前國內熱壁加氫反應器厚壁焊縫的主要無損檢測方法，發現相對于傳統的射線檢測和超聲檢測，TOFD在大厚壁焊縫(200 mm以上)檢測中具有較好的應用前景。

1.3TOFD法在厚壁焊縫檢測中的不足

TOFD在厚壁容器上的應用空間很大，也有很多學者針對超聲檢測在不對稱結構的傳播規律及應用方面做過很多研究工作。張秀梅等[5]通過理論推導和試驗對不等厚對接焊縫中缺陷的超聲波定位進行了研究，發現經過理論推導的公式雖然較為繁瑣，但能區分一次底波，并能測出超聲波經斜面反射后缺陷的位置，為辨清真偽缺陷提供了可靠的依據。

但是，TOFD檢測法對大厚度不對稱結構的檢測目前還是一個空白，當超聲波入射到此類焊縫斜面上時，斜面引起反射角變小，缺陷波提前，一次聲程的位置也隨聲束入射到斜面的位置不同而變化，給缺陷定位帶來一定難度。現行的TOFD檢測標準中提到的不對稱對接焊縫的TOFD檢測的相關規定也相當簡略，無法滿足實際檢測中的需要。

目前使用的TOFD檢測標準中提到的不對稱對接焊縫的TOFD檢測的相關規定還很少，僅有DL/T 330-2010《水電水利工程金屬結構及設備焊接接頭衍射時差法超聲檢測》和JB/T 4730.10-2005《承壓設備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測》中略有涉及。DL/T 330-2010中規定：對兩側母材厚度不等的焊縫檢測應根據兩側母材厚度分別設置PCS1值(第一通道的PCS值)和PCS2值(第二通道的PCS值)；焊縫寬度較大或焊縫兩側母材厚度不相等且母材厚度相差8 mm以上時應進行偏置非平行掃查；對兩側母材厚度不等的焊縫進行非平行掃查時，宜采用單探頭對進行多次掃查。① 單面掃查時，應分別進行PCS1對中掃查、PCS2對中和偏置掃查。② 雙面掃查時，應分別進行PCS1、PCS2對中掃查。特殊情況下，也可以采用其他合適的掃查方式。JB/T 4730.10-2005中規定：工件厚度t在12～400 mm范圍內(不包括焊縫余高，焊縫兩側母材厚度不同時，取薄側厚度值)。

以上標準對厚度差大且需要實施多通道檢測的情況未做具體說明或者要求不夠全面，在實際檢測時很多檢測方案也回避了在這些特殊情況下的檢測，給大型關鍵設備的定期檢測帶來了一定的困難。

1.4TOFD檢測法在厚壁焊縫檢測中應用的意義

厚壁不對稱對接焊縫因結構原因導致TOFD信號傳播角度改變，使得一發一收設置的探頭組合無法正常收到信號，影響了檢測工作的正常開展。目前TOFD檢測在厚壁容器不對稱對接焊縫方面的研究尚屬于空白，而研究不對稱對接焊縫的外觀結構對于TOFD信號傳播的影響,以及厚壁容器中不對稱結構的聲波信號角度覆蓋問題，是未來該技術在大型關鍵承壓設備上應用的一個重要研究課題，具有重大的意義。

2CIVA建模與仿真

采用CIVA軟件對厚100 mm平板與中間斜坡角度為17°的80 mm厚平板不對稱對接焊縫的TOFD檢測進行仿真模擬(見圖1)，分析該焊接表面盲區的大小和埋藏缺陷的模擬檢測能力。

圖1　大厚度不對稱焊縫焊接件模型

2.1不等厚平板焊縫表面盲區仿真對于TOFD檢測來說，其表面盲區主要有兩部分：① 聲束覆蓋不夠造成的檢測盲區。② 直通波寬度造成的分辨盲區。為減小表面盲區，首先應保證聲束覆蓋，主要是使用小晶片探頭和大角度楔塊，其次是通過使用高頻探頭和減小PCS值來減小直通波盲區。

2.1.1表面盲區在深度方向上的仿真

針對不等厚焊件，使用10 MHz，3 mm直徑探頭，70°縱波楔塊，探頭緊挨焊縫非對稱放置，沿焊縫中線添加兩個長10 mm，高3 mm的裂紋缺陷。其中，缺陷1是表面裂紋，缺陷2深度比右側表面低2 mm，見圖2(a)。其非平行掃查檢測仿真得到的B掃圖見圖2(b),圖中只出現了一個信號。

圖2　表面盲區在深度方向上的缺陷仿真和檢測仿真結果

圖3　表面盲區在水平方向上的缺陷仿真和檢測仿真結果

2.1.2表面盲區在水平方向上的仿真

同樣，在中心線上添加一個高3 mm的裂紋缺陷，該缺陷的上尖端與前面的缺陷2下尖端重合，然后在其左右兩側各添加一個同樣的缺陷，見圖3(a);其非平行掃查檢測仿真得到的B掃圖見圖3 (b),可見,除直通波外，圖中出現了3組信號。

從上面的仿真結果來看，如果使用10 MHz，3 mm直徑探頭和70°楔塊進行檢測，在深度方向上，表面盲區的范圍是右側平板表面以下5 mm深度的范圍；在水平方向上，從中心線往左，表面盲區逐漸減小，中心線往右，表面盲區逐漸增大；另外，對于同一深度的缺陷，因為缺陷和探頭的相對偏置導致表面盲區所處的水平位置不同，檢測中測得的深度就會不同。

2.2不等厚平板焊縫埋藏缺陷檢測仿真

2.2.1埋藏缺陷仿真

在上述模擬焊接件的基礎上，為了更好地模擬實際工件情況，以側孔中心為焊縫中心，焊縫左右兩側寬度為30 mm，坡口形式為X型坡口，如圖4所示。

圖4　埋藏缺陷的仿真示意

2.2.2埋藏缺陷檢測仿真結果

通過對采用不同角度聚焦在工件厚度的2/3處仿真或在任意位置、選擇不同探頭頻率及不同鍥塊角度、PCS中心對稱或非對稱設置、以及在焊縫兩側設置不同角度,來進行聲場覆蓋范圍、聲場能量及盲區大小三個方面的大量仿真比對，根據以上仿真結果來選擇以下參數對上面的埋藏缺陷進行模擬檢測：

(1) 第一通道工藝參數選擇5 MHz、70°探頭對，PCS為91 mm。

(2) 第二通道工藝參數選擇5 MHz、60°探頭對，PCS為172 mm或者5 MHz、60°和55°探頭對。

兩個通道的缺陷響應仿真結果如圖5所示。從缺陷響應仿真結果可知：

(1) 除了厚側靠近表面φ2 mm側孔及上表面刻槽未被發現外，其他缺陷均較好檢出。

(2) 底面刻槽位置不同，TOFD圖譜中顯示深度也不同，圖5(b)中，從左至右，分別為靠近工件薄側、工件中心、工件厚側的刻槽。

圖5　兩個通道缺陷響應仿真結果

由仿真結果可知，由于表面盲區的存在，埋藏缺陷并未全部檢出。但聲束覆蓋區域內的缺陷均能檢出,且與設置的水平位置及深度能夠較好的一一對應。說明選取的檢測參數適合，TOFD法在模擬焊接件中有較好地適應性，表面盲區在實際檢測中可以通過補充檢測法來彌補。

3結語

在采用CIVA軟件數值模擬來研究大厚壁不對稱焊縫中TOFD信號傳播規律的基礎上，通過對楔塊和探頭組合同步修正的大量模擬仿真中選取一例模擬焊接件的檢測仿真,來對TOFD檢測中兩大要點,即表面盲區的大小及埋藏缺陷檢出率進行研究,取得了較好的效果，驗證了TOFD法在厚壁不對稱對接焊縫檢測的可行性，并為后續實際檢測提供了很好的指導；CIVA軟件數值模擬局限于單一的焊縫模式，將來要應用于實際檢測中，還需進行大量研究工作：

(1) 承壓設備中大厚壁不對稱對接焊縫結構的形式及其對TOFD信號傳播的影響。

(2) 相應大厚壁不對稱焊縫結構下TOFD的信號覆蓋及檢測結果誤差修正。

(3) 制定大厚壁不對稱對接焊縫TOFD檢測專用工藝規程等。

參考文獻：

[1]鄭暉, 林樹青.超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社, 2008.

[2]李衍.厚板焊縫TOFD檢測及其與傳統檢測方法的比較[J].無損檢測. 2007,29(12):722-725.

[3]閻長周,關衛和,陳建玉,等.TOFD方法在厚壁承壓設備焊縫檢測中的試驗和應用[J].壓力容器, 2008, 25(10):7-10.

[4]陳建玉,袁榕.熱壁加氫反應器深厚焊縫的TOFD檢測技術[J].壓力容器, 2004, 21(8):46-48.

[5]張秀梅,劉建平,奚華為,等.不等厚對接焊縫中缺陷的超聲波定位[J].無損檢測, 2003, 25(1):42-43.

The Simulation of TOFD Testing in Thick Walled Asymmetry Butt Weld

HUANG Hui, XUE Dong-jian, ZOU Na

(Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute, Ningbo 315048, China)

Abstract：Aiming at the thick walled asymmetry weld, this paper analyzed the TOFD signal propagation regularities of thick walled asymmetry weld through modeling and simulation. Combination of different angle wedges and probe revisions was adopted and different probes were used to study the signal propagation regularities in asymmetry weld. The feasibility of using TOFD testing method for asymmetry weld in practical testing application was verified, and it provided guidance in the practical detection.

Key words:TOFD method; Thick wall asymmetry; Butt weld; Simulation

收稿日期：2015-05-28

作者簡介：黃輝(1984-),男,工程師,主要從事承壓特種設備檢驗檢測工作。通信作者: 黃輝,E-mail: huanghuidh@163.com。

DOI:10.11973/wsjc201605003

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)05-0010-04