3 000 m3液氨球罐TOFD檢測應用

（合肥通用機械研究院，安徽壓力容器與管道安全技術省級實驗室，安徽合肥230031）

3 000 m3液氨球罐TOFD檢測應用

劉國棟，陳賢洮，王 林

（合肥通用機械研究院，安徽壓力容器與管道安全技術省級實驗室，安徽合肥230031）

介紹球罐的技術特點和液氨球罐在現場建造過程中的焊縫檢測難點，以及TOFD檢測技術的特點分析和國內TOFD檢測標準的發展和應用更新，列舉了TOFD檢測在3000m3液氨球罐工程上的應用實例。總結出TOFD檢測代替射線檢測在3 000 m3液氨球罐建造上應用的可行性。同時，分析了在應用TOFD進行焊縫檢測時，TOFD檢測精度和結果的影響因素。在說明TOFD檢測應用優勢的同時又指出TOFD檢測的不足之處，即TOFD檢測存在一定的表面和底面盲區，球罐采用TOFD檢測時仍然需要輔以脈沖反射法超聲波檢測和表面檢測。為今后同類設備的無損檢測應用提供了應用經驗和工程借鑒。關鍵詞：TOFD檢測；球罐；盲區

0 前言

隨著國民經濟的快速發展和工業的大規模建設，大型化成為球罐建造的必然趨勢。球罐大型化主要受制于球罐建造材料、焊接以及無損檢測技術，在材料沒有升級的前提下，球罐的壁厚勢必增加。因此球罐的大型化導致焊縫增加，焊接難度增加，焊縫的無損檢測難度也相應增加。

球罐焊接質量直接影響到球罐的安全可靠運行，如何高效地進行球罐焊縫的無損檢測，提高焊縫缺陷檢出率，避免漏檢，一直是國內檢測機構及科研單位著力解決的問題。

1 球罐無損檢測的特點

（1）焊縫較長。以3 000 m3球罐為例，三帶十支柱混合橘瓣式結構的球罐焊縫總長約455.5 m，四帶十支柱混合橘瓣式結構的球罐焊縫總長約為525.6 m。

（2）球罐的現場組焊為全位置焊接，因此焊縫檢測也相應為平、橫、立、仰位置的檢測。

（3）受球罐自身結構和施工工序的影響，球罐需要在焊縫清根后、焊接完成后、熱處理后、水壓試驗后等分別進行滲透、超聲、射線或TOFD、磁粉檢測。

2 液氨球罐的特點

（1）受檢球罐公稱容積3 000 m3，盛裝介質為液氨。碳鋼和低合金鋼在無水液氨中具有一定的應力腐蝕開裂敏感性。因此，該球罐在設計時就不能選用Rm≥540 MPa的高強鋼材料。目前，液氨球罐根據設計壓力的不同選用16MnDR和Q370R兩種材料[1]。該球罐的設計壓力為2.354 MPa，因此選用Q370R更為合理，最終確定的名義厚度為56 mm。

（2）該球罐采用三帶十支柱混合橘瓣式結構，對接焊縫總長455.5 m。對于56 mm厚的球罐來說，X射線機根本無法滿足工程需要，Co60和加速器更不可能用于現場，只能采用γ射線源全景曝光透照或TOFD檢測技術。由于較大直徑的球罐在采用γ射線源進行中心曝光時，一方面較難檢測出焊縫中存在的面積型缺陷[2]。另一方面，壁厚越大，一次透照所需的γ射線源的能量越大，同時γ射線源的能量會隨著時間的推移而迅速衰減，后續透照需要的曝光時間會逐步增加；γ射線源的運輸、使用、保管等環節都涉及到公眾安全，管理相當嚴格。現在γ射線檢測在球罐檢測上的應用已越來越少，目前常用的檢測方法為TOFD檢測。

3 TOFD檢測

3.1 TOFD原理

衍射時差法超聲檢測（TOFD）是當前超聲波檢測領域的前沿技術之一，是一種利用超聲波衍射現象、非基于波幅的自動超聲檢測方法，其基本特點是采用一發一收工作模式。發射探頭和接收探頭按一定間距相向放置，使用發射探頭向被檢焊縫發出一束指向角足夠大的斜射縱波聲束，此聲束覆蓋整個被檢區域，若在缺陷上下端部能產生衍射波并被同尺寸、同頻率的接收探頭接收到，則根據直通波與由缺陷上下端部產生的衍射波以及底波到達接收探頭的傳播時間差與聲速的關系，可準確地測出缺陷（如裂紋）的埋藏深度和自身高度。

3.2 TOFD標準的發展應用

TOFD技術在國外已經發展應用多年，但在國內的應用時間較短。2009年底，TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術監察規程》開始提出應用TOFD檢測代替射線檢測[3]。2010年以前，國內的幾家TOFD檢測應用研究機構（或單位）只能通過各自的企業標準進行有限范圍內的應用，且TOFD檢測具體應用到某個項目前都必須經過國家質量技術監督檢驗檢疫總局的備案許可。直至2010年8月27日，NB/T 47013.10-2010《承壓設備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測》標準才正式發布。隨后GB150-2011《壓力容器》在修訂時也將TOFD檢測方法納入其中[3]。2015年4月2日，《承壓設備無損檢測第10部分：衍射時差法超聲檢測》更新至NB/T 47013.10-2015[5]。隨著TOFD標準的不斷更新，TOFD在國內的應用逐步被廣大工程技術人員認可接受。

3.3 TOFD檢測的特點

（1）從工件適用厚度范圍上，TOFD檢測適用的工件厚度為12～400 mm。

（2）從技術性能上看，TOFD能檢出對接接頭中的未焊透、氣孔、夾渣、裂紋、未熔合等缺陷，且檢出率較高，能確定缺陷的深度、長度和自身高度，厚壁工件缺陷檢測靈敏度較高；檢測結果較為直觀，監測數據可記錄和存儲。

（3）從安全環保性上看，TOFD檢測不產生環境危害，也不會對操作人員造成人身傷害。

（4）從檢測周期上看，TOFD檢測在球罐一段（條）焊縫焊接完成后即可進行檢測，而不必等到球罐整體焊接成型后再進行檢測，有利于加快球罐的建造進度。

（5）從經濟性上來講，TOFD檢測成本低，只有設備的購置及維護成本和人員成本。

4 TOFD檢測應用實例

該液氨球罐的主要設計參數：公稱容積3000m3，內徑18 000 mm，設計壓力2.354 MPa，設計溫度-20/50℃，名義厚度56 mm。結構形式：三帶十支柱混合橘瓣式，共計34塊球殼板；焊縫總長455.5 m。

4.1 檢測儀器及設備

儀器型號為HS810的TOFD檢測儀；探頭為5 MHz φ6，3.5 MHz φ8；楔塊角度：70°/55°；耦合劑：水；對比試塊/模擬試塊：T=62/T=62 mm；掃查裝置：手動掃查器，帶編碼器。

4.2 檢測區域

本次球罐對接焊縫的檢測厚度為56 mm，檢測寬度為焊縫本身43 mm加兩側各25 mm的寬度，如圖1所示。采用兩對探頭雙通道模式檢測。探頭聲束在所檢測區域高度范圍內相對聲束軸線處的聲壓幅值下降不應超過12 dB。

圖1 TOFD檢測區域示意

4.3 表面準備

（1）清除焊縫和熱影響區的飛濺、焊疤、焊渣等。

（2）打磨焊縫表面咬邊、較大的隆起和凹陷等，確保焊縫余高在規定范圍內。

（3）檢測前應在工件掃查面上予以標記，標記內容至少包括焊縫編號、掃查起始點和掃查方向，同時在母材上距焊縫中心線規定距離處畫一條線作為掃查裝置運動的參考。

4.4 球罐檢測焊縫分布

該3 000 m3液氨球罐焊縫分布如圖2所示。

圖2 球罐焊縫分布

4.5 TOFD檢測結果

本次TOFD檢測焊縫455.5 m，發現超標缺陷31處。根據返修通知單提供的缺陷位置對焊縫進行實際解剖返修，均在TOFD檢出部位不同程度地發現了氣孔、夾渣或未熔合等缺陷。選取有代表性的幾處缺陷，如圖3～圖5所示。

經實際解剖驗證，圖3為氣孔和夾渣缺陷，圖4為連續密集氣孔缺陷，圖5為斷續夾渣缺陷。說明雖然TOFD檢測不能對缺陷進行定性，但是對缺陷位置和缺陷的檢出率比較準確，可用于現場施工。

圖3 缺陷附圖（一），焊縫標記F6-2，長度199.3 mm，深度35.9 mm，高度8.2 mm

圖4 缺陷附圖（二），焊縫標記：AF-19，長度358.4 mm，深度10.9 mm，高度4.4 mm

圖5 缺陷附圖（三），焊縫標記：AF-30，長度221.6 mm，深度31.8 mm，高度5.4 mm

4.6 TOFD實際應用體會

（1）焊縫余高對TOFD檢測精度和結果有一定影響，因此在檢測前應打磨焊縫余高，確保在設計要求范圍內。

（2）TOFD檢測存在表面和底面盲區，因此需要改進檢測工藝或者其他檢測方法對表面和底面盲區進行補充檢測。

（3）TOFD檢測出的缺陷雖然能夠確定缺陷的深度、長度和自身高度，但在尋找缺陷具體位置時不如底片直觀，有時需輔助脈沖反射法超聲波檢測再次定位缺陷。

通過3 000 m3液氨球罐TOFD檢測應用實例，總結出TOFD檢測在該球罐建造上的應用是可行的。相對射線檢測而言，TOFD檢測技術在大型球罐的檢測上有環保、經濟、效率高、檢出率高、促進球罐建造精度等優勢，一般情況下可以代替射線檢測。

[1]GB/T 12337-2014，鋼制球形儲罐[S].

[2]NB/T 47013.1－2015，承壓設備無損檢測第1部分：通用要求[S]．

[3]TSG R004－2009，固定式壓力容器安全技術監察規程[S]．

[4]GB 150－2011，壓力容器[S]．

[5]NB/T 47013.10-2015，承壓設備無損檢測第10部分：衍射時差法超聲檢測[S].

Application of TOFD testing on a 3 000 m3liquid ammonia spherical tank

LIU Guodong，CHEN Xiantao，WANG Lin
（Hefei General Machinery Research Institute，Anhui provincial laboratory for safety technology of pressure vessels and pipelines，Hefei 230031，China）

According to illustration about characteristics of spherical tanks and NDT difficulties of liquid ammonia spherical tanks，features of TOFD testing technology and improvement and updates of TOFD standards，a instance about TOFD application on 3 000 m3liquid ammonia spherical tank is enumerated in this paper.It is correct that the ammonia spherical tank is constructed by TOFD not radiographic testing.Although TOFD haves a lot of advantages on spherical tanks NDT，TOFD testing technology have blind zones of the upper and bottom surface.Meanwhile，magnetic particle and penetrant testing should be application to spherical tanks construction besides TOFD.It provided some experience for reference in similar tanks.

TOFD testing；spherical tank；blind area

TG457

B

1001－2303（2017）11－0117-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.24

本文參考文獻引用格式：劉國棟，陳賢洮，王林.3 000 m3液氨球罐TOFD檢測應用[J].電焊機，2017，47（11）：117-119.

2017-03-01；

2017-04-07

劉國棟（1981—），男，工程師，主要從事壓力容器的技術服務、安裝管理、檢測檢驗等工作。E-mail：lgd1020@163.com。