厚壁压力容器TOFD检测技术参数

郭永良，郑 晖，刘礼良，袁丽华，邬冠华

（1.南昌航空大学 无损检测教育部重点实验室，南昌 330063；2.中国特种设备检测研究院，北京 100013）

近年来，随着科学技术的发展，厚壁压力容器越来越多，对厚壁压力容器的制造和服役过程中的检测要求越来越高。厚壁压力容器焊缝检测常采用射线检测法等。然而射线检测成本高、焊缝检测效果差；而常规超声检测焊缝效率低、定量难、存在较大的盲区、重复性差［1－3］。超声波衍射时差法（TOFD）技术对缺陷的定量精度比常规超声要高得多，通常可达到1mm［4］，而且 TOFD 对缺陷检出率较高。这使得TOFD技术在焊缝检测和缺陷定量方面，极具应用价值。笔者在分析厚壁容器TOFD检测存在盲区的基础上，针对性提出采用分层检测以减小检测盲区的方法，结合理论计算和试块试验测试结果，提出和优化分层检测参数。

1 TOFD技术检测原理

TOFD检测技术是依靠超声波与缺陷端部的相互作用而发出的衍射波来检出缺陷并对其进行定量［5］的。TOFD检测与传统的超声检测完全不同，传统超声检测是依靠从缺陷上反射的能量大小（即幅值）来判断缺陷。而TOFD技术克服了常规超声探伤的一些固有缺点，缺陷的检出和定量不受声束角度、探测方向、试件表面状态及压力等因素影响。

TOFD成像产生四种信号均以纵波传播，回波较强的直通波和底面波可作为被检区厚度范围的时间闸门或参考波，较之微弱的缺陷端部散射波和衍射波出现在两者之间。分别测出缺陷的上下端部衍射波之间的传播时间差以及上端部衍射波与直通波之间的传播时间差，即可通过计算得出该缺陷的自身高度和埋藏深度。

2 厚壁压力容器检测参数设计

近年来，壁厚100mm以上且有高温、高压要求的反应容器越来越多，其壁厚最大已可达350mm［6］。对于这一类特厚焊缝，目前仍缺乏有关内部缺陷检测精度的数据。相关研究者对这类焊缝进行了大量的对比试验研究，分别采用射线检测（RT）和TOFD技术厚壁压力容器检测试验结果如表1。

表1 RT和TOFD技术对大厚壁压力容器检测试验结果

由表1可知，TOFD技术在大厚壁压力容器检验中具有检测能力强、缺陷定量精度高的优点。

就TOFD检测来说，用一组探头一次扫查完成检测的效率最高。但是对于厚板，一次扫查可能不能完全覆盖整个检测区域。对于厚板一般需要较大晶片尺寸和较小频率的探头。200mm以上焊缝检测时，一般选择探头角度40°～50°，频率2～5MHz。晶片尺寸10～20mm。由声束半扩散角公式：

式中：γ为半扩散角；F为扩散因子（声压下降12dB时为0.7）；λ为波长；D为镜片尺寸。

当选择探头角度50°，频率2MHz，晶片尺寸10mm时，半扩散角λ为4.82°，所以在楔块中的有效声束角度为13.24°～22.88°。

由楔块中的有效声束角度可得出在钢中的折射角公式：

式中：α为楔块中的声束角；β为焊缝中的折射角；c1为楔块中的声速；c2为钢中的声速。

由式（2）可求出钢的折射角为32.47°～73.88°。

对于非平行扫查时，PCS（2s）的最佳选择为：

式中：2s为探头间距；D为焊缝厚度；θ为探头角度。

所以当D取150mm时，s的值为119.18mm。

由上面求出的折射角度以及1／2PCS值可求得声束覆盖的范围为34.46～187.39mm。这样在上表面就出现了一个34.34mm的盲区。由于其他因素影响，盲区实际值比理论值可能还要大，因此在这一区域就会出现漏检。而分层检测就是解决这一问题的方法之一。

对于检测工件而言，是否分层以及分几层检测，是依据工件厚度来确定的。依据NB／T 47013.10—2010《承压设备无损检测 第10部分：衍射时差法超声检测》标准，对厚度100～200mm的工件进行分层检测，常用探头参数见表2。

表2 100～200mm分层检测常用探头参数

根据2／3T法则可以求出探头中心间距值（T为检测区域深度值）。

当工件厚度为150mm时，根据式（3）容易计算出第一、二、三层检测区域的探头中心间距值分别为：110，242.2，260mm。

根据优化后的工艺，对该容器分三个厚度区域进行检测，采用三通道100%TOFD检测。0～29mm为第一区，用第一通道检测；29～88mm为第二区，用第二通道检测；88～147mm为第三区，用第三通道检测。TOFD检测工艺参数设置如表3所示。

表3 TOFD检测工艺优化参数

由于检测时分三层进行检测，因此在设置时间窗口时，也应分三个窗口设置。在设置时间窗口时应注意：在设置第一通道的时间窗口起始位置应设置为直通波到达接收探头前0.5μs以上，第三通道的时间窗口的终止位置应设置为底面反射波到达接收探头后0.5μs以上；各分区的A扫描时间窗口在深度方向应至少覆盖相邻检测分区在厚度方向上高度的25%。设置灵敏度时，一般在对比试块上进行设置，将对比试块上反射体较弱衍射信号的波幅设置为满屏波高的40%～80%，并在被检工件表扫查时进行表面补偿。

3 工程应用

检测的工件规格为φ6 100mm×152mm容器的对接环焊缝。检测中所运用的仪器设备有omniscan mx TOFD检测仪器一台，笔记本电脑一台，5MHz 6mm 探头2对、2.25MHz 12.5mm 探头一对，45°，60°，70°楔块各1对，编码器1只，扫查架1个，连接线若干。

3.1 实际检测验证

3.1.1 检测前准备

首先清楚被检对象的基本情况，并了解在该种材质工艺下需要检出的缺陷类型；再对被检工件进行准备工作，检测焊缝外观，余高与宽度；检查扫查面情况是否平整，一般要求机加工表面粗糙度不大于6.3μs，喷丸表面粗糙度不大于12.5μs；并确定检测区域，画出焊缝中心线和检测区域宽度。

3.1.2 深度校准

在检测前应对深度进行校准，校准试块如图1所示。校准第一通道时，选择试块中深度为25mm的φ2mm侧孔进行校准。将扫查架放置在对比试块上，并找到两侧孔的缺陷衍射波。在A扫描中，找到深度为25mm的上端衍射波，上端衍射波深度为24mm，并将深度校准为24mm，并且误差不超过1.47mm；校准第二通道时，选择试块中深度为62.5mm的φ3mm侧孔进行校准。第三通道则选择深度为112.4mm的φ6mm孔进行校准。

3.1.3 灵敏度校准

检测前在图1所示的试块上对灵敏度进行校准。在对比试块上进行校准，第一通道灵敏度校准时，用深度12.5，25mm的侧孔进行校准，将两侧孔中较弱衍射波的波幅设置为满屏的80%，在扫查时进行表面耦合补偿；第二通道灵敏度校准时，用深度62.5，87.5mm 两侧孔进行校准，将两侧孔中较弱衍射波的波幅设置为满屏的80%，在扫查时进行表面耦合补偿；第三通道灵敏度校准时，用深度112.5，137.5mm 的侧孔进行校准，将两侧孔中较弱衍射波的波幅设置为满屏的80%，在扫查时进行表面耦合补偿。

图1 校准试块尺寸示意

3.2 检测结果

图2 现场检测出的缺陷图

经现场检测发现多处超标缺陷。部分检测结果如图2所示。在图2（a）所显示的缺陷长度41mm，深度22.4mm。该缺陷经返修后，发现是一个层间未熔合，并且旁边伴随着一些小气孔。图2（b）中显示的缺陷为两段未熔合缺陷，经返修后，也证实为未熔合缺陷。图2（c）中显示的缺陷深度为116mm，判定长度为376.9mm，经返修发现，其由夹渣与气孔组成。当检测区域焊缝经过返修后，该处晶粒组织可能会发生变化；有时该处晶粒会变大，导致该处在图上可能会出现非正常的显示，如图3所示。

图3 缺陷返修后的检测图

图3中方框内位置为返修区域。将该区域与旁边未返修区域对比可知，返修后区域内的晶粒噪声更大，因此在进行返修后的缺陷评判时，要注意该现象，以免造成误判。

4 结论

经现场实际应用结果证明，采用优化后的TOFD检测工艺对厚壁压力容器进行检测，能比较精准地测出各个层中的缺陷，而且对缺陷的定位较准确，能测出缺陷的位置和缺陷的长度。

［1］ 林立华.压力容器无损检测技术［J］.机械，2007（34）：1－3.

［2］ 刘松平，刘菲菲，李乐刚，等.铝合金搅拌摩擦焊缝的无损检测方法［J］.航空造技术，2006（3）：81－84.

［3］ 刘松平，刘菲菲，李乐刚，等.搅拌摩擦焊缝变入射角超声检测方法研究［J］.无损检测，2006，28（5）：225－228.

［4］ 倪进飞.TOFD检测技术基本原理及其应用探讨［J］.广东电力，2007（10）：17－19.

［5］ 袁涛，曹怀祥，祝卫国，等.TOFD超声成像检测技术在压力容器检验中的应用［J］.压力容器，2008（2）：58－60.

［6］ 郭小联.厚壁压力容器声源定位理论分析与试验研究［C］／／第11届中国声发射学术研讨会.杭州：［出版者不详］，2006.