于鵬祖 趙志強(qiáng) 劉 祎

（1.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730314）

1 TOFD 檢測(cè)技術(shù)

TOFD 技術(shù)（衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)，簡(jiǎn)稱“TOFD”）是1 種超聲波檢測(cè)技術(shù)的新方向，區(qū)別于超聲脈沖反射法和聲波穿透法等技術(shù)，它是利用當(dāng)入射波與缺陷自身結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用時(shí)，在缺陷表面發(fā)生超聲波反射現(xiàn)象，同時(shí)在兩端點(diǎn)處發(fā)生衍射現(xiàn)象。與缺陷中部反射信號(hào)的顯著特定指向性相比，缺陷兩端的衍射信號(hào)指向性不明顯。正因?yàn)檫@種差異性現(xiàn)象的存在，缺陷中部發(fā)射波是近似平面波，能產(chǎn)生疊加現(xiàn)象，而缺陷端部子波源發(fā)出的是衍射波。TOFD 檢測(cè)就是依靠縱波在固體中傳播時(shí)缺陷端角和端點(diǎn)產(chǎn)生的衍射波來(lái)進(jìn)行缺陷檢測(cè)的。如圖1 和圖2 所示，分別為 TOFD 檢測(cè)時(shí)的缺陷衍射波傳播和A 掃描信號(hào)示意圖。

圖1 TOFD 檢測(cè)缺陷衍射波示意圖

圖2 TOFD 檢測(cè)典型A 掃描信號(hào)示意圖

2 TOFD 技術(shù)在壓力容器焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用

長(zhǎng)期以來(lái)，壓力容器焊縫內(nèi)部缺陷檢測(cè)主要使用射線照相法檢測(cè)和超聲脈沖反射法檢測(cè)。但超聲脈沖反射法和射線照相法檢測(cè)對(duì)焊縫內(nèi)部缺陷自身高度均無(wú)法確定，特別是射線檢測(cè)對(duì)超過(guò)60mm 的超厚件清晰度明顯降低，檢測(cè)靈敏度無(wú)法保證。而超厚件射線檢測(cè)因自身特點(diǎn)，受到時(shí)間和空間的限制，不僅檢測(cè)效率較低，也增加了經(jīng)濟(jì)成本，延長(zhǎng)了檢測(cè)周期，也可能會(huì)傷害人體和環(huán)境。隨著煉油化工裝置大型化發(fā)展，裝置中的反應(yīng)器、換熱器和儲(chǔ)罐等承壓設(shè)備向大直徑和厚壁方向發(fā)展。但受運(yùn)輸條件及制造要求的限制，某些大型承壓設(shè)備須在項(xiàng)目安裝現(xiàn)場(chǎng)焊接和檢測(cè)。但傳統(tǒng)的射線檢測(cè)，一方面無(wú)法滿足大壁厚設(shè)備檢測(cè)靈敏度的要求，另一方面現(xiàn)場(chǎng)射線檢測(cè)時(shí)，不允許交叉作業(yè)，施工人員和公眾群體必須疏散，因此對(duì)工程的進(jìn)度影響較大。特別是大型球形儲(chǔ)罐在檢測(cè)時(shí)因?yàn)槠毓鈺r(shí)間較長(zhǎng)，在檢測(cè)時(shí)周圍其他工種不能作業(yè)，嚴(yán)重影響工期。而且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)組焊的厚度超過(guò)200mm 的承壓設(shè)備焊縫，進(jìn)行射線照相是很難的。因此，TOFD 技術(shù)憑借較高的檢測(cè)精度和可靠性，在承壓設(shè)備生產(chǎn)中使用相當(dāng)廣泛，在工業(yè)行業(yè)應(yīng)用中占據(jù)著重要地位。世界各國(guó)都把承壓設(shè)備作為特種設(shè)備予以強(qiáng)制性管理，TOFD 技術(shù)成為特種設(shè)備質(zhì)量管理時(shí)效性準(zhǔn)確性較高的檢測(cè)方法之一。在大型煉油化工壓力容器焊縫缺陷檢測(cè)和評(píng)定中應(yīng)用TOFD 技術(shù)，對(duì)不斷提升檢測(cè)效率和自動(dòng)化水平有重要意義。

3 壓力容器焊縫TOFD 檢測(cè)存在的問(wèn)題

TOFD 技術(shù)在我國(guó)各大重點(diǎn)能源裝備制造單位得到廣泛應(yīng)用，但在實(shí)際大型能源裝備焊接結(jié)構(gòu)的TOFD 檢測(cè)中，由于場(chǎng)內(nèi)設(shè)備繁雜、工序繁多、工種交互作業(yè)，受檢測(cè)人員、設(shè)備、結(jié)構(gòu)、工藝、環(huán)境等各方面相關(guān)因素的影響，存在檢測(cè)圖譜無(wú)法離線轉(zhuǎn)化、高度覆蓋不足、時(shí)間窗口設(shè)置錯(cuò)誤、雜波信號(hào)干擾、采圖方法差異化、掃查速度過(guò)快、圖譜信號(hào)丟失、耦合不良圖像斷幀等問(wèn)題。因此，經(jīng)常導(dǎo)致所采集數(shù)據(jù)無(wú)效，無(wú)法用于圖譜分析和缺陷評(píng)定，一般只能重新返工和檢測(cè)。但重新檢測(cè)將額外占用人力、耗費(fèi)耦合劑、磨損楔塊、延誤工期，使檢測(cè)成本和生產(chǎn)成本顯著增加，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度。另外，無(wú)效數(shù)據(jù)未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，還會(huì)導(dǎo)致缺陷漏檢，給產(chǎn)品質(zhì)量埋下隱患。

4 檢測(cè)質(zhì)量提升的路徑

針對(duì)壓力容器焊縫TOFD 檢測(cè)中的突出問(wèn)題，圍繞厚壁檢測(cè)1 通道一次成圖率低這個(gè)影響檢測(cè)質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量的核心問(wèn)題，項(xiàng)目組從“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)”6 個(gè)方面入手，采取分類調(diào)查統(tǒng)計(jì)和分析研究的方式，排查了高度覆蓋不足等8 個(gè)可能產(chǎn)生影響的直接因素，梳理出對(duì)應(yīng)的8 個(gè)末梢因素，并對(duì)末梢因素進(jìn)行了跟蹤確認(rèn)，鎖定了“操作指導(dǎo)書不完善”“檢測(cè)環(huán)境存在交叉作業(yè)”“掃查器與工件曲率不匹配”等3 個(gè)關(guān)鍵影響因素。

運(yùn)用基于質(zhì)量管理思維的檢測(cè)過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制路徑工程實(shí)踐，按照實(shí)際情況制定降低和消除其不利影響因素的控制措施，并持續(xù)跟蹤檢查優(yōu)化改進(jìn)后的檢測(cè)效果，循環(huán)反饋調(diào)整工藝措施及檢測(cè)要點(diǎn)，形成厚壁容器焊縫TOFD 檢測(cè)質(zhì)量提升方案，提高了TOFD 圖譜采集一次成功率，提高了厚壁容器的檢測(cè)效率，提升了焊縫質(zhì)量。

4.1 優(yōu)化完善技術(shù)文件

針對(duì)檢測(cè)工藝技術(shù)問(wèn)題，進(jìn)行了楔塊縱波入射角、聲束擴(kuò)散角、上下邊界角和厚度方向聲束覆蓋范圍等計(jì)算程序設(shè)計(jì)，在TOFD 檢測(cè)操作指導(dǎo)書中補(bǔ)充加入高度覆蓋驗(yàn)算和時(shí)間窗口設(shè)置的方法和說(shuō)明，明確了工藝參數(shù)和技術(shù)方法。要求檢測(cè)人員熟練應(yīng)用參數(shù)計(jì)算程序，具體可通過(guò)內(nèi)部管理機(jī)制和培訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行推廣，如檢測(cè)部門內(nèi)部專項(xiàng)培訓(xùn)，周例會(huì)和月度質(zhì)量會(huì)強(qiáng)調(diào)，檢驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程指導(dǎo)監(jiān)督等，提高了檢測(cè)參數(shù)的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。

式中：為縱波入射角度；為楔塊中縱波聲束的擴(kuò)散角；為擴(kuò)散因子；為縱波波長(zhǎng)；為縱波波速；為探頭晶片直徑；為縱波頻率；為楔塊中縱波聲束的上邊界角；為楔塊中縱波聲束的下邊界角；為鋼中縱波聲束的上邊界角；為鋼中縱波聲束的下邊界角。

根據(jù)以上-12dB聲束擴(kuò)散角的計(jì)算，采用頻率5MHz6mm的探頭，60°楔塊時(shí)，聲束下半擴(kuò)散角為47.22°，上半擴(kuò)散角為84.0°。

第二分區(qū)覆蓋厚度為22.5mm～90mm，=242mm。在焊縫中心線上，-12dB 聲束覆蓋深度范圍如下。

式中：為探頭中心間距，為聲束覆蓋上界深度，為聲束覆蓋下界深度。

經(jīng)計(jì)算表明，該法滿足厚度方向上深度覆蓋的要求。實(shí)際工作中，還應(yīng)在對(duì)比試塊上通過(guò)對(duì)各深度缺陷的檢測(cè)效果進(jìn)行驗(yàn)證。

4.2 降低環(huán)境不利影響

通過(guò)對(duì)制造過(guò)程質(zhì)量檢測(cè)工作的跟蹤研究，編制了“影響TOFD 圖譜質(zhì)量的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素清單及應(yīng)對(duì)措施”，補(bǔ)充為衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)工藝規(guī)程的資料性附錄。規(guī)范了檢測(cè)人員在處理檢測(cè)環(huán)境方面的具體內(nèi)容，顯著提升了采圖的一次成功率。具體措施包括以下5 點(diǎn)：1）密切觀察車間環(huán)境，結(jié)合屏幕波形顯示，發(fā)現(xiàn)天車經(jīng)過(guò)時(shí)，立即暫停作業(yè)。2）檢查轉(zhuǎn)胎滾輪有無(wú)絕緣膠皮，結(jié)合儀器波形顯示，發(fā)現(xiàn)雜波隨轉(zhuǎn)胎轉(zhuǎn)動(dòng)周期性出現(xiàn)時(shí)，立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，再重新采圖。3）觀察檢測(cè)區(qū)域附近是否存在焊接等作業(yè)，結(jié)合儀器波形顯示，出現(xiàn)雜波時(shí)，暫停采圖，或者通過(guò)生產(chǎn)管理機(jī)制要求暫停焊接作業(yè)或?qū)⒐ぜ蹼x該區(qū)域，再重新采圖。4）觀察檢測(cè)區(qū)域附近是否存在氣割作業(yè)，同時(shí)結(jié)合儀器波形顯示，出現(xiàn)雜波時(shí)，暫停采圖或者通過(guò)生產(chǎn)管理機(jī)制暫停氣割作業(yè)或者將工件吊離該區(qū)域，再實(shí)施采圖。5）高溫天氣耦合劑黏度低、流速快，須及時(shí)補(bǔ)充耦合劑；低溫天氣耦合劑黏度高，探頭容易黏結(jié)，同時(shí)影響透聲性，可在耦合劑中兌入一定量的溫水調(diào)和，再進(jìn)行檢測(cè)。

4.3 改進(jìn)工裝適應(yīng)工件曲率

通過(guò)掃查角度驗(yàn)算和掃查器結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計(jì)制作了可調(diào)節(jié)曲率的掃查架。這種方式很好地解決了原固定式直型掃查架在筒體縱縫檢測(cè)中探頭耦合不良和圖像質(zhì)量低的問(wèn)題。同時(shí)，新設(shè)計(jì)的曲率掃查架有活動(dòng)關(guān)節(jié)，能夠便捷適應(yīng)各種曲率的縱縫檢測(cè)，調(diào)節(jié)范圍廣，檢測(cè)適應(yīng)性強(qiáng)。圖3（a）為原掃查架，（b）為改造后的曲率掃查架。

圖3 原掃查架與定制曲率掃查架的對(duì)比

曲率掃查架顯著減少了楔塊與工件間隙過(guò)大和耦合不良導(dǎo)致的焊縫內(nèi)部質(zhì)量信息失真的問(wèn)題的產(chǎn)生，降低了耦合劑內(nèi)多次反射導(dǎo)致的直通波周期增加的問(wèn)題出現(xiàn)的頻率，提高了圖像質(zhì)量。

5 質(zhì)量控制情況分析

5.1 質(zhì)量目標(biāo)

對(duì)策實(shí)施后，項(xiàng)目組對(duì)控制目標(biāo)完成情況進(jìn)行檢查，統(tǒng)計(jì)方法與現(xiàn)狀調(diào)查時(shí)一致。經(jīng)過(guò)分析8 月份四周采集的圖譜后發(fā)現(xiàn)，3 種對(duì)策實(shí)施后縱縫TOFD 檢測(cè)一次成圖率由89%上升至98.2%，超過(guò)了目標(biāo)值0.2%。控制情況如圖4 所示。

圖4 目標(biāo)檢查期圖譜質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表

結(jié)果表明，環(huán)縫的一次成圖率達(dá)到了100%；縱縫廢圖率下降了81.25%。影響一次成圖率的“3 通道”圖譜問(wèn)題全部解決。“1 通道”問(wèn)題下降了71.43%，整體焊縫檢測(cè)的一次成圖率達(dá)98.2%，超過(guò)了預(yù)定目標(biāo)。

為驗(yàn)證各項(xiàng)鞏固措施執(zhí)行后的效果，項(xiàng)目組對(duì)10 月份3 周和11 月份1 周的TOFD 圖譜做了隨機(jī)抽查，統(tǒng)計(jì)方法和現(xiàn)狀調(diào)查時(shí)一致。結(jié)果表明，1 個(gè)月的鞏固期內(nèi)，焊縫TOFD檢測(cè)的一次成圖率為99.1%，高于目標(biāo)值98%，檢測(cè)效能穩(wěn)定，鞏固效果良好。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

該項(xiàng)目研究除人力成本外，產(chǎn)生了一定的定制曲率掃查架的費(fèi)用，但實(shí)現(xiàn)了較高的性價(jià)比?？v縫定制曲率掃查架的使用提升了圖譜的整體質(zhì)量和一次成圖率、提高了缺陷檢出率，極大地降低了產(chǎn)品由于TOFD 圖譜數(shù)據(jù)無(wú)效存在的質(zhì)量隱患。減少了因反復(fù)采圖導(dǎo)致的楔塊磨損、耦合劑浪費(fèi)、人工工時(shí)增加等，預(yù)計(jì)年節(jié)約各類綜合檢測(cè)成本10 萬(wàn)元以上。

5.3 社會(huì)效益

該項(xiàng)目提升了壓力容器焊縫TOFD 檢測(cè)的質(zhì)量，在保證TOFD 圖譜有效的基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品焊接質(zhì)量的提升起到了積極的影響，很大程度降低了因反復(fù)補(bǔ)采圖對(duì)產(chǎn)品制造乃至交貨周期的影響，有助于企業(yè)“節(jié)約成本、提質(zhì)增效”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，有助于提升容器產(chǎn)品在用戶中的滿意度、美譽(yù)度和社會(huì)信用度。

6 結(jié)論

基于質(zhì)量管理思維的檢測(cè)過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制路徑工程實(shí)踐表明，以上質(zhì)量提升路徑能夠有效確認(rèn)TOFD 檢測(cè)中成圖率低的重要影響因素，進(jìn)一步按照實(shí)際情況及時(shí)制定消除其不利影響因素的具體措施，然后通過(guò)跟蹤統(tǒng)計(jì)檢查優(yōu)化改進(jìn)后的檢測(cè)案例效果，分析確認(rèn)一次成圖率和檢測(cè)效率方面的改善情況，利用循環(huán)反饋調(diào)整工藝措施及檢測(cè)要點(diǎn)的方式，不斷優(yōu)化質(zhì)量控制方法及質(zhì)量提升方案，顯著提高了TOFD圖譜采集成功效率，提升了壓力容器的焊縫質(zhì)量和檢測(cè)水平。