TOFD检测技术在压力容器中的应用

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  摘 要:概述了TOFD检测技术的原理、优缺点以及在压力容器中的应用分析,介绍了TOFD检测盲区的部分解决方法。
  关键词:TOFD;优缺点;射线检测;渗透检测;盲区
  1、TOFD检测原理
  TOFD技术作为一种较新的超声波检测技术,不同于以往的常规超声技术,它利用的是在固体中声速最快的纵波在缺陷端部产生的衍射来进行检测。其采用两个频率、尺寸和角度都相同的纵波斜探头进行检测,对称放置在焊缝两侧,一个探头起发射作用,另一个探头起接收作用。如下图所示。
  当入射波作用于缺陷时,在缺陷表面产生超声波反射的同时,还将从缺陷尖端产生衍射波。衍射波信号比反射波信号弱的多,且在较大范围内向各个方向传播,TOFD就是利用缺陷尖端产生的衍射波进行检测的。当TOFD检测有缺陷的工件时,A-scan会依次产生直通波、缺陷上尖端衍射波、缺陷下尖端衍射波、底面反射波以及变形波的波形图。上尖端的缺陷信号相位变化了180°,与底面反射信号相同,下尖端缺陷信号与直通波相同,缺陷上下尖端衍射波相位相反。理论研究表明,如果两个衍射信号的相位相反,在信号之间一定存在一个连续不间断的缺陷。因此,对分析信号和测定缺陷的准确尺寸,识别相位非常重要。
  TOFD技术采用纵波检测,因为纵波的传播速度最快,几乎是横波的两倍,从而能够领先于其他种类的波,在最短时间内到达接收探头,避免了变形波对目标信号的干扰。
  2、TOFD检测技术的优缺点
  作为一种日渐成熟的现代技术,TOFD检测技术具有很多优点:可靠性好,由于衍射信号波幅基本不受声束角度影响,任何方向的缺陷都能有效的发现,具有很高的缺陷检出率,大多数情况下高于射线照相技术;定量精度高;检测简便便捷;除了用于检测,还可用于缺陷扩展的监测,且对裂纹高度扩展的测量精度极高,可达0.1mm。但同时也具有局限性:由于上下表面盲区的存在,对近表面缺陷的检测可靠性不够;对缺陷的定性比较困难,可以区分上表面开口、下表面开口及埋藏缺陷,但难以准确判断缺陷性质;横向缺陷检测比较困难;点状缺陷的尺寸测量不够准确;复杂几何形状的工件检测有一定困难;对粗晶材料,例如奥氏体焊缝检测比较困难,其信噪比较低。
  3、TOFD检测实际应用
  3.1、TOFD检测前信号参数设置要点
  本次检测采用的TOFD设备型号为omniscan mx2。对TOFD检测数据分析影响较大的参数有脉冲宽度、脉冲重复频率和信号平均化处理等。TOFD系统所使用的的矩形脉冲的宽度应是可调的,通常约在50至500ns,脉冲宽度的选择非常重要,有助于优化超声脉冲信号的形状。改变脉冲宽度可以使周期中不同部分加强或减弱,如果想使两个超声脉冲组成一个单一频率的更强信号,则应将脉冲宽度设置成该频率周期的一半,但余波会变长。如果脉冲宽度设置为该超声波频率的一个周期,则可获得一个很小振幅的信号,余波振动也会变小。这就需要调试过程中将脉冲宽度设置为一个合适的值来获得较好的信号。脉冲重复频率一般在200-2000Hz,最低应能符合扫查速度和数据采集要求,同时也不宜过高,不然会产生幻想波,影响缺陷的判断。从裂纹尖端得到的TOFD衍射信号非常弱,这样的弱信号很容易被噪声干扰,可以通过信号平均来减少噪声,信号平均是获得优质衍射信号的重要方法。以上信号参数在仪器调试过程中需反复调整,以获得最佳采集信号。
  3.2、TOFD检测技术在金陵石化丙烯塔T2204中的应用分析
  丙烯塔T2204材质为16MnR,环缝B3壁厚t等于34mm,坡口为X型,内外表面焊缝宽度均为20mm。现对环缝B3采用TOFD检测,选用5MHz,φ6mm探头,主声束角度为60°,聚焦深度为2t/3=22.7mm,PCS为4t/3tan60°=78.6mm,扫查速度为150mm/s,扫查方式为非平行扫查,技术等级为 B级,耦合剂为水。由于t≤50mm,采用一组探头对检测,将探头中心间距设置为使探头对的声束焦点位于2t/3处,检测区域与探头布置如下图所示。
  环缝B3表面打磨露出金属光泽,无飞溅、铁屑、油垢及其他杂质。探头移动区表面应平整,便于探头的扫查,其表面粗糙度Ra值应不低于12.5μm。保留余高的焊缝,如果焊缝表面有咬边、较大的隆起和凹陷等应进行适当的修磨,并作圆滑过渡,以免影响检测结果的评定;要求去除余高的焊缝,应将余高打磨到与邻近母材平齐。
  现场对环缝B3进行TOFD检测,环缝B3_8-10段检测图谱如下图所示。
  根据评图软件可以得出,大约在1110mm处有一缺陷,其长度约为172mm,深度约为17.2mm,高度约为10mm,根据经验判断该缺陷为裂纹。
  為了对比验证TOFD检测方法的准确性与可靠性,在相同位置采用X射线检测,将X射线机电压设为310kv,电流为5mA,焦距为600mm,曝光时间为15min(国产350kv X射线机),经过暗室处理,底片如下图所示,底片黑度D=2.7-3.5,可以发现底片没有任何缺陷影像。
  由于两种检测方法检测出的结果截然不同,为了更加直观的判断该焊缝是否有缺陷,故决定现场对该部位刨开并采用渗透检测,检测结果如下图所示,发现一条长度大约为178mm左右的裂纹,刨开深度大致与TOFD检测结果相同。
  环缝B3_11.4-12段检测图谱如下图所示
  根据评图软件可以得出,该段焊缝在560mm和660mm处有两处缺陷,其长度分别为74mm、22mm,深度分别为18.4mm、11mm,高度分别为4.4mm、5.4mm,根据经验判断该缺陷为裂纹。
  同样采用X射线检测进行对比验证,底片如下图所示,底片黑度D=2.7-3.5,底片没有任何缺陷影像。
  现场对该焊缝疑似缺陷部位刨开并采用渗透检测,检测结果如下图所示,发现有两条长度分别为70mm和25mm左右的裂纹,其位置与深度与TOFD检测结果大致相同。   环缝B3_12-0段检测图谱如下图所示
  根据评图软件可以得出,大约在121mm处有一缺陷,其长度约为114mm,深度约为29mm,高度约为3mm,根据经验判断该缺陷为裂纹。
  同样采用X射线检测进行对比验证,底片如下图所示,底片黑度D=2.7-3.5,底片没有任何缺陷影像。
  现场对该焊缝疑似缺陷部位刨开并采用渗透检测,检测结果如下图所示,发现有一条108mm左右的裂纹,其位置与深度与TOFD检测结果大致相同。
  由上面三组实例可以看出,TOFD检测对裂纹的检出率高于射线检测。裂纹是焊接接头中最危险的缺陷,由于裂纹是一种面积型缺陷,与气孔、夹渣之类的体积型缺陷相比,射线照相对裂纹的检出率要低得多。像质计灵敏度、透照角度、裂纹的开口宽度和透照几何条件、裂纹截面形状、透照厚度、射线源和胶片种类等都会影响射线照相对裂纹的检出率。而TOFD检测由于利用裂纹尖端产生的衍射波进行检测,衍射信号不受声束角度的影响,所以任何方位的裂纹都能被有效检出,相对于射线检测具有较高的检出率。
  4、TOFD检测技术的的盲区分析及解决方法
  TOFD检测技术由于存在上下表面盲区的问题,所以在压力容器检测中应该加以重视。所谓盲区是指应用TOFD技术检测时,被检体积中不能发现缺陷的区域。对上表面缺陷,其信号可能隐藏在直通波信号下而漏检,对下表面缺陷,其信号有可能被底面反射信号淹没而漏检。与下表面盲区相比,上表面盲区范围更大,对检测可靠性的影响也更大。
  除了通过采用高频短脉冲宽频带探头、减小探头中心间距的方法减小表面盲区范围外,还可以通过以下措施减小盲区的不利因素。
  (1)双面扫查
  双面进行TOFD检测不但可以减小盲区,还可以提高缺陷分辨率,但是检测的工作量增加了一倍。此外有时工件结构或现场条件会影响双面扫查的进行。
  (2)磁粉检測和渗透检测
  这两种方法工艺成熟,对表面缺陷检测可靠性很高。但渗透检测对表面不开口的缺陷无法检出,使用效果不好。恰当的磁粉检测工艺可以检测处埋藏深度2-3mm的缺陷。这一深度基本解决了TOFD检测的下表面盲区问题。
  (3)手工脉冲反射法超声检测
  采用手工脉冲反射法对上表面和下表面盲区进行补充检测时,焊缝余高一定要磨平,这样效果才好。
  在压力容器检测中,考虑到多方面的影响,一般同时采用手工脉冲反射法超声检测和磁粉检测来解决TOFD检测的上下表面盲区问题,这样可以最大程度的保证缺陷检出率,提高压力容器的质量。
  5、TOFD检测技术的总结
  TOFD检测技术作为日渐成熟的现代技术,在国内的应用日益广泛,在压力容器检测方面具有很大的优势,尤其是厚壁。我们要充分发挥其优点,使用其它检测技术弥补其缺点。可以预见,该技术将在国内得到快速发展,并具有良好的应用前景。
  参考文献:
  [1]强天鹏.衍射时差法(TOFD)超声检测技术.中国劳动社会保障出版社
  [2]强天鹏.射线检测.中国劳动社会保障出版社
  [3]NB/T47013.10-2015承压设备无损检测第10部分:衍射时差法超声检测
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