董艷柱，張 平，齊向前

（天津誠(chéng)信達(dá)金屬檢測(cè)技術(shù)有限公司，天津市，300384）

0 引言

由上海鍋爐廠有限公司與技術(shù)支持方APBG公司聯(lián)合生產(chǎn)制造的2×1000 MW超超臨界燃煤機(jī)組，采用全懸吊塔式結(jié)構(gòu)、螺旋管圈直流爐。鍋爐主蒸汽、再熱器熱段等部分高壓管道采用了新型馬氏體耐熱鋼SA335 P92。按要求對(duì)機(jī)組管道焊縫進(jìn)行100%射線檢測(cè)，由于主汽管道壁厚達(dá)95.8 mm，給工程管道焊縫檢測(cè)帶來(lái)了極大不便，特別是針對(duì)焊縫層間的細(xì)微裂紋，射線檢測(cè)的靈敏度較低，而常規(guī)的超聲檢測(cè)由于其反射能量過(guò)小也不易發(fā)現(xiàn)。

為確保焊接接頭質(zhì)量及工程進(jìn)度，經(jīng)相關(guān)方協(xié)商并批準(zhǔn)，依據(jù)美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)案例2235-8，使用第I卷和第VIII卷超聲替代射線檢測(cè)。依據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《承壓設(shè)備超聲波衍射時(shí)差法（TOFD）自動(dòng)超聲檢測(cè)》[1]，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝焊口使用衍射時(shí)差法（time of flight diffraction technique，TOFD）超聲檢測(cè)技術(shù)。

1 TOFD超聲檢測(cè)技術(shù)原理及應(yīng)用現(xiàn)狀

TOFD超聲檢測(cè)基本原理如圖1所示。采用一對(duì)收發(fā)縱波探頭，通過(guò)超聲波在缺陷端部產(chǎn)生衍射（衍射波沒(méi)有明顯的方向性），使能量重新分配，接收探頭能夠接收到此衍射波，確定缺陷的存在；記錄信號(hào)的傳播時(shí)間就可以測(cè)量出缺陷的高度，從而可以對(duì)缺陷進(jìn)行定量。缺陷尺寸被定義為衍射信號(hào)的傳播時(shí)間差，故信號(hào)波幅與缺陷定量沒(méi)有關(guān)系，這與傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)完全不同。當(dāng)缺陷位于兩探頭中心，已知聲速C、探頭間距2S及缺陷端點(diǎn)衍射信號(hào)傳播時(shí)間t，則可據(jù)式（1）求出缺陷上下端點(diǎn)的位置d。

TOFD超聲檢測(cè)技術(shù)是利用信號(hào)的相位和時(shí)間作為缺陷類型、位置、高度及長(zhǎng)度評(píng)判的依據(jù)，缺陷的檢出率、檢測(cè)精度和尺寸測(cè)量不受缺陷位置、角度與方向的影響。

TOFD超聲檢測(cè)技術(shù)用于焊縫檢測(cè)在歐美國(guó)家至少有十幾年的歷史，主要應(yīng)用于石油、化工、鐵路、電力、橋梁和特種設(shè)備等工程項(xiàng)目的金屬檢測(cè)。在歐洲標(biāo)準(zhǔn)CEN1997（WGAC9613）中，直徑75 mm、壁厚6～300 mm的容器或管道均可采用TOFD技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。我國(guó)近幾年開(kāi)始對(duì)此技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究，國(guó)內(nèi)已有多家企業(yè)和機(jī)構(gòu)從歐美引進(jìn)了TOFD超聲檢測(cè)設(shè)備，相關(guān)的國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在制訂中。

2 TOFD超聲檢測(cè)技術(shù)與常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)比分析

由于P92鋼合金元素含量較高，淬硬傾向大，焊接過(guò)程中熔池金屬黏度大，流動(dòng)性差，如果焊接過(guò)程中線能量控制不好，或收弧控制不好，就容易形成夾渣、未熔合、裂紋等缺陷，其特點(diǎn)是缺陷比較細(xì)小、超聲反射能量相對(duì)比較低，有一定方向性，且斷續(xù)分布，單純地從波形及能量上判斷，容易造成漏檢。

P92鋼中常見(jiàn)典型缺陷如圖2所示。圖3為ID699×43 mm的P92鋼的未熔合UT（超聲波）檢測(cè)波形與TOFD檢測(cè)波形對(duì)比圖形，UT檢測(cè)最高波為SL+1dB，長(zhǎng)度滿足DL/T 820標(biāo)準(zhǔn)要求；從TOFD圖譜可明確判斷出缺陷性質(zhì)（未熔合特征），亦可準(zhǔn)確測(cè)量未熔合的長(zhǎng)度和深度。

圖4為規(guī)格為ID349×91 mm/A355 P92管道的常規(guī)UT掃描波形、對(duì)應(yīng)的TOFD圖譜以及焊縫挖開(kāi)后呈現(xiàn)的樹(shù)枝狀裂紋缺陷的照片。常規(guī)超聲檢測(cè)最高波為SL-2dB，容易造成漏檢；而裂紋尖端的衍射信號(hào)較強(qiáng)，由于裂紋呈斷續(xù)狀，所以產(chǎn)生多個(gè)衍射信號(hào)，在圖像上形成密集的拋物線信號(hào)特征，利用TOFD儀器自帶軟件可精確測(cè)量出缺陷的高度和長(zhǎng)度。

TOFD超聲檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)速度快，檢出能力強(qiáng)，通過(guò)非平行掃查和平行掃查能夠精確確定缺陷的長(zhǎng)度和高度，TOFD檢測(cè)還可用于缺陷擴(kuò)展的監(jiān)控；但是，TOFD超聲檢測(cè)技術(shù)的表面盲區(qū)較大，對(duì)于近表面缺陷其可能隱藏在直通波下造成漏檢。另外，TOFD超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)缺陷定性比較困難，需要豐富的經(jīng)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)方案及檢測(cè)基本參數(shù)確定

3.1 檢測(cè)方案

按公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《承壓設(shè)備超聲波衍射時(shí)差法（TOFD）自動(dòng)超聲檢測(cè)》規(guī)定，TOFD超聲檢測(cè)的同時(shí)，尚需應(yīng)用磁粉檢測(cè)，以提高近表面缺陷的檢測(cè)能力；使用常規(guī)超聲檢測(cè)焊縫根部，并對(duì)TOFD檢測(cè)的缺陷進(jìn)行定位和定量分析，嘗試兩種方法的相互驗(yàn)證。

3.2 檢測(cè)參數(shù)

儀器參數(shù)設(shè)置在很大程度上決定了檢測(cè)精度、信噪比、區(qū)域的覆蓋率。根據(jù)部件規(guī)格材質(zhì)，及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中的方法、要求等選擇合適的探頭組、掃查方式及參數(shù)，如表1、表2所示。使用的儀器為8通道ISONIC 2008型。

3.3 工件準(zhǔn)備

工件準(zhǔn)備基本與常規(guī)超聲檢測(cè)等同，探頭移動(dòng)區(qū)應(yīng)平整，表面粗糙度Ra≤6.3 μm；有特殊需要時(shí)對(duì)焊縫余高進(jìn)行修磨。在母材上距焊縫中心線規(guī)定的距離處畫(huà)出1條參考線，以確保探頭的運(yùn)動(dòng)軌跡精確。

表1 檢測(cè)參數(shù)的選擇Tab.1 Selection of inspected data

表2 檢測(cè)儀器參數(shù)的選擇Tab.2 Selection of inspecting instrument parameters

3.4 靈敏度調(diào)整

將第1通道直通波的波幅設(shè)定至滿屏高的40%～50%作為檢測(cè)靈敏度；對(duì)于第2通道，可將底面反射波調(diào)到滿屏高度，然后增加18～30 dB作為靈敏度。

3.5 編碼器校準(zhǔn)

檢測(cè)前后各進(jìn)行1次編碼器校準(zhǔn)，往返移動(dòng)300 mm，長(zhǎng)度誤差應(yīng)小于1%。

4 檢測(cè)的實(shí)施

檢測(cè)實(shí)施的步驟如下：

（1）根據(jù)工件及檢測(cè)方案，確定受檢區(qū)域并做記錄標(biāo)志。MT（磁粒檢測(cè)）、UT、TOFD三種方法可分別進(jìn)行。

（2）對(duì)同一焊縫的三種檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)較，必要時(shí)針對(duì)懷疑缺陷采用專用TOFD檢測(cè)方案進(jìn)行精細(xì)檢測(cè)。

（3）根據(jù)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)定。不允許有危害性表面開(kāi)口缺陷的存在；當(dāng)檢測(cè)人員可判斷埋藏缺陷類型為裂紋、未熔合等危害性缺陷時(shí)，評(píng)為Ⅲ級(jí)；當(dāng)各類缺陷評(píng)定的質(zhì)量等級(jí)不同時(shí)，以質(zhì)量等級(jí)最低的作為焊接接頭的質(zhì)量級(jí)別。

（4）對(duì)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的缺陷進(jìn)行返修，返修后按原檢測(cè)工藝進(jìn)行復(fù)檢。

由于本次檢測(cè)為嘗試性試驗(yàn)，為確保焊縫質(zhì)量，首先對(duì)所有焊縫進(jìn)行了100%的常規(guī)超聲檢測(cè)，部分薄壁管道進(jìn)行了射線檢測(cè)，全部焊縫合格后，在8個(gè)分系統(tǒng)上進(jìn)行了162道焊縫的TOFD檢測(cè)，又檢出5道存在危險(xiǎn)的焊縫，并針對(duì)性地進(jìn)行了挖磨驗(yàn)證，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際缺陷完全對(duì)應(yīng)。檢測(cè)情況如表3所示。

5 結(jié)論

（1）TOFD超聲檢測(cè)的缺陷檢出率明顯高于常規(guī)的射線和超聲檢測(cè)，特別是對(duì)于易出現(xiàn)危險(xiǎn)性小缺陷的高合金中厚壁管道。TOFD、常規(guī)超聲、磁粉3種檢測(cè)方法聯(lián)合檢測(cè)解決了盲區(qū)問(wèn)題，使缺陷的檢出率基本達(dá)到100%，保證了焊接質(zhì)量。

表3 6號(hào)機(jī)組TOFD檢測(cè)結(jié)果一覽表Tab.3 TOFD inspected result list of No.6 unit

（2）TOFD檢測(cè)對(duì)缺陷定量精度高，對(duì)缺陷的測(cè)量誤差可以達(dá)到1 mm，對(duì)在役設(shè)備缺陷的監(jiān)控可以達(dá)到0.1 mm。這對(duì)設(shè)備的壽命評(píng)估具有重要的意義。

（3）檢測(cè)速度快，可對(duì)安裝現(xiàn)場(chǎng)射線無(wú)法檢測(cè)的壁厚焊縫實(shí)施檢測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)只須對(duì)環(huán)焊縫進(jìn)行一次簡(jiǎn)單的線性掃查，而無(wú)須來(lái)回移動(dòng)即可完成全焊縫的檢測(cè)，從準(zhǔn)備到焊縫評(píng)定完畢，整個(gè)過(guò)程大約需要6 min。檢測(cè)作業(yè)強(qiáng)度小，無(wú)輻射、無(wú)污物，可交叉作業(yè)，提高了工作效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

（4）檢測(cè)可實(shí)時(shí)顯示，在掃查的同時(shí)可對(duì)焊縫進(jìn)行分析、評(píng)判，也可對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控?？纱蛴?、存盤(pán)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的永久性保存，避免X射線底片不易攜帶、不易保存的缺點(diǎn)。

[1]Q/TJCXD 01—2008.承壓設(shè)備超聲波衍射時(shí)差法（TOFD）自動(dòng)超聲檢測(cè)[S].天津誠(chéng)信達(dá)金屬檢測(cè)技術(shù)有限公司，2008.

[2]王偉東，蘇軼君.600 MW機(jī)組鍋爐本體及管道的焊接無(wú)損檢測(cè)[J].電力建設(shè)，2000，21（11）：64-65，74.

[3]朱永賢.對(duì)電廠鍋爐安裝中幾個(gè)檢測(cè)量的探討[J].電力建設(shè)，2003，24（4）：24-26.

[4]胡蔭平.電站鍋爐手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[5]張潔.金屬熱處理及檢驗(yàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.