TOFD方法在厚壁承壓設備焊縫檢測中的試驗和應用

張占國

摘要：TOFD檢測的基礎在國際方面的應用范圍日益擴大，尤其是對于大后壁的承壓設備來說，由于射線檢測等傳統檢測方法已經難以滿足此類設備的檢測需求，可以通過利用TOFD技術擴大檢測作業的整體厚度，利用此類檢測技術的靈敏度特性，在檢測裂紋類缺陷時能夠獲得較強的敏感性，在此類作用和優勢的支撐基礎上充分的發揮出了TOFD檢測技術的實用價值，通過對厚壁容器焊縫TOFD檢測技術的實驗與研究，使該項技術在最大后壁板焊加氫反應器的現場檢測作業當中獲得了優質的應用效果。

關鍵詞：TOFD方法;后壁承壓設備;焊縫檢測;實驗;應用

TOFD是一種利用超聲波衍的超聲檢測方法，并且具有自動化的特點，在通常情況下可以使用縱波斜探頭，利用“一發一收”的模式對相關設備進行檢測，當發射探頭發出超聲脈沖之后，直通波屬于首先到達接收探頭的波形，其次是底面反射波，當檢測主體存在缺陷時，接收探頭會在直通波和底面反射波之間接收到由缺陷處所產生的衍射波，實現TOFD方法在后壁承壓設備焊縫檢測階段的有效使用。

一、分析TOFD檢測技術在國內外的實際應用情況

我國在開發并研究TOFD檢測技術的過程中，從方法標準制定、靈敏度確定以及對比試塊確定等不同的方面入手，在早期的起步階段通常是以統一化的行業標準規定或國家規定為主要研究內容，為TOFD檢測技術的推廣奠定了良好的基礎。TOFD檢測技術在西方的發達國家發展過程中，已經獲得了一定程度的優勢與作用，其中包含了核工業、電力工業以及石油化學工業等行業，實現了對鍋爐、壓力容器以及壓力管道等承壓類型的設備檢測與監測。隨著TOFD技術研發與應用日益深入，多數國家針對TOFD檢測方法制定了較為規范的標準。

二、明確掌握研究TOFD檢測技術的重要作用

在使用射線進行檢測時必須要求附近其他類型的交叉作業立即停止，從而對整體工程的運行進程造成了一定的阻礙。通過引進TOFD檢測技術對設備缺陷進行檢測可以看出，在此類技術的支撐作用下所測定的定量精度與常規類超聲檢測方法相比普遍較高，通常可以達到1mm，將TOFD技術運用到裂紋擴展監控作業當中時，可以看出其定量精度能夠達到0.3mm。另外，現階段我國所使用的承壓設備類型逐漸朝著大型厚壁方向轉型，由于受到了運輸類條件的限制，使多數大型承壓設備在制造作業完成之后無法達到整體運輸標準，所以只能將其進行分段處理，并運送到現場之后再進行組焊。因此，射線檢測等傳統檢測方法不僅無法滿足大后壁設備檢測階段對于靈敏度的要求，還會在現場檢測的過程中在減少射線防護設施建設的過程中所產生的投入。除此之外，TOFD檢測技術相較于常規類型的手工超聲檢測方法來說，其所獲得的缺陷檢出效率普遍較高，在利用TOFD檢測方法時所記錄的圖像信息量更大，在豐富的信息數據支撐作用下使TOFD圖像為缺陷的識別和分析工作帶來了便利性保障。不僅如此，在使用TOFD檢測方法的過程中探頭接收到的衍射信號可以有效避免聲束和缺陷夾角的影響，通過任意方向的缺陷都能夠及時的找出缺陷夾角和聲束的實際情況，在TOFD檢測技術的作用下提高了設備缺陷的檢出效率。

三、對比試塊和模擬試塊的設計與制作

1.基礎考慮要素

首先，試塊的厚度需要與被檢測對象的厚度保持一致，且對比試塊反射體需要選擇橫孔的形式，與常規類型的超聲檢測試塊反射體相同，而模擬試塊所出現的反射體則屬于人工缺陷。其次，需要根據待檢測工件的基本情況予以綜合考慮，使試塊能夠與檢測作業之間保持適應性，將檢測覆蓋范圍、靈敏度的設置等內容包含在內。試塊需要由被檢測對象相關材料制成，例如類似或者相同的材料，在聲速、晶粒結構以及表面條件等方面具有趨同性。再次，還需要針對人工反射體的總體數量予以全面確定，人工反射體的數量需要超過檢測階段所使用的探頭個數，確保每個探頭都能夠在檢測區域內部至少出現一個人工缺陷。另外，還需要確保相鄰的探頭之間，能夠將檢測的厚度范圍保持25%左右的重疊。最后，在對比試塊和模擬試塊的過程中，需要選定特制的大型厚壁板焊式加氫反應器環焊縫，在TOFD現場檢測和制造的過程中明確加氫反應器的基本參數。

2.對比試塊和模擬試塊

對于對比試塊來說，一共制作了11處以人工缺為主的陷橫孔為側鉆孔，試塊材料與反應器材料相同。對于模擬試塊來說，模擬試塊屬于在試塊焊縫內部以及上下表面區域，所開展的模擬實際缺陷的具體操作過程。

四、分析對比試塊和模擬試塊的實驗結果

1.對比試塊的試驗結果分析

首先，分析對比試塊的缺陷高度可以看出，實驗的誤差均在≤10%的范圍內，而部分缺陷由于處于直通波表面盲區內部部分，其誤差達到了21%，而其余部分則無法保障測量結果的準確性。另外，盲區的大小與探頭對之間的間距和探頭的標稱頻率具有直接關系。例如：當頻率為5Mhz時，間距為100mm的探頭，對其產生的檢測盲區在9mm左右。直通波的占寬比例所造成的表面檢測盲區屬于TOFD技術在應用階段的缺陷之一，造成此類問題的原因主要是由于直通波能夠產生一定的脈沖寬度，而脈沖寬度則會在脈沖的持續時間之內，在圖像當中所產生的等效深度。其次，通過對缺陷長度的檢測進行分析，可以看出無論是否處于直通波的盲區內部，任意類型的缺陷長度均能夠得到有效檢測，并確保檢測結果的準確性。最后，通過對對比試塊的缺陷深度進行分析可以看出，深度檢測所產生的誤差較小，部分處于盲區內的深度結果無法得到有效測量。

2.模擬試塊的試驗結果分析

首先，對缺陷高度進行分析可以看出，由于模擬缺陷附近存在其他焊接類缺陷，所以對模擬缺陷的圖像造成了干擾，部分數據難以保障準確性，且尚未檢測出自身高度，其余的缺陷高度誤差均能夠保持在10%以內。其次，對于缺陷長度來說，當誤差處于20～25mm的范圍之間時，長度缺陷相對較小，在實際的檢測過程中，若需要對183mm厚的焊縫進行檢測，那么在選取工藝的過程中可以允許焊接缺陷的最大長度為50mm，此類誤差能夠滿足工程需求。最后，對于缺陷深度來說，實驗結果和實際的加工深度基本上能夠保持一致，但通過與對比試塊進行比較可以發現模擬試塊上的缺陷深度測量誤差相對較大，而產生此類誤差的原因主要是由于試塊焊接作業完成之后，會出現一定的變形而造成。

五、實際產品的焊縫檢測

對130mm厚加氫反應器產品焊縫進行檢測，通過對產品環向焊縫掃查圖像進行分析，可以看出不同的分區圖像具有清晰性的特點，能夠明顯找出缺陷位置。缺陷程度較小但顏色波明顯缺陷來說，若其垂直于焊縫掃查階段，可以及時的獲取缺陷的長度。若在射線底片尚未發現缺陷情況，其主要原因是由于筒體的厚度已經達到183mm的標準，而加速器所拍出的底片灰霧度較大，從而導致檢測靈敏度難以得到有效提升。首先，需要制定完善的檢測工藝，通過實驗確定制定產品焊縫檢測工藝的相關內容，對TOFD檢測探頭對進行合理配置，將角度選擇、頻率選擇、探頭與中心間距選擇包含在內。其次，還需要制作對比試塊與模擬試塊，最后，再用試塊來確定實際檢測階段的靈敏程度。

結論：

在使用TOFD檢測技術的過程中，可以對埋藏缺陷的深度、長度以及高度等不同的尺寸進行判讀，并確保相關數據信息的準確性。將TOFD技術與射線檢測進行比較，可以看出前者在使用過程中對于成本的要求較低，并且不需要特殊的防護作為支撐，且此類技術對于裂紋類的面狀缺陷呈現出了較強的敏感性，實際的檢測厚度范圍較大且靈敏程度較高，不會隨著厚度的增大導致靈敏度出現大幅度降低的情況，充分的彰顯出了TOFD檢測技術在后壁承壓設備焊縫檢測中的優勢與作用。將TOFD技術與常規類型的超聲進行相比，可以看出前者具有一定的優勢與特點，不僅能夠對裂紋等缺陷產生了較強的敏感性，在現場操作階段也具有簡易性的特點，還可以利用圖像的形式對焊縫的檢測結果予以清晰的顯示，在大容量優勢的作用下儲存了大量的檢測圖像以及備份存檔，提升了檢測作業的整體效率。

參考文獻：

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