3 000 m3液氨球罐TOFD检测应用

（合肥通用机械研究院，安徽压力容器与管道安全技术省级实验室，安徽合肥230031）

3 000 m3液氨球罐TOFD检测应用

刘国栋，陈贤洮，王 林

（合肥通用机械研究院，安徽压力容器与管道安全技术省级实验室，安徽合肥230031）

介绍球罐的技术特点和液氨球罐在现场建造过程中的焊缝检测难点，以及TOFD检测技术的特点分析和国内TOFD检测标准的发展和应用更新，列举了TOFD检测在3000m3液氨球罐工程上的应用实例。总结出TOFD检测代替射线检测在3 000 m3液氨球罐建造上应用的可行性。同时，分析了在应用TOFD进行焊缝检测时，TOFD检测精度和结果的影响因素。在说明TOFD检测应用优势的同时又指出TOFD检测的不足之处，即TOFD检测存在一定的表面和底面盲区，球罐采用TOFD检测时仍然需要辅以脉冲反射法超声波检测和表面检测。为今后同类设备的无损检测应用提供了应用经验和工程借鉴。关键词：TOFD检测；球罐；盲区

0 前言

随着国民经济的快速发展和工业的大规模建设，大型化成为球罐建造的必然趋势。球罐大型化主要受制于球罐建造材料、焊接以及无损检测技术，在材料没有升级的前提下，球罐的壁厚势必增加。因此球罐的大型化导致焊缝增加，焊接难度增加，焊缝的无损检测难度也相应增加。

球罐焊接质量直接影响到球罐的安全可靠运行，如何高效地进行球罐焊缝的无损检测，提高焊缝缺陷检出率，避免漏检，一直是国内检测机构及科研单位着力解决的问题。

1 球罐无损检测的特点

（1）焊缝较长。以3 000 m3球罐为例，三带十支柱混合橘瓣式结构的球罐焊缝总长约455.5 m，四带十支柱混合橘瓣式结构的球罐焊缝总长约为525.6 m。

（2）球罐的现场组焊为全位置焊接，因此焊缝检测也相应为平、横、立、仰位置的检测。

（3）受球罐自身结构和施工工序的影响，球罐需要在焊缝清根后、焊接完成后、热处理后、水压试验后等分别进行渗透、超声、射线或TOFD、磁粉检测。

2 液氨球罐的特点

（1）受检球罐公称容积3 000 m3，盛装介质为液氨。碳钢和低合金钢在无水液氨中具有一定的应力腐蚀开裂敏感性。因此，该球罐在设计时就不能选用Rm≥540 MPa的高强钢材料。目前，液氨球罐根据设计压力的不同选用16MnDR和Q370R两种材料[1]。该球罐的设计压力为2.354 MPa，因此选用Q370R更为合理，最终确定的名义厚度为56 mm。

（2）该球罐采用三带十支柱混合橘瓣式结构，对接焊缝总长455.5 m。对于56 mm厚的球罐来说，X射线机根本无法满足工程需要，Co60和加速器更不可能用于现场，只能采用γ射线源全景曝光透照或TOFD检测技术。由于较大直径的球罐在采用γ射线源进行中心曝光时，一方面较难检测出焊缝中存在的面积型缺陷[2]。另一方面，壁厚越大，一次透照所需的γ射线源的能量越大，同时γ射线源的能量会随着时间的推移而迅速衰减，后续透照需要的曝光时间会逐步增加；γ射线源的运输、使用、保管等环节都涉及到公众安全，管理相当严格。现在γ射线检测在球罐检测上的应用已越来越少，目前常用的检测方法为TOFD检测。

3 TOFD检测

3.1 TOFD原理

衍射时差法超声检测（TOFD）是当前超声波检测领域的前沿技术之一，是一种利用超声波衍射现象、非基于波幅的自动超声检测方法，其基本特点是采用一发一收工作模式。发射探头和接收探头按一定间距相向放置，使用发射探头向被检焊缝发出一束指向角足够大的斜射纵波声束，此声束覆盖整个被检区域，若在缺陷上下端部能产生衍射波并被同尺寸、同频率的接收探头接收到，则根据直通波与由缺陷上下端部产生的衍射波以及底波到达接收探头的传播时间差与声速的关系，可准确地测出缺陷（如裂纹）的埋藏深度和自身高度。

3.2 TOFD标准的发展应用

TOFD技术在国外已经发展应用多年，但在国内的应用时间较短。2009年底，TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》开始提出应用TOFD检测代替射线检测[3]。2010年以前，国内的几家TOFD检测应用研究机构（或单位）只能通过各自的企业标准进行有限范围内的应用，且TOFD检测具体应用到某个项目前都必须经过国家质量技术监督检验检疫总局的备案许可。直至2010年8月27日，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》标准才正式发布。随后GB150-2011《压力容器》在修订时也将TOFD检测方法纳入其中[3]。2015年4月2日，《承压设备无损检测第10部分：衍射时差法超声检测》更新至NB/T 47013.10-2015[5]。随着TOFD标准的不断更新，TOFD在国内的应用逐步被广大工程技术人员认可接受。

3.3 TOFD检测的特点

（1）从工件适用厚度范围上，TOFD检测适用的工件厚度为12～400 mm。

（2）从技术性能上看，TOFD能检出对接接头中的未焊透、气孔、夹渣、裂纹、未熔合等缺陷，且检出率较高，能确定缺陷的深度、长度和自身高度，厚壁工件缺陷检测灵敏度较高；检测结果较为直观，监测数据可记录和存储。

（3）从安全环保性上看，TOFD检测不产生环境危害，也不会对操作人员造成人身伤害。

（4）从检测周期上看，TOFD检测在球罐一段（条）焊缝焊接完成后即可进行检测，而不必等到球罐整体焊接成型后再进行检测，有利于加快球罐的建造进度。

（5）从经济性上来讲，TOFD检测成本低，只有设备的购置及维护成本和人员成本。

4 TOFD检测应用实例

该液氨球罐的主要设计参数：公称容积3000m3，内径18 000 mm，设计压力2.354 MPa，设计温度-20/50℃，名义厚度56 mm。结构形式：三带十支柱混合橘瓣式，共计34块球壳板；焊缝总长455.5 m。

4.1 检测仪器及设备

仪器型号为HS810的TOFD检测仪；探头为5 MHz φ6，3.5 MHz φ8；楔块角度：70°/55°；耦合剂：水；对比试块/模拟试块：T=62/T=62 mm；扫查装置：手动扫查器，带编码器。

4.2 检测区域

本次球罐对接焊缝的检测厚度为56 mm，检测宽度为焊缝本身43 mm加两侧各25 mm的宽度，如图1所示。采用两对探头双通道模式检测。探头声束在所检测区域高度范围内相对声束轴线处的声压幅值下降不应超过12 dB。

图1 TOFD检测区域示意

4.3 表面准备

（1）清除焊缝和热影响区的飞溅、焊疤、焊渣等。

（2）打磨焊缝表面咬边、较大的隆起和凹陷等，确保焊缝余高在规定范围内。

（3）检测前应在工件扫查面上予以标记，标记内容至少包括焊缝编号、扫查起始点和扫查方向，同时在母材上距焊缝中心线规定距离处画一条线作为扫查装置运动的参考。

4.4 球罐检测焊缝分布

该3 000 m3液氨球罐焊缝分布如图2所示。

图2 球罐焊缝分布

4.5 TOFD检测结果

本次TOFD检测焊缝455.5 m，发现超标缺陷31处。根据返修通知单提供的缺陷位置对焊缝进行实际解剖返修，均在TOFD检出部位不同程度地发现了气孔、夹渣或未熔合等缺陷。选取有代表性的几处缺陷，如图3～图5所示。

经实际解剖验证，图3为气孔和夹渣缺陷，图4为连续密集气孔缺陷，图5为断续夹渣缺陷。说明虽然TOFD检测不能对缺陷进行定性，但是对缺陷位置和缺陷的检出率比较准确，可用于现场施工。

图3 缺陷附图（一），焊缝标记F6-2，长度199.3 mm，深度35.9 mm，高度8.2 mm

图4 缺陷附图（二），焊缝标记：AF-19，长度358.4 mm，深度10.9 mm，高度4.4 mm

图5 缺陷附图（三），焊缝标记：AF-30，长度221.6 mm，深度31.8 mm，高度5.4 mm

4.6 TOFD实际应用体会

（1）焊缝余高对TOFD检测精度和结果有一定影响，因此在检测前应打磨焊缝余高，确保在设计要求范围内。

（2）TOFD检测存在表面和底面盲区，因此需要改进检测工艺或者其他检测方法对表面和底面盲区进行补充检测。

（3）TOFD检测出的缺陷虽然能够确定缺陷的深度、长度和自身高度，但在寻找缺陷具体位置时不如底片直观，有时需辅助脉冲反射法超声波检测再次定位缺陷。

通过3 000 m3液氨球罐TOFD检测应用实例，总结出TOFD检测在该球罐建造上的应用是可行的。相对射线检测而言，TOFD检测技术在大型球罐的检测上有环保、经济、效率高、检出率高、促进球罐建造精度等优势，一般情况下可以代替射线检测。

[1]GB/T 12337-2014，钢制球形储罐[S].

[2]NB/T 47013.1－2015，承压设备无损检测第1部分：通用要求[S]．

[3]TSG R004－2009，固定式压力容器安全技术监察规程[S]．

[4]GB 150－2011，压力容器[S]．

[5]NB/T 47013.10-2015，承压设备无损检测第10部分：衍射时差法超声检测[S].

Application of TOFD testing on a 3 000 m3liquid ammonia spherical tank

LIU Guodong，CHEN Xiantao，WANG Lin
（Hefei General Machinery Research Institute，Anhui provincial laboratory for safety technology of pressure vessels and pipelines，Hefei 230031，China）

According to illustration about characteristics of spherical tanks and NDT difficulties of liquid ammonia spherical tanks，features of TOFD testing technology and improvement and updates of TOFD standards，a instance about TOFD application on 3 000 m3liquid ammonia spherical tank is enumerated in this paper.It is correct that the ammonia spherical tank is constructed by TOFD not radiographic testing.Although TOFD haves a lot of advantages on spherical tanks NDT，TOFD testing technology have blind zones of the upper and bottom surface.Meanwhile，magnetic particle and penetrant testing should be application to spherical tanks construction besides TOFD.It provided some experience for reference in similar tanks.

TOFD testing；spherical tank；blind area

TG457

B

1001－2303（2017）11－0117-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.24

本文参考文献引用格式：刘国栋，陈贤洮，王林.3 000 m3液氨球罐TOFD检测应用[J].电焊机，2017，47（11）：117-119.

2017-03-01；

2017-04-07

刘国栋（1981—），男，工程师，主要从事压力容器的技术服务、安装管理、检测检验等工作。E-mail：lgd1020@163.com。