基于覆材側的不銹鋼復合板球罐超聲波衍射時差法檢測

毛國均，張子健，柴軍輝，，張小龍，呂鐘杰，吳家喜，胡 健，李澤鑫

(1.寧波市特種設備檢驗研究院，寧波 315048；2.寧波市勞動安全技術服務公司，寧波 315048；3.寧波明峰檢驗檢測研究院股份有限公司，寧波 315200)

不銹鋼復合板球罐作為一種典型的復合板制承壓設備，經常在石油化工行業中使用，超聲衍射時差法(TOFD)檢測是球罐對接焊縫的有效無損檢測方法之一，但使用TOFD檢測技術對不銹鋼復合板球罐檢測還存在以下問題：① 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》中規定，若從基材側對基材對接接頭進行TOFD檢測，可參照該部分使用，但對于總厚度為2030 mm的球罐對接焊縫，在TOFD檢測驗證后發現，直通波盲區和基材-過渡層的結合面信號回波會造成檢測有效可視區域較小，總體盲區偏大，且信噪比低，檢測效果較差；② NB/T 47013.10-2015對基于覆材側的TOFD檢測也進行了說明，若從覆材側對基材對接接頭進行TOFD檢測，也可參照該標準執行，但未對具體檢測工藝參數進行規定，需要進一步研究，相關文獻資料也未對該問題進行有效研究。筆者采用CIVA軟件仿真不銹鋼復合板TOFD檢測工藝，用對比試塊驗證了該檢測工藝的可靠性，最后對一臺在役的體積為500 m3的不銹鋼復合板球罐進行現場檢測，為開展基于覆材側不銹鋼復合板球罐的TOFD檢測打下一定的基礎。

1 CIVA軟件仿真

1.1 CIVA模型

采用平板對接焊縫模型進行模擬仿真，工件尺寸為250 mm×150 mm×20 mm(長×寬×高)，其中基材為Q345R鋼，厚度為17 mm，覆材側為316L鋼，厚度為3 mm。對接焊縫CIVA模型分為3層，基材為Q345R鋼+過渡層焊條E309Mo-16+覆材316L鋼，其中焊縫坡口形式參照標準GB/T 13148-2008《不銹鋼復合鋼板焊接技術要求》選取6.3節中的對接2號X型坡口(見圖1)，為與后續對比試塊檢測數據進行比對，在CIVA模型中添加長橫孔和矩形槽缺陷，分別驗證TOFD檢測工藝表面盲區和焊縫中下部的靈敏度，CIVA三維模型如圖2所示。

圖1 對接2號X型坡口尺寸示意

圖2 對接焊縫的CIVA三維模型

1.2 聲場計算

TOFD檢測的主要工藝參數有：PCS(探頭中心間距)、探頭頻率、折射角度與晶片尺寸等[1-2]，結合所研究的內容，還需設置檢測面對聲場的影響，研究采用CIVA軟件中超聲檢測(UT)模塊的Beam Computation(聲場計算)功能進行計算，對-12 dB和-6 dB的聲束覆蓋范圍進行分析，比對各種情況下聲束對工件的覆蓋情況能否滿足檢測要求，選取出最佳檢測工藝參數。從PCS、探頭頻率、折射角度、晶片尺寸和檢測面等5個因素進行模擬計算，相關設置根據NB/T 47013.10-2015的推薦值進行排列。

1.2.1 改變探頭頻率對聲場的影響

選取PCS為75 mm，折射角為70°，晶片尺寸為φ6 mm，檢測面為覆材側，對探頭頻率為5，7.5，10 MHz的情況進行仿真，不同探頭頻率對TOFD聲場影響的仿真結果如圖3所示。

圖3 不同探頭頻率對TOFD聲場影響的仿真結果

探頭頻率對聲場的影響分析結果如表1所示(pts為CIVA軟件在不同工藝條件下波高能量大小比較的特殊單位，pts值越大，質點能量越大)。

從表1可以看出，探頭頻率選取7.5 MHz時，綜合比較各項參數具有最優結果。

1.2.2 改變PCS和折射角對聲場的影響

模擬計算選取探頭頻率為7.5 MHz，晶片尺寸為φ6 mm，檢測面為覆材側不變，折射角選取60°，65°，70°，分別計算PCS在70，75，80 mm下的聲場情況，計算結果如圖4所示。

表1 不同探頭頻率對聲場的影響分析結果

從圖4可以看出，TOFD縱波聲場大體呈圓錐形，聲場能量主要集中在一定的區域內，通過比較聚焦深度、聲場能量、-6 dB和-12 dB聲束水平和深度方向覆蓋范圍來確定最佳PCS和折射角度，其中聲場能量取聚焦范圍最高點的振幅作為代表，不同PCS、不同折射角度對聲場的影響分析結果如表2所示。

圖4 不同PCS和折射角度對TOFD聲場影響的仿真結果

表2 不同PCS、不同折射角度對聲場的影響分析結果

根據表2，計算區域內能量最大點位置，將-6 dB和-12 dB覆蓋范圍進行綜合比較，得出PCS為75 mm，折射角度為70°時，聲場覆蓋具有最優結果。

1.2.3 改變晶片尺寸對聲場的影響

選取PCS為75 mm，折射角為70°，探頭頻率為7.5 MHz，檢測面為覆材側不變，在晶片尺寸分別為φ2，φ4，φ6 mm的情況下進行仿真，不同晶片尺寸對TOFD聲場影響的仿真結果如圖5所示。

晶片尺寸對聲場的影響分析結果如表3所示。

從圖5和表3可以看出，晶片尺寸為φ2 mm時，縱波聲場未形成明顯聚焦；晶片尺寸為φ4 mm時，僅存在微弱的聚焦效果；晶片尺寸選取φ6 mm時，綜合比較各項參數具有最優結果。

圖5 不同晶片尺寸對TOFD聲場影響的仿真結果

表3 晶片尺寸對聲場的影響分析結果

1.2.4 改變檢測面對聲場的影響

選取PCS為75 mm，折射角為70°，探頭頻率為7.5 MHz，晶片尺寸為φ6 mm，對檢測面設置為基材側和覆材側的情況進行仿真，結果如圖6所示。檢測面對聲場的影響分析結果如表4所示。從圖6和表4可以看出，若從基材側檢測，由于對接焊縫由3層不同材料組成，且焊態不銹鋼對縱波較碳鋼對縱波存在明顯衰減，TOFD縱波未形成能量聚焦，且存在多個波幅極值點，這對檢測來講是極為不利的，因此僅基于聲場能量這一角度來講，從覆材側進行檢測相對于從基材側進行檢測具有明顯的優勢。

圖6 不同檢測面對TOFD聲場影響的仿真結果

表4 檢測面對聲場的影響分析結果

綜上所述，針對20 mm(17 mm+3 mm)厚不銹鋼復合板基于覆材側的檢測工藝定為：PCS為75 mm，探頭頻率為7.5 MHz，折射角度為70°，晶片尺寸為φ6 mm。

1.3 缺陷響應

根據上節所選取的TOFD檢測工藝參數，在CIVA模型中添加長橫孔和矩形槽缺陷，進行缺陷響應的模擬計算，所添加的缺陷參數如表5所示。

表5 CIVA模型中所添加的缺陷參數

分別采用CIVA軟件中的長橫孔和矩形面狀缺陷進行設置，長橫孔的設置主要考慮驗證檢測工藝的表面盲區深度和焊縫中部的檢測靈敏度，覆材側矩形槽的設置主要考慮驗證檢測工藝的表面盲區，基材面矩形槽是為了驗證檢測工藝在焊縫根部的檢測靈敏度。CIVA 三維模型缺陷設置如圖7所示。

采用聲場計算得出的檢測工藝參數，分別基于覆材側和基材側對試塊進行非平行掃查，從缺陷響應的角度來驗證基于覆材側檢測工藝的可靠性。

圖7 CIVA 三維模型缺陷設置

1.3.1 基于覆材側檢測

對于長橫孔的缺陷算法選擇基爾霍夫衍射理論模型，矩形面狀缺陷的算法選擇幾何衍射理論(GTD)模型。GTD模型是幾何光學理論的延伸，解決了非連續場的計算問題，主要用于TOFD缺陷響應里的面狀缺陷計算[3]，在整個非平行掃查過程中，僅計算縱波響應，不考慮橫波和波形轉換，基于覆材側的仿真結果如圖8所示。

圖8 基于覆材側的TOFD檢測仿真結果

由圖8可知，在該檢測工藝參數下，1#，3#，5#，7#，9#缺陷能很好地檢出，其中3#～5#圖像符合典型下表面開口缺陷的形貌，2#，4#，6#，8#缺陷由于埋深為1～4 mm，且根據理論計算直通波盲區為6.6 mm，因此無法檢出缺陷，均淹沒在直通波盲區里，但是1號長橫孔在D掃圖和A掃圖中能明顯發現，直通波處信號幅度有明顯加強，其次整個D掃圖中未見異種鋼結合面處的回波信號。

1.3.2 基于基材側檢測

基于基材側的TOFD檢測仿真結果如圖9所示。

圖9 基于基材側的TOFD檢測仿真結果

由圖9可知，基于基材側的TOFD檢測可以發現1#，2#，4#，6#，8#，9#缺陷，但3#，5#，7#缺陷淹沒在直通波盲區內，值得注意的是，在整個D掃圖中有明顯的異種鋼結合面處的回波信號，這個回波信號對檢測來講是不利的，理論模型結合面是光滑平整的，實際模型是粗糙不平整的，界面回波信號影響會變大，現將兩種檢測方法對缺陷的檢出結果進行比較(見表6)。

表6 兩種檢測方法缺陷響應結果

從表6可以看出，采用覆材側或基材側TOFD檢測時，對于缺陷的幾何尺寸測量均具有較高的精度，誤差在1 mm以內，但基于覆材側檢測缺陷信號回波強度明顯強于基于基材側檢測缺陷信號回波強度，部分數據相差一個數量級，原因在于基于覆材側的TOFD檢測具有聚焦聲場，能量較為集中。

1.3.3 TOFD-D掃圖有效可視區域的比對

NB/T 47013.10-2015中關于復合板TOFD檢測主要關注的是基材對接接頭部分，因此有必要對兩種檢測方法的有效可視區域進行對比分析(見表7)。

從表7可以看出，覆材側檢測有效可視區域范圍明顯大于基材側檢測的，異種鋼結合面信號和焊縫不銹鋼部分信號均被直通波盲區所覆蓋，基材側檢測3處非有效區域不相互重疊，占據了D掃圖中大部分面積，其次TOFD-D掃圖在工件厚度方向上不是按比例設置的，進一步造成了基材焊接接頭可視部分的壓縮。

1.4 小結

采用CIVA仿真技術對覆材側和基材側兩種檢測工藝進行了研究，結果表明：從聲場能量、缺陷響應、D掃圖有效可視區域等3個方面來講，覆材側檢測較基材側檢測具有明顯的優勢。

表7 兩種檢測方法有效可視區域對比

2 對比試塊驗證

圖10 20 mm(17 mm+3 mm)厚不銹鋼復合板對比試塊尺寸示意

基于上述CIVA仿真結果與結論，采用20 mm(17 mm+3 mm)厚不銹鋼復合板對比試塊進行實際TOFD檢測驗證，分別從覆材側和基材側進行掃查，并對結果進行比對分析。比對試塊尺寸示意如圖10所示，檢測設備為：南通友聯PXUT-920 TOFD檢測儀，7.5 MHz、φ6 mm探頭一對，70°楔塊一對，編碼器一個。20 mm(17 mm+3 mm)厚對比試塊檢測結果如圖11所示。

圖11 20 mm(17 mm+3 mm)對比試塊檢測結果

從圖11(a)可以看出，基于覆材側檢測可以明顯發現9#長橫孔(埋深10 mm)，覆材側6#，8#矩形槽(埋深3，4 mm)，基材側3#，5#，7#矩形槽(埋深2，3，4 mm)，未檢測出1#長橫孔，因此可以得出表面盲區為3 mm，小于理論計算表面盲區6.6 mm，未發現異種鋼界面回波信號，整個圖譜具有較高的信噪比。

從圖11(b)可以看出，缺陷檢出率明顯偏小，僅檢出5#，7#，9#缺陷，同時9#長橫孔易受雜波信號干擾，基材側5#，7#矩形槽(3，4 mm)可見，表面盲區同樣為3 mm，覆材側矩形槽未見明顯回波信號，同時整個圖譜中存在明顯的連續異種鋼界面回波信號，相比于CIVA仿真，信號更為強烈，且存在多層界面波，這是由于焊接過程中異種鋼的結合面不像仿真中的光滑、平整、無缺陷和無雜質，這類界面回波信號會影響整個圖譜的信噪比，且有效可視區域較小，對缺陷的定量、定性都極為不利。

對比試塊的驗證結果表明：基于覆材側的復合板TOFD檢測具有明顯的優勢，與CIVA仿真結果具有較高的吻合性。

3 現場檢測應用

根據CIVA仿真優化和對比試塊驗證的TOFD檢測工藝，對某化工企業一臺500 m3環氧丙烷不銹鋼復合板球罐進行開罐后基于覆材側的TOFD檢測，該球罐規格為Di9900×(17+3) mm，材料為Q345R+304不銹鋼，TOFD檢測抽查45 m，對于掃查面盲區采用手工超聲檢測(UT)和滲透檢測(PT)進行補充檢測，對于底部盲區采用兩側偏置非平行掃查進行補充檢測，TOFD檢測結果如表8所示，球罐的TOFD檢測D掃圖如圖12所示。

表8 TOFD現場檢測結果

圖12 500 m3球罐的TOFD檢測D掃圖

根據表8和圖12可以看出:TOFD檢測共發現4處超標缺陷，根據NB/T 47013.10—2015評定為Ⅲ級，需要進行返修處理；采用基于覆材側的復合板TOFD檢測工藝，異種鋼界面回波與直通波相互疊加，有效可視區域范圍增大，盲區減小，缺陷圖譜清晰，具有較高的信噪比。

4 結語

針對不銹鋼復合板球罐基材側TOFD檢測存在的問題，提出了基于覆材側的TOFD檢測技術。采用CIVA仿真檢測工藝，進行了對比試塊驗證和現場檢測應用，結果表明：基于覆材側的檢測工藝具有聲場能量集中、缺陷檢測靈敏度高、信噪比高、有效可視區域大等優勢，檢測工藝是復合板球罐對接焊縫有效且重要的檢測手段之一，對于廣泛地開展不銹鋼復合板球罐覆材側TOFD檢測具有一定的指導意義。