王國圈* 劉書宏

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院）

0 引言

衍射時差法超聲波檢測（TOFD）是一種通過超聲波與缺陷端部相互作用產(chǎn)生的衍射波來進(jìn)行缺陷檢測并進(jìn)行定量的無損檢測技術(shù)，具有可靠性好，定量精度高，檢測簡便快捷，檢測數(shù)據(jù)可長久保存等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于大型承壓設(shè)備的檢測工作。

1 信號描述

某企業(yè)新建球罐采用TOFD 檢測方法對焊接接頭進(jìn)行檢測。球殼板的材質(zhì)為Q345R，厚度為28 mm，坡口為X 型，坡口型式和尺寸如圖1 所示，焊接方法為SMAW。

圖1 球殼焊接接頭坡口型式（單位：mm）

TOFD 檢測儀器為SyncScan 32PT 超聲成像檢測儀。探頭的頻率為5 MHz，直徑為 6 mm。檢測方式為外表面非平行掃查方式。經(jīng)工藝計算發(fā)現(xiàn)，僅使用楔塊為70°的一組探頭進(jìn)行檢測，底面軸偏離盲區(qū)大于1 mm，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，因此增加一組楔塊為60°的探頭進(jìn)行底面盲區(qū)檢測。掃查面的近表面盲區(qū)以及橫向缺陷可通過超聲斜射波進(jìn)行檢測。采用PXUT-330 全數(shù)字智能超聲波檢測儀，采用頻率為5 MHz、折射角為K1和K2的兩種探頭。檢測人員按照NB/T 47013.10—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第10 部分：衍射時差法超聲檢測》中B 級檢測技術(shù)等級編制檢測工藝，經(jīng)過工藝驗證合格后實施檢測。

采用TOFD 檢測時，檢測人員發(fā)現(xiàn)編號為B1X2的赤道帶縱向焊接接頭上存在疑似缺陷信號，如圖2所示。該信號位于D 掃圖像上的直通波和底波之間，其形態(tài)為一條由始至終的長條，且無下端點衍射信號，在探頭角度為60°和70°兩個通道的圖像上均顯示出了相同特征的信號。并且，對該焊接接頭進(jìn)行X 射線檢測和超聲斜射波檢測，均無超標(biāo)缺陷。檢測人員進(jìn)一步對赤道帶其他焊接接頭進(jìn)行TOFD 檢測，發(fā)現(xiàn)有多條焊接接頭上存在相同的特征信號。對赤道帶的球殼板母材區(qū)域進(jìn)行TOFD 檢測時，也發(fā)現(xiàn)了相同的特征信號顯示，檢測圖譜如圖3 所示。

圖2 B1X2焊接接頭的TOFD圖譜

圖3 B1板母材的TOFD圖譜

2 信號分析

由X 射線檢測和超聲斜射波檢測結(jié)果中均無超標(biāo)缺陷可知，引起該信號的缺陷較小，或者是射線檢測和超聲斜射波檢測無法檢出的缺陷（如分層類缺陷等）。超聲波直探頭檢測結(jié)果也顯示無缺陷，說明該缺陷也非分層類缺陷。

焊縫區(qū)域和母材區(qū)域TOFD 檢測的D 掃描圖像上都含有該疑似缺陷信號，說明該信號可能是母材區(qū)域的缺陷。TOFD 檢測得到的D 掃描圖像中，相同的深度即代表超聲波傳播的時間相同。超聲波從發(fā)射探頭傳播到缺陷，再從缺陷傳播至接收探頭的整個傳播路徑上，傳播時間相同點的連線是以兩個探頭為焦點的橢圓。如圖4 所示，A、B 表示兩個探頭所在位置（即焦點），F(xiàn)’是位于兩探頭中間線上的衍射點，F(xiàn) 表示等時間橢圓曲線上其他位置的衍射點。由于聲程AFB 和聲程AF’B 是相同的，傳播聲速也相同，因此超聲波經(jīng)過這兩個衍射點至接收探頭的傳播時間也相等?；谠摃r間計算得到的衍射點深度是默認(rèn)衍射點位于兩探頭中線(OO’)上的，而從上述分析可知，實際衍射點可能在等傳播時間橢圓曲線上的其他位置。這也說明了當(dāng)焊接接頭處TOFD 檢測到該信號時，其鄰近的母材上也有同樣信號的原因。因此，結(jié)合X 射線檢測和超聲檢測的結(jié)果可以判定該信號是由母材上的其他缺陷或材料冶金原因引起的，而非焊接缺陷。

圖4 TOFD檢測示意圖

3 機(jī)械性能試驗與評定

通過上述分析可知，該信號不是焊接缺陷，為了進(jìn)一步判斷該信號是否會影響材料的機(jī)械性能，本文以赤道帶球殼板的余料為研究對象，從中選取試板進(jìn)行機(jī)械性能試驗。

3.1 試板選取

對多塊赤道帶球殼板的加工余料進(jìn)行了TOFD 檢測，并對TOFD 檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，截取含有相同顯示信號，且信號最強(qiáng)區(qū)域的材料作為研究試板。

將研究試板按照圖5 所示的取樣位置劃線，并舍棄四周的陰影部分。按照材料復(fù)驗的要求，分別沿試板相互垂直的兩個方向（如圖5 所示的縱向和橫向）各制取一組試樣進(jìn)行機(jī)械性能試驗。

圖5 取樣示意圖

3.2 試驗項目與結(jié)果分析

對縱向和橫向兩組試樣分別進(jìn)行了拉伸試驗、彎曲試驗和沖擊試驗。拉伸試驗依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1 部分：室溫試驗方法》要求進(jìn)行，結(jié)果可見表1；彎曲試驗依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 232—2010《金屬材料 彎曲試驗方法》進(jìn)行，結(jié)果可見表2；沖擊試驗依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進(jìn)行，結(jié)果可見表3。

表1 拉伸試驗結(jié)果

表2 彎曲試驗結(jié)果

表3 沖擊試驗結(jié)果

該球罐球的球殼板選材依據(jù)GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》材料標(biāo)準(zhǔn)，因此，試驗結(jié)果依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定。厚度為28 mm 的Q345R 材料應(yīng)滿足的力學(xué)性能要求如表4 所示，其中a為試樣厚度，D為彎曲壓頭直徑。從表4 可知，材料Q345R 的屈服強(qiáng)度ReL不小于325 MPa，斷后伸長率A不小于21%。由表1 的結(jié)果可以看出，縱向和橫向兩個方向試樣的屈服強(qiáng)度和斷后伸長率都滿足表4 要求。

表4 材料Q345R的力學(xué)性能要求

表2 為側(cè)向彎曲的試驗結(jié)果。彎曲試驗結(jié)果顯示，縱向和橫向試樣180°彎曲后，無裂紋產(chǎn)生，均符合表4 中的彎曲試驗要求。

由表4 可知，厚度為28 mm 的Q345R 材料應(yīng)滿足的沖擊試驗要求是沖擊吸收功KV2不小于41 J。表3 為縱向和橫向兩組試驗結(jié)果， 6 個試樣的沖擊吸收能量均大于材料標(biāo)準(zhǔn)要求的41 J，符合要求。

綜合試板機(jī)械性能試驗結(jié)果表明，對含有此信號的材料進(jìn)行拉伸試驗、彎曲試驗和沖擊試驗，其結(jié)果均符合材料標(biāo)準(zhǔn)GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》中對Q345R 材料機(jī)械性能的要求。

4 信號的評判方法

通過對疑似缺陷信號進(jìn)行分析后可知，使用TOFD 技術(shù)進(jìn)行球罐焊接接頭檢測的過程中，可以通過以下方法來判定本文所述信號，從而提高該信號的評定準(zhǔn)確度和TOFD 檢測效率。

（1） D 掃描圖譜中，信號顯示長度較長，甚至是由始至終一直存在，且無下端點衍射信號；

（2） 射線檢測焊接接頭區(qū)域無超標(biāo)缺陷；

（3） TOFD 檢測相鄰區(qū)域母材，D 掃描圖譜中檢測出相同信號；

（4） 對相鄰母材區(qū)域進(jìn)行超聲波直探頭檢測，結(jié)果無超標(biāo)缺陷。

試板的機(jī)械性能試驗結(jié)果表明，對于TOFD 檢測D 掃描圖譜中符合以上特征的信號，可以判定為由母材不明原因的缺陷或者材料冶金原因引起的，但不影響材料機(jī)械性能，可以將該類信號作為非相關(guān)顯示來對待，不需要進(jìn)行返修處理。

5 總結(jié)

通過分析本文所述的疑似缺陷信號，總結(jié)了該信號的特征及處理方法，可為球罐焊接接頭TOFD 檢測的缺陷信號判定提供參考，有效解決了在球罐TOFD檢測過程中，該類信號對于無損檢測結(jié)果的評定干擾，避免焊接缺陷誤判，提高了TOFD 檢測對缺陷定性的準(zhǔn)確性，具有較高的工程應(yīng)用價值。