郭永良，鄭 暉，劉禮良，袁麗華，鄔冠華

（1.南昌航空大學(xué) 無損檢測教育部重點實驗室，南昌 330063；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013）

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，厚壁壓力容器越來越多，對厚壁壓力容器的制造和服役過程中的檢測要求越來越高。厚壁壓力容器焊縫檢測常采用射線檢測法等。然而射線檢測成本高、焊縫檢測效果差；而常規(guī)超聲檢測焊縫效率低、定量難、存在較大的盲區(qū)、重復(fù)性差［1－3］。超聲波衍射時差法（TOFD）技術(shù)對缺陷的定量精度比常規(guī)超聲要高得多，通?？蛇_到1mm［4］，而且 TOFD 對缺陷檢出率較高。這使得TOFD技術(shù)在焊縫檢測和缺陷定量方面，極具應(yīng)用價值。筆者在分析厚壁容器TOFD檢測存在盲區(qū)的基礎(chǔ)上，針對性提出采用分層檢測以減小檢測盲區(qū)的方法，結(jié)合理論計算和試塊試驗測試結(jié)果，提出和優(yōu)化分層檢測參數(shù)。

1 TOFD技術(shù)檢測原理

TOFD檢測技術(shù)是依靠超聲波與缺陷端部的相互作用而發(fā)出的衍射波來檢出缺陷并對其進行定量［5］的。TOFD檢測與傳統(tǒng)的超聲檢測完全不同，傳統(tǒng)超聲檢測是依靠從缺陷上反射的能量大?。捶担﹣砼袛嗳毕?。而TOFD技術(shù)克服了常規(guī)超聲探傷的一些固有缺點，缺陷的檢出和定量不受聲束角度、探測方向、試件表面狀態(tài)及壓力等因素影響。

TOFD成像產(chǎn)生四種信號均以縱波傳播，回波較強的直通波和底面波可作為被檢區(qū)厚度范圍的時間閘門或參考波，較之微弱的缺陷端部散射波和衍射波出現(xiàn)在兩者之間。分別測出缺陷的上下端部衍射波之間的傳播時間差以及上端部衍射波與直通波之間的傳播時間差，即可通過計算得出該缺陷的自身高度和埋藏深度。

2 厚壁壓力容器檢測參數(shù)設(shè)計

近年來，壁厚100mm以上且有高溫、高壓要求的反應(yīng)容器越來越多，其壁厚最大已可達350mm［6］。對于這一類特厚焊縫，目前仍缺乏有關(guān)內(nèi)部缺陷檢測精度的數(shù)據(jù)。相關(guān)研究者對這類焊縫進行了大量的對比試驗研究，分別采用射線檢測（RT）和TOFD技術(shù)厚壁壓力容器檢測試驗結(jié)果如表1。

表1 RT和TOFD技術(shù)對大厚壁壓力容器檢測試驗結(jié)果

由表1可知，TOFD技術(shù)在大厚壁壓力容器檢驗中具有檢測能力強、缺陷定量精度高的優(yōu)點。

就TOFD檢測來說，用一組探頭一次掃查完成檢測的效率最高。但是對于厚板，一次掃查可能不能完全覆蓋整個檢測區(qū)域。對于厚板一般需要較大晶片尺寸和較小頻率的探頭。200mm以上焊縫檢測時，一般選擇探頭角度40°～50°，頻率2～5MHz。晶片尺寸10～20mm。由聲束半擴散角公式：

式中：γ為半擴散角；F為擴散因子（聲壓下降12dB時為0.7）；λ為波長；D為鏡片尺寸。

當(dāng)選擇探頭角度50°，頻率2MHz，晶片尺寸10mm時，半擴散角λ為4.82°，所以在楔塊中的有效聲束角度為13.24°～22.88°。

由楔塊中的有效聲束角度可得出在鋼中的折射角公式：

式中：α為楔塊中的聲束角；β為焊縫中的折射角；c1為楔塊中的聲速；c2為鋼中的聲速。

由式（2）可求出鋼的折射角為32.47°～73.88°。

對于非平行掃查時，PCS（2s）的最佳選擇為：

式中：2s為探頭間距；D為焊縫厚度；θ為探頭角度。

所以當(dāng)D取150mm時，s的值為119.18mm。

由上面求出的折射角度以及1／2PCS值可求得聲束覆蓋的范圍為34.46～187.39mm。這樣在上表面就出現(xiàn)了一個34.34mm的盲區(qū)。由于其他因素影響，盲區(qū)實際值比理論值可能還要大，因此在這一區(qū)域就會出現(xiàn)漏檢。而分層檢測就是解決這一問題的方法之一。

對于檢測工件而言，是否分層以及分幾層檢測，是依據(jù)工件厚度來確定的。依據(jù)NB／T 47013.10—2010《承壓設(shè)備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測》標準，對厚度100～200mm的工件進行分層檢測，常用探頭參數(shù)見表2。

表2 100～200mm分層檢測常用探頭參數(shù)

根據(jù)2／3T法則可以求出探頭中心間距值（T為檢測區(qū)域深度值）。

當(dāng)工件厚度為150mm時，根據(jù)式（3）容易計算出第一、二、三層檢測區(qū)域的探頭中心間距值分別為：110，242.2，260mm。

根據(jù)優(yōu)化后的工藝，對該容器分三個厚度區(qū)域進行檢測，采用三通道100%TOFD檢測。0～29mm為第一區(qū)，用第一通道檢測；29～88mm為第二區(qū)，用第二通道檢測；88～147mm為第三區(qū)，用第三通道檢測。TOFD檢測工藝參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 TOFD檢測工藝優(yōu)化參數(shù)

由于檢測時分三層進行檢測，因此在設(shè)置時間窗口時，也應(yīng)分三個窗口設(shè)置。在設(shè)置時間窗口時應(yīng)注意：在設(shè)置第一通道的時間窗口起始位置應(yīng)設(shè)置為直通波到達接收探頭前0.5μs以上，第三通道的時間窗口的終止位置應(yīng)設(shè)置為底面反射波到達接收探頭后0.5μs以上；各分區(qū)的A掃描時間窗口在深度方向應(yīng)至少覆蓋相鄰檢測分區(qū)在厚度方向上高度的25%。設(shè)置靈敏度時，一般在對比試塊上進行設(shè)置，將對比試塊上反射體較弱衍射信號的波幅設(shè)置為滿屏波高的40%～80%，并在被檢工件表掃查時進行表面補償。

3 工程應(yīng)用

檢測的工件規(guī)格為φ6 100mm×152mm容器的對接環(huán)焊縫。檢測中所運用的儀器設(shè)備有omniscan mx TOFD檢測儀器一臺，筆記本電腦一臺，5MHz 6mm 探頭2對、2.25MHz 12.5mm 探頭一對，45°，60°，70°楔塊各1對，編碼器1只，掃查架1個，連接線若干。

3.1 實際檢測驗證

3.1.1 檢測前準備

首先清楚被檢對象的基本情況，并了解在該種材質(zhì)工藝下需要檢出的缺陷類型；再對被檢工件進行準備工作，檢測焊縫外觀，余高與寬度；檢查掃查面情況是否平整，一般要求機加工表面粗糙度不大于6.3μs，噴丸表面粗糙度不大于12.5μs；并確定檢測區(qū)域，畫出焊縫中心線和檢測區(qū)域?qū)挾取?/p>

3.1.2 深度校準

在檢測前應(yīng)對深度進行校準，校準試塊如圖1所示。校準第一通道時，選擇試塊中深度為25mm的φ2mm側(cè)孔進行校準。將掃查架放置在對比試塊上，并找到兩側(cè)孔的缺陷衍射波。在A掃描中，找到深度為25mm的上端衍射波，上端衍射波深度為24mm，并將深度校準為24mm，并且誤差不超過1.47mm；校準第二通道時，選擇試塊中深度為62.5mm的φ3mm側(cè)孔進行校準。第三通道則選擇深度為112.4mm的φ6mm孔進行校準。

3.1.3 靈敏度校準

檢測前在圖1所示的試塊上對靈敏度進行校準。在對比試塊上進行校準，第一通道靈敏度校準時，用深度12.5，25mm的側(cè)孔進行校準，將兩側(cè)孔中較弱衍射波的波幅設(shè)置為滿屏的80%，在掃查時進行表面耦合補償；第二通道靈敏度校準時，用深度62.5，87.5mm 兩側(cè)孔進行校準，將兩側(cè)孔中較弱衍射波的波幅設(shè)置為滿屏的80%，在掃查時進行表面耦合補償；第三通道靈敏度校準時，用深度112.5，137.5mm 的側(cè)孔進行校準，將兩側(cè)孔中較弱衍射波的波幅設(shè)置為滿屏的80%，在掃查時進行表面耦合補償。

圖1 校準試塊尺寸示意

3.2 檢測結(jié)果

圖2 現(xiàn)場檢測出的缺陷圖

經(jīng)現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)多處超標缺陷。部分檢測結(jié)果如圖2所示。在圖2（a）所顯示的缺陷長度41mm，深度22.4mm。該缺陷經(jīng)返修后，發(fā)現(xiàn)是一個層間未熔合，并且旁邊伴隨著一些小氣孔。圖2（b）中顯示的缺陷為兩段未熔合缺陷，經(jīng)返修后，也證實為未熔合缺陷。圖2（c）中顯示的缺陷深度為116mm，判定長度為376.9mm，經(jīng)返修發(fā)現(xiàn)，其由夾渣與氣孔組成。當(dāng)檢測區(qū)域焊縫經(jīng)過返修后，該處晶粒組織可能會發(fā)生變化；有時該處晶粒會變大，導(dǎo)致該處在圖上可能會出現(xiàn)非正常的顯示，如圖3所示。

圖3 缺陷返修后的檢測圖

圖3中方框內(nèi)位置為返修區(qū)域。將該區(qū)域與旁邊未返修區(qū)域?qū)Ρ瓤芍?，返修后區(qū)域內(nèi)的晶粒噪聲更大，因此在進行返修后的缺陷評判時，要注意該現(xiàn)象，以免造成誤判。

4 結(jié)論

經(jīng)現(xiàn)場實際應(yīng)用結(jié)果證明，采用優(yōu)化后的TOFD檢測工藝對厚壁壓力容器進行檢測，能比較精準地測出各個層中的缺陷，而且對缺陷的定位較準確，能測出缺陷的位置和缺陷的長度。

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［2］ 劉松平，劉菲菲，李樂剛，等.鋁合金攪拌摩擦焊縫的無損檢測方法［J］.航空造技術(shù)，2006（3）：81－84.

［3］ 劉松平，劉菲菲，李樂剛，等.攪拌摩擦焊縫變?nèi)肷浣浅暀z測方法研究［J］.無損檢測，2006，28（5）：225－228.

［4］ 倪進飛.TOFD檢測技術(shù)基本原理及其應(yīng)用探討［J］.廣東電力，2007（10）：17－19.

［5］ 袁濤，曹懷祥，祝衛(wèi)國，等.TOFD超聲成像檢測技術(shù)在壓力容器檢驗中的應(yīng)用［J］.壓力容器，2008（2）：58－60.

［6］ 郭小聯(lián).厚壁壓力容器聲源定位理論分析與試驗研究［C］／／第11屆中國聲發(fā)射學(xué)術(shù)研討會.杭州：［出版者不詳］，2006.