球形儲罐對接焊縫衍射時差法超聲檢測(TOFD)技術控制要點

胡述超 王業民 龔華

中國石油天然氣第一建設公司 河南洛陽 471023

球形儲罐對接焊縫衍射時差法超聲檢測(TOFD)技術控制要點

胡述超 王業民 龔華

中國石油天然氣第一建設公司 河南洛陽 471023

通過對球形儲罐對接焊縫衍射時差法超聲檢測(TOFD)技術分析,提出確保檢測質量的幾個關鍵技術要點,對該技術的應用的準確性起到保障作用,從而提高TOFD檢測技術在球罐檢測中的準確性和可靠性。

球罐對接焊縫衍射時差法超聲檢測

目前,球形儲罐對接焊縫衍射時差法超聲檢測(TOFD)技術應用非常廣泛,該方法在許多工程中替代了γ射線全景曝光方法,克服了射線檢測周期長、成本高、存在輻射危害等不利因素。但是TOFD檢測過程中,如果不能正確實施操作,就會導致檢測結果不準確、缺陷誤判、評定過嚴或漏檢等間題,因此需要對操作中的關鍵參數進行控制,達到最佳的檢測效果。

本文所指球罐容積為1000m3～8000m3,結構為三帶或者五帶混合式,材質為碳素鋼或低合金鋼制容器鋼。

1 球罐對接焊縫TOFD檢測工藝流程的確定

工藝流程的確定非常重要,主要應考慮下列內容：

(1)查閱被檢工件原始資料,了解被檢工件的相關技術參數和檢測要求；

(2)編制檢測專用工藝或工藝卡；

(3)人員、設備、試塊準備；

(4)檢測準備,確定檢測區域、探頭選擇和設置、掃查方式的選擇、掃查面準備；

(5)檢測系統設置和校準(設置：A掃時間窗口、靈敏度,校準及測試：-12dB擴散角、盲區、深度、編碼器)；

(6)實施TOFD檢測,按照所編制的檢測工藝進行；

(7)數據分析和解釋；

(8)缺陷評定與驗收；

(9)發放檢測報告。

2 檢測前的準備工作

2.1 技術準備

(1)檢測前應了解球罐設計圖紙、名稱、編號、類別、材質、坡口尺寸角度、焊縫長度、焊接工藝、熱處理方式、檢測執行標準和驗收等級等相關資料。

(2)檢測時機：要求受檢工件應經形狀尺寸和外觀質量檢查合格和焊接完成24h后,方可進行無損檢測。

2.2 檢測人員

(1)從事TOFD檢測的人員應當按照相關安全技術規范要求,獲得特種設備無損檢測人員超聲波檢測TOFD專項資格,方可從事相應資格等級規定的檢測工作,并負相應的技術責任。

(2)TOFD檢測人員應熟悉國家和行業的檢測標準、規范以及本公司的有關檢測工藝規程,并具有實際檢測經驗和一定的鍋爐、壓力容器、壓力管道結構及制造基礎知識。

(3)TOFD檢測報告、檢測方案等技術文件的編制、審核、批準、簽發人員應按本公司質量管理體系文件要求執行。

2.3 檢測設備及器材準備

2.3.1 檢測設備準備

(1)進行TOFD檢測時,應依據檢測工作量的要求,配備相應的TOFD儀器和數字超聲波儀器、磁粉機、黑光燈等輔助檢

測設備。

(2)用于球罐主體對接焊縫檢測的TOFD儀器,至少為一收一發兩個以上通道。TOFD儀器、超聲波探傷儀、磁粉機、黑光燈等性能,應滿足NB/T47013的相關要求。

2.3.2 檢測器材和材料

(1)TOFD檢測用的探頭和楔塊,應根據被檢焊縫厚度和坡口類型進行適當的選擇；

(2)TOFD檢測用的掃查裝置要求,探頭夾持部分能調整和設置探頭間距,并在掃查時探頭間距和相對角度保持不變。另外,需要進行橫向缺陷TOFD檢測時,應配置探頭與焊縫軸線可傾斜的掃查裝置；

(3)進行TOFD檢測時,所使用的禍合劑可選用水或化學漿糊作為禍合劑,但注意實際檢測用的禍合劑應與儀器調校時的禍合劑相同。

2.3.2 檢測器材和材料的要求

進行TOFD檢測時,所使用的TOFD調校試塊：有探頭聲場測試試塊(CSK-IA)、對比試塊、焊縫模擬試塊、盲區高度測試試塊,具體要求如下：

(1)對比試塊應采用與被檢球罐材質和厚度相同或相近的平面人工反射體對比試塊,進行深度和靈敏度調校及校準。

(2)模擬試塊制作的材質應采用與球殼板同材質或近似,厚度、坡口形式和焊接工藝應與被檢球罐相同,缺陷分布、缺陷類型、長度應滿足NB/T47013.10的要求。

(3)掃查面盲區高度測試試塊的制作,設置有：不同深度的矩形槽(長度20mm,深度1mm～9mm),不同深度的側孔(孔徑Φ2mm、深度4mm～9mm)；

2.4 檢測部位表面要求

2.4.1 檢測面要求

(1)被檢焊縫外觀的形狀尺寸符合有關規范要求和設計圖紙規定。

(2)掃查面探頭移動區內,應清除焊接飛濺、鐵屑、油垢及其他雜質,并應平整便于探頭的掃查,表面粗糙度Ra值應不低于12.5μm,一般應進行拋光打磨。

(3)留有余高的焊縫,如果焊縫表面有咬邊、較大的隆起和凹陷等應進行適當的修磨,并作圓滑過渡以免影響檢測結果的評定。

2.4.2 丁字焊縫打磨要求

進行TOFD檢測前,首先應對“T和Y”型焊縫進行余高去除打磨,打磨高度與母材一致。有助于縱焊縫和環焊縫掃查時,便于掃查裝置的移動不受到阻礙和探頭的禍合,打磨長度以交叉處為中心向外各250mm。

2.5 檢測前準備

2.5.1 檢測工藝的編制

(1)檢測前,應根據檢測標準要求結合被檢工件技術參數、探頭和楔塊的選擇情況,以及檢測盲區高測試、-12dB聲束擴散角測試結果,編制TOFD檢測工藝。

(2)按TOFD檢測工藝技術參數的要求,在模擬焊縫試件上進行工藝驗證。能夠清晰顯示出所設置的缺陷,所測量的模擬缺陷尺寸應盡量接近其實際尺寸。

2.5.2 檢測區域的確定

(1)檢測區域高度為球罐板厚度。

(2)檢測區域寬度為焊縫本身再加上焊縫熔合線兩側各10mm的范圍,焊縫檢測區域見圖1所示。

圖1 焊縫檢測區域

2.5.3 表面盲區高度的確定及輔助檢測方法

(1)掃查面盲區高度的確定：應根據探頭配制及設置,采用非平行偏置掃查法對盲區試塊上的人工缺陷(表面矩形槽、側孔)進行掃查,觀察圖譜顯示清晰可見矩形槽及側孔最小深度的較小值為上掃查面盲區的高度,并進行記錄。

(2)掃查面盲區輔助檢測方法：當盲區高度在2mm以內時,采用磁粉附加檢測；當盲區高度在2mm以上時,應在另一面采用非平行掃查或在焊縫兩側各增加一次偏置非平行掃查。

(3)底部盲區高度的確定：根據工件厚度、探頭、PCS配置,利用式(1)計算出偏離焊縫中心X處的底面盲區高度(見表1)。公式：

式中：X——底部檢測區域寬度的一半(mm),

S——兩探頭入射點之間距離的一半(mm),

T——球罐板厚度(mm),

h——底部盲區高度(mm)；

(4)底部盲區輔助檢測方法：當盲區高度在2mm以內時,采用磁粉附加檢測；當盲區高度在2mm以上時,應在焊縫兩側各增加一次偏置非平行掃查。

(5)偏置非平行掃查的偏移距離確定：一般按經驗值(1/4底部檢測寬度)或按公式(2))理論計算值,并在檢測工藝中注明。公式：

式中：X——底部檢測區域寬度的一半,mm；

S——兩探頭入射點之間距離的一半,mm；

T——球罐板厚度,mm；

h——底部盲區高度,式中h=1mm。

表1 底部盲區高度計算結果

2.5.4 探頭-12dB聲場測試

(1)編制檢測工藝前,應對所選擇的探頭進行-12dB聲場進行測試,確定深度覆蓋和底部寬度覆蓋范圍。

(2)可采用CSK-I試塊上的R100弧面進行測試。

2.5.5 TOFD掃查模式及掃查次數的確定

(1)掃查模式：為減小掃查面盲區,采用雙面掃查。

(2)掃查次數：根據盲區高測試結果見表1,確定的掃查次數見表2所示。

表2 焊縫TOFD掃查位置及次數

2.6 檢測系統設置

2.6.1 探頭中心間距的設定

(1)初始掃查時,探頭中心距離設置為該探頭對的聲束交點位于覆蓋區域的2/3深度處。對于非平行掃查發現的接近最大允許尺寸的缺陷或需要了解缺陷更多信息時,建議對于缺陷部位改變探頭設置進行非平行掃查、偏置非平行掃查、平行掃查或脈沖反射法超聲檢測,見圖2所示。

圖2 探頭入射點間距示意圖

(2)探頭中心距離計算公式見公式(3)和(4)。

式中：dm——聲束在焊縫深度方向的匯交深度,mm；

PCS——兩探頭入射點間的距離,mm；

T——球罐板厚度,mm；

θ——探頭楔塊角度,度。

2.6.2 時間窗口設置

(1)檢測前應對檢測通道的A掃描時間窗口進行設置。

(2)A掃描時間窗口起始位置應設置為直通波到達接收探頭前0.5μs以上,A掃描時間窗口終止位置為工件底面一次變形波后0.5μs以上。

2.6.3 靈敏度設置

(1)檢測前應設置進行檢測通道的靈敏度。

(2)當采用對比試塊上的標準反射體設置靈敏度時,需要將較弱的衍射信號波幅設置為滿屏高的40～80%,并在實際掃查時進行表面禍合補償。

(3)當采用工件上的直通波波幅進行靈敏度設置時,直通波波幅高度設定到滿屏高的40～80%。

2.6.4 掃查增量設置

工件厚度在12mm≤t≤150mm范圍內時, 掃查增量最大值為1.0mm；

2.7 系統校準

2.7.1 位置傳感器校準

(1)檢測前應對位置傳感器進行校準。

(2)校準方法：是使掃查器移動500mm距離,儀器顯示位移與實際位移進行比較,其誤差應小于1%。

2.7.2 深度校準

(1)檢測前應對直通波和底波所反應的工件深度進行校準。

(2)校準方法：是在已知厚度的工件或試塊上進行,深度校準應保證深度測量誤差不大于工件厚度的1%或0.5mm(取較大值)。

3 焊縫TOFD掃查過程中關鍵控制環節

3.1 掃查軌跡

掃查時應確保探頭的運動軌跡與擬掃查路徑間的誤差不超過探頭中心間距的10%。

3.2 分段掃查覆蓋

(1)對焊縫進行分段掃查時,則各段掃查區的重疊范圍至少為20mm。

(2)無論對縱焊縫掃查還是對環焊縫掃查,丁字焊縫應保證在圖譜中全顯示。

3.3 掃查過程觀察

(1)掃查過程中應密切注意波幅狀況。若發現直通波、底面反射波、材料晶粒噪聲或波型轉換波的波幅降低12dB以上或懷疑禍合不好時,應重新掃查該段區域。若發現直通波滿屏或晶粒噪聲波幅超過滿屏高20%時,則應降低增益并重新掃查

(2)掃查過程中若發現有斷線狀況,應立即停止并重新掃查。

(3)掃查過程中若發現采集數據量未滿足所檢測焊縫長度的要求時,應重新掃查。

3.4 掃查速度控制

掃查時應保證掃查速度不宜過快,一般應不超過50mm/s。最大掃查速度vmax可根據公式(5)計算；

式中：vmax——最大掃查速度,mm/s；

PRF——激發探頭的脈沖重復頻率,Hz；ΔX——設置的掃查增量值,mm；

N——設備的信號平均次數(一般取1～4)。

3.5 檢測數據文件的命名規則

數據文件的命名應有：工程編號、球罐編號、焊縫編號、掃查部位的分段編號等。

對返工復檢部位應加返工標記和次數(即R1···n)。

3.6 現場檢測記錄

檢測前應繪制示意圖,包括工件編號、焊縫編號、分段檢測位置編號、檢測面區分標志。

焊縫受檢分段部位應有分段標識,起始點用“0”表示,掃查方向用箭頭“→”表示,并用記號筆劃定,標識應對掃查無影響。

檢測完成后繪制檢測部位圖,作為原始記錄。

3.7 檢測數據的有效性評價

分析數據之前應對所采集的數據進行評估以確定其有效性,應滿足如下要求：

(1)數據是基于掃查增量的設置而采集的；

(2)采集數據量滿足所檢測焊縫長度的要求；

(3)數據丟失量不得超過整個掃查的5%,且不允許相鄰數據連續丟失。

(4)采集的數據量應滿足以下要求：各段掃查區的重疊范圍至少為20mm。對于環焊縫,掃查停止位置應越過起始位置至少20mm。

(5)信號波幅改變量應在12dB以上范圍之內。

若數據無效,應糾正后重新進行掃查。

我公司通過對山東日照、陜西咸陽、云南昆明等52臺1000m3～3000m3球罐工程的實際應用,總結出上述對球罐對接焊縫進行TOFD檢測時,提高檢測質量應注意的關鍵點,對同行有一定的借鑒意義。

1 《固定式壓力容器安全技術監察規程》TSG4-2016

2 強天鵬主編：《衍射時差法(TOFD)超聲檢測技術》2009年2月

3 《承壓設備無損檢測第10部分：衍射時差法超聲檢測》NB/T47013. 10

圖13 實際吊裝過程

參考文獻

1 陳永當,任慧娟,武欣竹.基于Solidworks Simulation的有限元分析方法.CAD/CAM與制造業信息化·2011,9

2 張希黔,石毅.上海正大廣場鋼結構吊裝施工方案虛擬仿真系統.《施工技術》2000年08期第28-31頁

(收稿日期：2015-10-21)

TB303

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1672-9323(2016)05-0063-04

2016-10-02)