毛國均，張子健，柴軍輝，，張小龍，呂鐘杰，吳家喜，胡 健，李澤鑫

(1.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，寧波 315048；2.寧波市勞動(dòng)安全技術(shù)服務(wù)公司，寧波 315048；3.寧波明峰檢驗(yàn)檢測(cè)研究院股份有限公司，寧波 315200)

不銹鋼復(fù)合板球罐作為一種典型的復(fù)合板制承壓設(shè)備，經(jīng)常在石油化工行業(yè)中使用，超聲衍射時(shí)差法(TOFD)檢測(cè)是球罐對(duì)接焊縫的有效無損檢測(cè)方法之一，但使用TOFD檢測(cè)技術(shù)對(duì)不銹鋼復(fù)合板球罐檢測(cè)還存在以下問題：① NB/T 47013.10-2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》中規(guī)定，若從基材側(cè)對(duì)基材對(duì)接接頭進(jìn)行TOFD檢測(cè)，可參照該部分使用，但對(duì)于總厚度為2030 mm的球罐對(duì)接焊縫，在TOFD檢測(cè)驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，直通波盲區(qū)和基材-過渡層的結(jié)合面信號(hào)回波會(huì)造成檢測(cè)有效可視區(qū)域較小，總體盲區(qū)偏大，且信噪比低，檢測(cè)效果較差；② NB/T 47013.10-2015對(duì)基于覆材側(cè)的TOFD檢測(cè)也進(jìn)行了說明，若從覆材側(cè)對(duì)基材對(duì)接接頭進(jìn)行TOFD檢測(cè)，也可參照該標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，但未對(duì)具體檢測(cè)工藝參數(shù)進(jìn)行規(guī)定，需要進(jìn)一步研究，相關(guān)文獻(xiàn)資料也未對(duì)該問題進(jìn)行有效研究。筆者采用CIVA軟件仿真不銹鋼復(fù)合板TOFD檢測(cè)工藝，用對(duì)比試塊驗(yàn)證了該檢測(cè)工藝的可靠性，最后對(duì)一臺(tái)在役的體積為500 m3的不銹鋼復(fù)合板球罐進(jìn)行現(xiàn)場檢測(cè)，為開展基于覆材側(cè)不銹鋼復(fù)合板球罐的TOFD檢測(cè)打下一定的基礎(chǔ)。

1 CIVA軟件仿真

1.1 CIVA模型

采用平板對(duì)接焊縫模型進(jìn)行模擬仿真，工件尺寸為250 mm×150 mm×20 mm(長×寬×高)，其中基材為Q345R鋼，厚度為17 mm，覆材側(cè)為316L鋼，厚度為3 mm。對(duì)接焊縫CIVA模型分為3層，基材為Q345R鋼+過渡層焊條E309Mo-16+覆材316L鋼，其中焊縫坡口形式參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13148-2008《不銹鋼復(fù)合鋼板焊接技術(shù)要求》選取6.3節(jié)中的對(duì)接2號(hào)X型坡口(見圖1)，為與后續(xù)對(duì)比試塊檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，在CIVA模型中添加長橫孔和矩形槽缺陷，分別驗(yàn)證TOFD檢測(cè)工藝表面盲區(qū)和焊縫中下部的靈敏度，CIVA三維模型如圖2所示。

圖1 對(duì)接2號(hào)X型坡口尺寸示意

圖2 對(duì)接焊縫的CIVA三維模型

1.2 聲場計(jì)算

TOFD檢測(cè)的主要工藝參數(shù)有：PCS(探頭中心間距)、探頭頻率、折射角度與晶片尺寸等[1-2]，結(jié)合所研究的內(nèi)容，還需設(shè)置檢測(cè)面對(duì)聲場的影響，研究采用CIVA軟件中超聲檢測(cè)(UT)模塊的Beam Computation(聲場計(jì)算)功能進(jìn)行計(jì)算，對(duì)-12 dB和-6 dB的聲束覆蓋范圍進(jìn)行分析，比對(duì)各種情況下聲束對(duì)工件的覆蓋情況能否滿足檢測(cè)要求，選取出最佳檢測(cè)工藝參數(shù)。從PCS、探頭頻率、折射角度、晶片尺寸和檢測(cè)面等5個(gè)因素進(jìn)行模擬計(jì)算，相關(guān)設(shè)置根據(jù)NB/T 47013.10-2015的推薦值進(jìn)行排列。

1.2.1 改變探頭頻率對(duì)聲場的影響

選取PCS為75 mm，折射角為70°，晶片尺寸為φ6 mm，檢測(cè)面為覆材側(cè)，對(duì)探頭頻率為5，7.5，10 MHz的情況進(jìn)行仿真，不同探頭頻率對(duì)TOFD聲場影響的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同探頭頻率對(duì)TOFD聲場影響的仿真結(jié)果

探頭頻率對(duì)聲場的影響分析結(jié)果如表1所示(pts為CIVA軟件在不同工藝條件下波高能量大小比較的特殊單位，pts值越大，質(zhì)點(diǎn)能量越大)。

從表1可以看出，探頭頻率選取7.5 MHz時(shí)，綜合比較各項(xiàng)參數(shù)具有最優(yōu)結(jié)果。

1.2.2 改變PCS和折射角對(duì)聲場的影響

模擬計(jì)算選取探頭頻率為7.5 MHz，晶片尺寸為φ6 mm，檢測(cè)面為覆材側(cè)不變，折射角選取60°，65°，70°，分別計(jì)算PCS在70，75，80 mm下的聲場情況，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

表1 不同探頭頻率對(duì)聲場的影響分析結(jié)果

從圖4可以看出，TOFD縱波聲場大體呈圓錐形，聲場能量主要集中在一定的區(qū)域內(nèi)，通過比較聚焦深度、聲場能量、-6 dB和-12 dB聲束水平和深度方向覆蓋范圍來確定最佳PCS和折射角度，其中聲場能量取聚焦范圍最高點(diǎn)的振幅作為代表，不同PCS、不同折射角度對(duì)聲場的影響分析結(jié)果如表2所示。

圖4 不同PCS和折射角度對(duì)TOFD聲場影響的仿真結(jié)果

表2 不同PCS、不同折射角度對(duì)聲場的影響分析結(jié)果

根據(jù)表2，計(jì)算區(qū)域內(nèi)能量最大點(diǎn)位置，將-6 dB和-12 dB覆蓋范圍進(jìn)行綜合比較，得出PCS為75 mm，折射角度為70°時(shí)，聲場覆蓋具有最優(yōu)結(jié)果。

1.2.3 改變晶片尺寸對(duì)聲場的影響

選取PCS為75 mm，折射角為70°，探頭頻率為7.5 MHz，檢測(cè)面為覆材側(cè)不變，在晶片尺寸分別為φ2，φ4，φ6 mm的情況下進(jìn)行仿真，不同晶片尺寸對(duì)TOFD聲場影響的仿真結(jié)果如圖5所示。

晶片尺寸對(duì)聲場的影響分析結(jié)果如表3所示。

從圖5和表3可以看出，晶片尺寸為φ2 mm時(shí)，縱波聲場未形成明顯聚焦；晶片尺寸為φ4 mm時(shí)，僅存在微弱的聚焦效果；晶片尺寸選取φ6 mm時(shí)，綜合比較各項(xiàng)參數(shù)具有最優(yōu)結(jié)果。

圖5 不同晶片尺寸對(duì)TOFD聲場影響的仿真結(jié)果

表3 晶片尺寸對(duì)聲場的影響分析結(jié)果

1.2.4 改變檢測(cè)面對(duì)聲場的影響

選取PCS為75 mm，折射角為70°，探頭頻率為7.5 MHz，晶片尺寸為φ6 mm，對(duì)檢測(cè)面設(shè)置為基材側(cè)和覆材側(cè)的情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示。檢測(cè)面對(duì)聲場的影響分析結(jié)果如表4所示。從圖6和表4可以看出，若從基材側(cè)檢測(cè)，由于對(duì)接焊縫由3層不同材料組成，且焊態(tài)不銹鋼對(duì)縱波較碳鋼對(duì)縱波存在明顯衰減，TOFD縱波未形成能量聚焦，且存在多個(gè)波幅極值點(diǎn)，這對(duì)檢測(cè)來講是極為不利的，因此僅基于聲場能量這一角度來講，從覆材側(cè)進(jìn)行檢測(cè)相對(duì)于從基材側(cè)進(jìn)行檢測(cè)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖6 不同檢測(cè)面對(duì)TOFD聲場影響的仿真結(jié)果

表4 檢測(cè)面對(duì)聲場的影響分析結(jié)果

綜上所述，針對(duì)20 mm(17 mm+3 mm)厚不銹鋼復(fù)合板基于覆材側(cè)的檢測(cè)工藝定為：PCS為75 mm，探頭頻率為7.5 MHz，折射角度為70°，晶片尺寸為φ6 mm。

1.3 缺陷響應(yīng)

根據(jù)上節(jié)所選取的TOFD檢測(cè)工藝參數(shù)，在CIVA模型中添加長橫孔和矩形槽缺陷，進(jìn)行缺陷響應(yīng)的模擬計(jì)算，所添加的缺陷參數(shù)如表5所示。

表5 CIVA模型中所添加的缺陷參數(shù)

分別采用CIVA軟件中的長橫孔和矩形面狀缺陷進(jìn)行設(shè)置，長橫孔的設(shè)置主要考慮驗(yàn)證檢測(cè)工藝的表面盲區(qū)深度和焊縫中部的檢測(cè)靈敏度，覆材側(cè)矩形槽的設(shè)置主要考慮驗(yàn)證檢測(cè)工藝的表面盲區(qū)，基材面矩形槽是為了驗(yàn)證檢測(cè)工藝在焊縫根部的檢測(cè)靈敏度。CIVA 三維模型缺陷設(shè)置如圖7所示。

采用聲場計(jì)算得出的檢測(cè)工藝參數(shù)，分別基于覆材側(cè)和基材側(cè)對(duì)試塊進(jìn)行非平行掃查，從缺陷響應(yīng)的角度來驗(yàn)證基于覆材側(cè)檢測(cè)工藝的可靠性。

圖7 CIVA 三維模型缺陷設(shè)置

1.3.1 基于覆材側(cè)檢測(cè)

對(duì)于長橫孔的缺陷算法選擇基爾霍夫衍射理論模型，矩形面狀缺陷的算法選擇幾何衍射理論(GTD)模型。GTD模型是幾何光學(xué)理論的延伸，解決了非連續(xù)場的計(jì)算問題，主要用于TOFD缺陷響應(yīng)里的面狀缺陷計(jì)算[3]，在整個(gè)非平行掃查過程中，僅計(jì)算縱波響應(yīng)，不考慮橫波和波形轉(zhuǎn)換，基于覆材側(cè)的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 基于覆材側(cè)的TOFD檢測(cè)仿真結(jié)果

由圖8可知，在該檢測(cè)工藝參數(shù)下，1#，3#，5#，7#，9#缺陷能很好地檢出，其中3#～5#圖像符合典型下表面開口缺陷的形貌，2#，4#，6#，8#缺陷由于埋深為1～4 mm，且根據(jù)理論計(jì)算直通波盲區(qū)為6.6 mm，因此無法檢出缺陷，均淹沒在直通波盲區(qū)里，但是1號(hào)長橫孔在D掃圖和A掃圖中能明顯發(fā)現(xiàn)，直通波處信號(hào)幅度有明顯加強(qiáng)，其次整個(gè)D掃圖中未見異種鋼結(jié)合面處的回波信號(hào)。

1.3.2 基于基材側(cè)檢測(cè)

基于基材側(cè)的TOFD檢測(cè)仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 基于基材側(cè)的TOFD檢測(cè)仿真結(jié)果

由圖9可知，基于基材側(cè)的TOFD檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)1#，2#，4#，6#，8#，9#缺陷，但3#，5#，7#缺陷淹沒在直通波盲區(qū)內(nèi)，值得注意的是，在整個(gè)D掃圖中有明顯的異種鋼結(jié)合面處的回波信號(hào)，這個(gè)回波信號(hào)對(duì)檢測(cè)來講是不利的，理論模型結(jié)合面是光滑平整的，實(shí)際模型是粗糙不平整的，界面回波信號(hào)影響會(huì)變大，現(xiàn)將兩種檢測(cè)方法對(duì)缺陷的檢出結(jié)果進(jìn)行比較(見表6)。

表6 兩種檢測(cè)方法缺陷響應(yīng)結(jié)果

從表6可以看出，采用覆材側(cè)或基材側(cè)TOFD檢測(cè)時(shí)，對(duì)于缺陷的幾何尺寸測(cè)量均具有較高的精度，誤差在1 mm以內(nèi)，但基于覆材側(cè)檢測(cè)缺陷信號(hào)回波強(qiáng)度明顯強(qiáng)于基于基材側(cè)檢測(cè)缺陷信號(hào)回波強(qiáng)度，部分?jǐn)?shù)據(jù)相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，原因在于基于覆材側(cè)的TOFD檢測(cè)具有聚焦聲場，能量較為集中。

1.3.3 TOFD-D掃圖有效可視區(qū)域的比對(duì)

NB/T 47013.10-2015中關(guān)于復(fù)合板TOFD檢測(cè)主要關(guān)注的是基材對(duì)接接頭部分，因此有必要對(duì)兩種檢測(cè)方法的有效可視區(qū)域進(jìn)行對(duì)比分析(見表7)。

從表7可以看出，覆材側(cè)檢測(cè)有效可視區(qū)域范圍明顯大于基材側(cè)檢測(cè)的，異種鋼結(jié)合面信號(hào)和焊縫不銹鋼部分信號(hào)均被直通波盲區(qū)所覆蓋，基材側(cè)檢測(cè)3處非有效區(qū)域不相互重疊，占據(jù)了D掃圖中大部分面積，其次TOFD-D掃圖在工件厚度方向上不是按比例設(shè)置的，進(jìn)一步造成了基材焊接接頭可視部分的壓縮。

1.4 小結(jié)

采用CIVA仿真技術(shù)對(duì)覆材側(cè)和基材側(cè)兩種檢測(cè)工藝進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：從聲場能量、缺陷響應(yīng)、D掃圖有效可視區(qū)域等3個(gè)方面來講，覆材側(cè)檢測(cè)較基材側(cè)檢測(cè)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表7 兩種檢測(cè)方法有效可視區(qū)域?qū)Ρ?/p>

2 對(duì)比試塊驗(yàn)證

圖10 20 mm(17 mm+3 mm)厚不銹鋼復(fù)合板對(duì)比試塊尺寸示意

基于上述CIVA仿真結(jié)果與結(jié)論，采用20 mm(17 mm+3 mm)厚不銹鋼復(fù)合板對(duì)比試塊進(jìn)行實(shí)際TOFD檢測(cè)驗(yàn)證，分別從覆材側(cè)和基材側(cè)進(jìn)行掃查，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析。比對(duì)試塊尺寸示意如圖10所示，檢測(cè)設(shè)備為：南通友聯(lián)PXUT-920 TOFD檢測(cè)儀，7.5 MHz、φ6 mm探頭一對(duì)，70°楔塊一對(duì)，編碼器一個(gè)。20 mm(17 mm+3 mm)厚對(duì)比試塊檢測(cè)結(jié)果如圖11所示。

圖11 20 mm(17 mm+3 mm)對(duì)比試塊檢測(cè)結(jié)果

從圖11(a)可以看出，基于覆材側(cè)檢測(cè)可以明顯發(fā)現(xiàn)9#長橫孔(埋深10 mm)，覆材側(cè)6#，8#矩形槽(埋深3，4 mm)，基材側(cè)3#，5#，7#矩形槽(埋深2，3，4 mm)，未檢測(cè)出1#長橫孔，因此可以得出表面盲區(qū)為3 mm，小于理論計(jì)算表面盲區(qū)6.6 mm，未發(fā)現(xiàn)異種鋼界面回波信號(hào)，整個(gè)圖譜具有較高的信噪比。

從圖11(b)可以看出，缺陷檢出率明顯偏小，僅檢出5#，7#，9#缺陷，同時(shí)9#長橫孔易受雜波信號(hào)干擾，基材側(cè)5#，7#矩形槽(3，4 mm)可見，表面盲區(qū)同樣為3 mm，覆材側(cè)矩形槽未見明顯回波信號(hào)，同時(shí)整個(gè)圖譜中存在明顯的連續(xù)異種鋼界面回波信號(hào)，相比于CIVA仿真，信號(hào)更為強(qiáng)烈，且存在多層界面波，這是由于焊接過程中異種鋼的結(jié)合面不像仿真中的光滑、平整、無缺陷和無雜質(zhì)，這類界面回波信號(hào)會(huì)影響整個(gè)圖譜的信噪比，且有效可視區(qū)域較小，對(duì)缺陷的定量、定性都極為不利。

對(duì)比試塊的驗(yàn)證結(jié)果表明：基于覆材側(cè)的復(fù)合板TOFD檢測(cè)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，與CIVA仿真結(jié)果具有較高的吻合性。

3 現(xiàn)場檢測(cè)應(yīng)用

根據(jù)CIVA仿真優(yōu)化和對(duì)比試塊驗(yàn)證的TOFD檢測(cè)工藝，對(duì)某化工企業(yè)一臺(tái)500 m3環(huán)氧丙烷不銹鋼復(fù)合板球罐進(jìn)行開罐后基于覆材側(cè)的TOFD檢測(cè)，該球罐規(guī)格為Di9900×(17+3) mm，材料為Q345R+304不銹鋼，TOFD檢測(cè)抽查45 m，對(duì)于掃查面盲區(qū)采用手工超聲檢測(cè)(UT)和滲透檢測(cè)(PT)進(jìn)行補(bǔ)充檢測(cè)，對(duì)于底部盲區(qū)采用兩側(cè)偏置非平行掃查進(jìn)行補(bǔ)充檢測(cè)，TOFD檢測(cè)結(jié)果如表8所示，球罐的TOFD檢測(cè)D掃圖如圖12所示。

表8 TOFD現(xiàn)場檢測(cè)結(jié)果

圖12 500 m3球罐的TOFD檢測(cè)D掃圖

根據(jù)表8和圖12可以看出:TOFD檢測(cè)共發(fā)現(xiàn)4處超標(biāo)缺陷，根據(jù)NB/T 47013.10—2015評(píng)定為Ⅲ級(jí)，需要進(jìn)行返修處理；采用基于覆材側(cè)的復(fù)合板TOFD檢測(cè)工藝，異種鋼界面回波與直通波相互疊加，有效可視區(qū)域范圍增大，盲區(qū)減小，缺陷圖譜清晰，具有較高的信噪比。

4 結(jié)語

針對(duì)不銹鋼復(fù)合板球罐基材側(cè)TOFD檢測(cè)存在的問題，提出了基于覆材側(cè)的TOFD檢測(cè)技術(shù)。采用CIVA仿真檢測(cè)工藝，進(jìn)行了對(duì)比試塊驗(yàn)證和現(xiàn)場檢測(cè)應(yīng)用，結(jié)果表明：基于覆材側(cè)的檢測(cè)工藝具有聲場能量集中、缺陷檢測(cè)靈敏度高、信噪比高、有效可視區(qū)域大等優(yōu)勢(shì)，檢測(cè)工藝是復(fù)合板球罐對(duì)接焊縫有效且重要的檢測(cè)手段之一，對(duì)于廣泛地開展不銹鋼復(fù)合板球罐覆材側(cè)TOFD檢測(cè)具有一定的指導(dǎo)意義。