吳春雷，李令闖，隋 偉，徐 爽

(1.貴州興盛建設(shè)集團(tuán)有限公司，貴州 畢節(jié) 551700；2.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130061)

1 概 述

1.1 TOFD檢測技術(shù)在我國的應(yīng)用發(fā)展情況

TOFD技術(shù)原理為超聲波衍射現(xiàn)象，采用一發(fā)一收兩個寬帶窄脈沖探頭進(jìn)行檢測。發(fā)射探頭產(chǎn)生非聚焦縱波波束以一定角度入射到被檢工件中，其中部分波束沿近表面?zhèn)鞑ケ唤邮仗筋^接收，部分波束經(jīng)底面反射后被探頭接收。接收探頭通過接收缺陷尖端的衍射信號及其時差來確定缺陷的位置和自身高度。相比于傳統(tǒng)的UT超聲波脈沖反射法和RT射線檢測法，TOFD檢測技術(shù)具有檢測效率高、缺陷檢出率高、對缺陷垂直方向的定量和定位更準(zhǔn)確、缺陷判讀更加直觀等優(yōu)勢。

從20世紀(jì)90年代起，TOFD檢測技術(shù)在國外逐步應(yīng)用于石化、電力等行業(yè)的承壓設(shè)備焊接接頭質(zhì)量檢測。21世紀(jì)初，我國開始逐步應(yīng)用該項技術(shù)，到2005年中科院武漢中科創(chuàng)新研發(fā)出第一臺國產(chǎn)TOFD專用檢測設(shè)備。之后我國壓力容器行業(yè)開始引用TOFD檢測技術(shù)，并進(jìn)行全面推廣。

近些年隨著我國水利水電工程的蓬勃發(fā)展，TOFD無損檢測技術(shù)在水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)無損檢測中應(yīng)用越來越廣泛，《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗收規(guī)范》(GB 50766—2012)中已將TOFD檢測列入焊縫無損檢測常規(guī)方法。近些年我國已建成或在建的抽水蓄能電站工程中，部分項目已將TOFD檢測方法代替RT射線檢測，如洪屏、敦化、豐寧、阜康等抽水蓄能電站工程中TOFD與UT成為主要的焊縫內(nèi)部探傷方法。

1.2 TOFD圖譜數(shù)據(jù)有效性

在TOFD評圖之前應(yīng)檢查數(shù)據(jù)的有效性，為達(dá)到檢測數(shù)據(jù)的有效性，應(yīng)滿足以下要求[1]。

(1) 檢測參數(shù)：主要是PCS的設(shè)置和楔塊角度的選擇應(yīng)滿足相應(yīng)檢測規(guī)范的要求。

(2) 顯示長度應(yīng)與實際掃查長度一致，主要通過對編碼器進(jìn)行校準(zhǔn)來保證。

(3)掃查靈敏度應(yīng)滿足：直通波滿屏40%～80%波高，若直通波不適合應(yīng)采用底波達(dá)到滿屏80%再提高20～32 dB，若以上皆不可用可將材料的晶粒噪聲設(shè)定為滿屏波高的5%～10%作為檢測靈敏度。

(4)數(shù)據(jù)丟失及耦合穩(wěn)定性應(yīng)滿足：掃查數(shù)據(jù)丟失不應(yīng)超過5%且不能有連續(xù)丟失。

(5) 時間窗口設(shè)置應(yīng)滿足相應(yīng)規(guī)范的要求，尤其是分區(qū)掃查時，應(yīng)確認(rèn)相鄰分區(qū)時間窗口的設(shè)置是否有覆蓋。

1.3 典型的TOFD圖譜介紹

對TOFD圖譜的分析包括定性分析和定量分析，定性分析為根據(jù)缺陷的顯示特征區(qū)分缺陷為何種型式，定性分析需要檢測人員有豐富的評圖經(jīng)驗，定量分析需要確定缺陷的位置、顯示長度、自身高度等信息。常見的缺陷顯示圖譜如圖1～圖4所示。

圖1所示的缺陷為氣孔，產(chǎn)生的原因主要包括焊材不良、焊接電流過大、焊接速度過快、氣體保護(hù)不周密等。單個氣孔的圖像通常呈拋物線形，信號圖像尾部向底面墜落，通常無法明顯分辨上、下端點信號，上部反射信號較強，得不到衍射信號，只有下部的回波是衍射產(chǎn)生的[2]。單個氣孔一般不記錄在報告中，根據(jù)(承壓設(shè)備無損檢測 第10部分:衍射時差法超聲檢測)NB/T 47013.10—2015規(guī)范規(guī)定，如果存在密集型氣孔，則需按照條狀缺陷顯示評判。

圖2所示的缺陷為夾渣，產(chǎn)生的原因主要包括前層焊渣清除不徹底、焊接電流過小、焊接速度過慢、焊條或焊絲擺弧不當(dāng)?shù)?。夾渣上、下端點一般無法分辨，呈弧形，上端點信號較強，有明顯的亮點。條狀夾渣往往會斷成幾節(jié)，圖像黑白對比較為鮮明[2]。

圖3所示的缺陷為未熔合，未熔合指焊縫金屬和母材之間或焊縫金屬之間未熔化結(jié)合在一起的缺陷，產(chǎn)生的原因主要包括焊接電流過小、焊接速度過快、焊條角度不當(dāng)、母材表面有氧化物影響熔敷金屬與母材間的熔化結(jié)合、焊接處于下坡焊位置導(dǎo)致母材未熔化時已被鐵水覆蓋等。未熔合上、下端點信號較規(guī)則，圖譜一般成較直或光滑過渡的主線，在主線上側(cè)或下側(cè)一般會伴有相位相反的不規(guī)則狀線組(拋物線狀或不連續(xù)的小段)雜散信號較少[2]。

圖4所示的缺陷為裂紋，裂紋是對焊縫危害最大的缺陷，產(chǎn)生的原因主要包括母材碳元素及其他合金元素含量過高、焊材品質(zhì)不良、熱處理不當(dāng)導(dǎo)致焊縫冷卻過快、焊縫拘束應(yīng)力過大等。裂紋一般有一定的自身高度，可區(qū)分上、下端點，焊接產(chǎn)生的裂紋上、下端點一般不太規(guī)則，上、下端點之間有些雜散信號，一般裂紋下端點衍射信號強于上端點。兩端和主線有時伴有不規(guī)則的拋物線組[2]。

圖1 氣孔

圖2 夾渣

圖3 未熔合

圖4 裂紋

2 某工程實踐中幾種特殊圖譜的分析

在某抽水蓄能電站工程壓力容器檢測中，發(fā)現(xiàn)幾種較難判定的圖譜，對于經(jīng)驗不足的檢測人員，容易引起誤判，在此列出工程實踐中比較典型的幾種圖譜進(jìn)行分析探討。

圖5為在某工程壓力鋼管檢測中比較典型的一種偽缺陷顯示圖譜。在壓力鋼管檢測中，TOFD檢測某幾節(jié)壓力鋼管縱焊縫均存在類似的缺陷顯示。焊縫相關(guān)參數(shù)為：母材材質(zhì)Q690E、母材厚度42 mm、坡口型式為X型、焊接方法為埋弧自動焊。檢測儀器為中科HS810型TOFD檢測儀，探頭規(guī)格為5 MHz、Φ6 mm，楔塊角度為70°。

圖5 偽缺陷顯示圖譜

對于所有出現(xiàn)該偽缺陷顯示的鋼管焊縫，用UT脈沖反射法進(jìn)行檢測，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺欠顯示。利用超聲波直探頭對母材進(jìn)行檢測，未發(fā)現(xiàn)母材存在缺陷。為排除TOFD檢測設(shè)備原因，采用奧林巴斯TOFD檢測儀進(jìn)行檢測，該設(shè)備相關(guān)參數(shù)為探頭規(guī)格5 MHz、Φ6 mm，楔塊角度為60°，結(jié)果TOFD圖譜顯示出類似的缺陷顯示。檢測人員選取兩節(jié)壓力鋼管，每節(jié)鋼管選取1條焊縫，對焊縫中TOFD圖譜缺陷顯示較明顯部位進(jìn)行打磨解剖，并對TOFD圖譜中缺陷顯示深度位置進(jìn)行滲透檢測，焊縫經(jīng)解剖后也未發(fā)現(xiàn)存在缺陷。最終判定此類顯示為偽缺陷顯示。

對該偽缺陷顯示產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，具體如下：

(1)產(chǎn)生偽缺陷顯示的焊縫母材經(jīng)檢測未發(fā)現(xiàn)存在缺陷，且母材材質(zhì)和厚度相同情況下采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的焊縫未出現(xiàn)此類偽缺陷顯示，可判定偽缺陷顯示與母材無關(guān)。

(2)出現(xiàn)此類偽缺陷顯示的焊縫均使用同一種焊接工藝，此種焊接工藝在此前的壓力鋼管焊接中未使用，由于焊接工藝原因?qū)е潞缚p晶粒粗大，組織不均勻，TOFD方法檢測靈敏度高導(dǎo)致出現(xiàn)偽缺陷顯示。

(3)對焊縫剖開部分用焊條電弧焊進(jìn)行補焊，偽缺陷顯示仍存在，但不明顯且不連續(xù)。返修會導(dǎo)致金屬金相發(fā)生變化，也會引起局部晶粒粗大，故某些位置仍會出現(xiàn)偽缺陷顯示。

針對此類偽缺陷顯示，本文建議有如下解決辦法[3-4]：

(1)遇到難以判斷是否為偽缺陷顯示的圖譜，首先應(yīng)采用脈沖反射法超聲波進(jìn)行檢測，對TOFD圖譜的缺陷顯示進(jìn)行確認(rèn)，如超聲波未發(fā)現(xiàn)缺陷回波，可懷疑TOFD圖譜為偽顯示。

(2)應(yīng)對母材進(jìn)行無損檢測，以排除母材缺陷原因。

(3)TOFD必要時進(jìn)行雙面檢測，如仍出現(xiàn)類似缺陷顯示，可采用更高頻率的探頭進(jìn)行驗證檢測。TOFD探頭頻率越高分辨力越高，但由于頻率越高，衰減和噪聲也隨之增加，因此高頻率探頭只用于驗證，正常檢測中探頭頻率選擇還是要滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

(4)以上幾種方法基本可確定TOFD圖譜是否偽顯示，如還無定論，為謹(jǐn)慎起見可選取圖譜中缺陷顯示最嚴(yán)重部分對焊縫進(jìn)行剖開并用滲透檢測進(jìn)行驗證。

圖6 密集氣孔圖譜

在某工程蝸殼焊接中，TOFD檢測發(fā)現(xiàn)某幾條焊縫上中和下中位置均出現(xiàn)較密集氣孔，圖6為其中一張比較典型的圖譜。圖中焊縫相關(guān)參數(shù)為：母材材質(zhì)610CF、母材厚度42 mm、坡口型式為K型、焊接方法為焊條電弧焊。檢測儀器為中科HS810型TOFD檢測儀，探頭規(guī)格為5 MHz、Φ6 mm，楔塊角度為70°。

根據(jù)規(guī)范NB/T 47013.10—2015如果按照密集氣孔進(jìn)行評判則判定為質(zhì)量等級Ⅲ級，不滿足該試板質(zhì)量等級Ⅱ級要求，而利用超聲波方法檢測缺欠未超標(biāo)，利用RT射線檢測缺陷未超標(biāo)。對焊縫進(jìn)行解剖分析，焊縫未出現(xiàn)連續(xù)性缺陷，由于TOFD相對于其他檢測方法，對微小缺陷的檢測靈敏度及檢出率更高，所以焊縫中氣孔比較多時，在TOFD圖譜中容易顯示為小圓弧布滿圖譜。

規(guī)范NB/T 47013.10—2015中規(guī)定：密集型點狀顯示需按照條狀顯示處理，但規(guī)范中對于如何算密集型點狀顯示未作出明確定義，對此文獻(xiàn)5中也進(jìn)行了專門的探討[5]。對于TOFD圖譜出現(xiàn)此類的肉眼觀察較密集的點狀顯示，可參考文獻(xiàn)5中對密集型顯示的定義進(jìn)行判定，并利用常規(guī)超聲波方法等進(jìn)行檢測，必要時對最嚴(yán)重部位焊縫剖開進(jìn)行驗證檢測，如確實存在超標(biāo)缺陷，則進(jìn)行返修，如被剖開焊縫點狀缺陷分布較稀疏則應(yīng)避免不必要的返修。

3 結(jié) 論

(1) TOFD檢測方法與射線檢測相比缺陷檢出率更高、效率更高，在水利水電工程建設(shè)中已逐步替代射線檢測，TOFD與常規(guī)超聲檢測方法成為主流的焊縫內(nèi)部探傷方法。

(2)TOFD檢測方法靈敏度較高，由于檢測人員水平和經(jīng)驗不足等原因，可能對某些偽缺陷顯示進(jìn)行誤判，檢測人員在檢測時應(yīng)對焊縫的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行充分了解，綜合分析母材材質(zhì)、焊接方法與焊接工藝、坡口型式等，以排除非缺陷引起的顯示。

(3)對TOFD圖譜中的顯示有懷疑時，應(yīng)結(jié)合常規(guī)超聲等檢測方法的檢測結(jié)果進(jìn)行分析，必要時可對TOFD圖譜中最嚴(yán)重部位焊縫進(jìn)行解剖分析。

(4)TOFD檢測人員應(yīng)對檢測保持認(rèn)真嚴(yán)肅的態(tài)度，嚴(yán)格按照檢測工藝書及規(guī)范進(jìn)行檢測及評定工作，對檢測結(jié)果負(fù)責(zé)，堅守職業(yè)操守，對出現(xiàn)的超標(biāo)缺陷不放過，也不能對非缺陷顯示進(jìn)行不必要的返修。