TOFD检测在大型球形储罐制造安装中的应用

TOFD检测在大型球形储罐制造安装中的应用

张加恬

浙江赛福特特种设备检测有限公司浙江杭州310000

摘要：球形储罐（简称球罐）为大容量的承压球形存储容器。近年来，随着球罐制造技术的飞速发展，其在石油、化工、能源等承压特种设备领域中广泛应用TOFD作为一种新的检测技术，越来越多地替代射线检测。它具有适用厚度大检测灵敏度高、安全环保以及对裂纹类缺陷敏感性强的优势。从TOFD检测前准备图像扫查、缺陷图像判别等方面，并结合大型球形储罐的特点进行了分析和讨论。

关键词：TODF；缺陷检测；球形储罐；应用

现今，焊接技术广泛应用于工业生产和生活中，尤其是大型压力容器中，球罐就是其中一种常见的压力容器。球罐用于储存化学物质，尤其在液化石油气的储存和运输上使用频率很高。这些物质易发生火灾和爆炸，为保证球罐的安全使用，减少事故发生，需要采用无损检测手段定期对使用的球罐进行检测和监测。目前，对焊缝中缺陷的检测方法主要是射线和超声波（UT）检测。射线检测（RT）虽然有效，但检测费用高，检测效率底，对于厚度大的工件无法穿透。于是美国ASME锅炉压力容器规范中甚至提出了在特定前提下，可以采取TODF检测替代射线检测。

1基本原理

1.1超声TODF检测原理

与传统的超声检测方法不同，超声TODF检测的基本原理是采用一对相同尺寸、相同角度和相同频率的纵波探头，将其对称放置在焊缝两侧，通过一发一收的方式，一纵波探头在焊缝的一侧发射超声脉冲，另一探头在焊缝的另一侧接收直通波（LW）、缺陷上端点产生的衍射波（UTW）、缺陷下端产生的衍射波（LTW）和底面回波信号（BW），对这些波形信号进行处理来构建A扫信号，将连续A扫图像叠加构建TODF灰度图像。检测人员通过观察TODF的灰度图像和对应的Ａ扫信号相位对焊缝中的缺陷进行辨识和分析。超声TODF是根据衍射信号的传播时间对焊缝中的缺陷进行定量。

1.2超声相控阵检测原理

超声相控阵聚焦原理，它是通过计算机控制换能器中多个晶片阵元，根据一定的延时法则激励每个阵元晶片产生发射超声波信号，使得各个阵元产生的超声波束在空间中进行叠加合成，波束遇到缺陷后反射回来，按照接收聚焦法则将信号合成，实现声束偏转和聚焦效果。超声相控阵产生高分辨率的超声成像，可以快速精确地对缺陷进行的定位。在超声相控阵中采用延时法则激励脉冲。

2TODF检测技术的应用

2.1TODF检测技术的基本原理

TODF检测技术是一种基于缺陷端点衍射信号对缺陷进行定位、定量的无损检测方法，该技术采用一发一收模式，探头为纵波斜探头，当焊缝无缺陷时，接收探头接收到的前两个信号为直通纵波和底面反射纵波，若焊缝中存在缺陷，超声波入射至缺陷上时，除了产生反射回波，还会在缺陷的端部产生向各个方向传播的衍射波，此衍射波被接收探头接收后，其将位于直通纵波和底面反射纵波之间，通过测量直通纵波与衍射信号的传播时间差，即可得到缺陷的深度和自身高度。

2.2工艺参数选取

检测技术等级为Ｂ级，选取内表面作为扫查面，扫查步进为1mm，信号的平均化处理次数为1，脉冲重复频率为1000HZ，扫查方式为非平行扫查。检测所用标准试块为CSK-1Ａ试块，用于测量探头延时及前沿。探头间距越大，深度分辨率越差，探头间距越小，深度分辨率越好。检测时将探头中心间距设置为探头对的声束交点位置，位于板厚的2/3深度处，因此检测探头的中心间距确定为115mm。探头频率越高，激励出来的信号脉冲宽度越窄，区分出厚度方向相邻位置缺陷的能力越强。一般而言，板厚越小，探头频率越高。有研究表明，为了获得良好的时间分辨率，宜尽可能减小扫查面盲区高度，并提高对缺陷的定位定量检测精度，要求直通纵波与底面反射纵波的时间间隔达到一定的周期数，以能够满足20个信号周期数最为理想。按照标准NB/T《承压设备无损检测第10部分：衍射时差法超声检测》，厚度在3550mm内的对接接头的探头频率选取范围为3-5MHZ。

2.3常规超声检测

常规超声检测一般应安排在TOFD检测之前进行。但由于常规超声检测对缺陷及缺陷尺寸的测量是基于信号的波幅，而影响信号波幅的因素很多：缺陷表面与标准反射体的表面粗糙度不同；工件表面与校准试块的表面粗糙度不同；缺陷

的倾斜角度；缺陷的形状及性质等，均会影响反射信号的波幅。目前球罐焊缝中最主要的缺陷是夹渣类缺陷，其反射波幅通常较低，因此会漏检此类缺陷。例如，在某现场1台2000m3球罐，TOFD共检测出超标缺陷212处，用常规超声检测复检，结果只有34处缺陷最大反射波幅在定量线上，其余缺陷波幅均在定量线下，有的甚至在测长线下。用6dB法测出的缺陷长度基本和TOFD显示的一致。因此按JB/T4730。3-2005，用常规超声检测后仍会有一定量的超标缺陷存在，当然这种情况主要与该台球罐焊缝缺陷基本上为夹渣类缺陷有关。

2.4设备校准

设备深度校准和灵敏度校准一般应在试块上进行，编码器校准应在待检测的焊缝附近校准，校准距离是使扫查装置移动500mm以上，使检测设备所显示的位移长度与实际位移误差小于1%。在检测过程中如对以上校准有怀疑时，应及时复核。另外，检测结束时或在检测过程中每4h应对TOFD检测设置进行复核。

2.5球罐焊缝区段划分

和射线检测一样，TOFD也是按段进行检测并形成该段的A扫和B扫图像。区段划分的原则主要有两点：一是利用球罐焊缝本身结构并根据脚手架搭设的实际情况，如2个字口间的焊缝可以算作一段；二是每段长度不宜过长，否则不利于缺陷的定位和焊接返修后复检，一般以不大于2m为宜。焊缝中心线重合，探头的移动速度不应超过100mm/s。对焊缝进行分段扫查时，则各段扫查区的重叠范围应不少于100mm。扫查过程中应密切注意波幅状况。若发现直通波、底面反射波、材料晶粒噪声或波型转换波的波幅降低12dB以上，应找出原因并重新进行扫查。若发现直通波波幅满屏或者晶粒噪声波幅超过20%时，则应降低增益并重新扫查。对怀疑为横向缺陷的部位增加垂直于焊缝方向的定点扫查。丁字口焊缝部位的扫查尤为重要，首先是焊接时该部位易产生缺陷；再者此处应力集中也容易产生危害性缺陷。因此，对于该部位，当从2个或3个方向进行扫查时，均应100%覆盖丁字口焊缝部位。

结论：通过对球罐现场检测发现，相比于常规超声检测、射线检测，TODF检测技术具有检测效率高、灵敏度高等优点，并且对于大壁厚球罐，TODF检测的优势更为明显，利用图谱可以方便获取缺陷的深度、自身高度等信息，为球罐的安全状况等级评定提供了依据。

参考文献：

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[2]蒋政培，王强，谢正文，等.奥氏体不锈钢焊缝的超声相控阵检测及定量分析[J].中国计量学院学报，2015.

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