TOFD技术在水工钢闸门焊缝检测中的应用

王 莺，叶 菁

(1.浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院，浙江 杭州 310018；2.浙江省天正设计工程有限公司，浙江 杭州 310012)

水工钢闸门是水闸、船闸、水库、水电站等水利工程的重要组成部分。闸门多以钢板为基材，采用焊接制作而成[1]。作为一、二类焊缝的对接焊缝一旦出现损坏，会造成拦水泄漏，严重的会给下游人民的生命财产带来严重危害[2-3]。因此，焊接质量是闸门制作质量优劣的一个决定性因素，焊缝检测是判断钢闸门焊接质量优劣的重要手段。

1 规范对钢闸门对接焊缝的检测要求

GB/T14173—2008《水利水电工程钢闸门制造安装及验收规范》按焊缝的受力条件和重要性程度将闸门上的焊缝分为一、二、三类[4]。承受拉力的焊缝：闸门主梁、边梁、臂柱的腹板及翼缘板、闸门及拦污栅的吊耳板和拉杆等对接焊缝为一类焊缝；承受压力的焊缝：闸门面板、拦污栅主梁和边梁的腹板及翼缘板等对接焊缝为二类焊缝。以上焊缝可采用射线或超声检测手段对焊缝进行检测，并给出了相应的合格级别。焊缝分类(见表1)。

表1 焊缝分类

2 焊缝检测方法比较

2.1 射线检测和常规超声检测

射线检测时需要在被检测焊缝背面贴胶片，要求放置放射源，对检测时的工作环境有特殊要求，现场检测有一定难度。

常规超声检测是利用超声波在缺陷处即不连续界面发生的声波反射的现象，利用探头发射信号及接收反射信号，通过信号的波幅来判定缺陷的存在及测量尺寸。这种检测方法对反射信号的有效接收要求较高，声波只能以合适的角度到达缺陷处，才能被反射回探头。如果反射面的角度未达到反射要求，则反射波强度迅速下降，甚至接收不到反射波，产生漏检。

2.2 TOFD检测

TOFD(超声波衍射时差法)是一种依靠从待检试件内部结构(主要是指缺陷)的“端角”和“端点”处得到的衍射能量衰减来检测缺陷，同时定量、定位缺陷并记录的方法[5-6]。TOFD检测的方法是用发射和接收两个对称布置于焊缝中心线两侧的宽带窄脉冲检测探头，发射探头发射纵波波束以一定角度入射到被检工件中，其中部分波束沿近表面传播，经底面反射后被接收探头接收；部分波束接触缺陷尖端，衍射后被接收探头接收，得到波束传播的衍射信号及其时差[7]。系统通过获得的衍射信号的时差计算判断缺陷的位置和自身高度，其基本工作原理(见图1)。

图1 TOFD技术的基本工作原理

2.3 三种检测方法的比较

规范规定的常规超声检测和射线检测两种焊缝检测方法存在一定的局限性，TOFD检测方法以其对人无辐射危害、安全可靠、检测精度高、操作便捷，在对接焊缝检测中可以完全代替射线检测。而另一种目前现场闸门焊缝检测较多采用的方法——常规超声检测而言，对检测人员现场人工读取数据的能力和检测经验水平要求非常高，不仅会出现漏检或误判的情况[8]，而且对准确的定量、定性发现的缺陷并记录也有困难，更不用提事后对缺陷判定的依据作核查。

TOFD检测虽然也是利用声波在工件中传播的原理，但与常规脉冲回波超声检测方法相比有以下4个主要区别：

(1)衍射波信号与反射信号角度无关，信号的强弱和精度不受缺陷角度和形状的影响。(2)缺陷的定位定量是根据衍射波传播到接收探头的时差确定的，不依靠信号波幅，避免人为操作的失误，有效弥补了常规超声检测的不足。

(3)TOFD系统配用手动或自动扫查装置，沿焊缝作一维扫查，避免了常规超声检测的锯齿形动作，检测速度较快。

(4)常规超声波检测仪器多采用A扫描波形的模拟探伤仪，只能现场显示不能记录。数字超声仪也仅能存储检测参数和DAC曲线。而TOFD检测支持多信道数据采集，信号过程可全记录可保存，给后期信号处理和记录提供依据。有经验的检测人员也可现场直接读取缺陷在工件中的深度及缺陷的大小。

3 钢闸门焊缝质量超声波探伤实例

为检验萧山区顺坝排涝闸站工程钢闸门的焊缝质量，特采用超声波探伤检测。

3.1 检测依据

《水利水电工程钢闸门制造安装及验收规范》(DL/T5018—2004)

《焊缝无损检测 超声检测 技术、检测等级和评定》(GB/T 11345—2013)

《焊缝无损检测 超声检测 焊缝中的显示特征》(GB/T 29711—2013)

《焊缝无损检测 超声检测 验收等级》(GB/T 29712—2013)

3.2 检测方法

根据《水利水电工程钢闸门制造安装及验收规范》(DL/T5018—2004)的要求，检验等级采用B级，探伤方法为横波斜入射单探头直接接触法，对被探焊缝进行扫查。

探测仪器和探测条件采用：

(1)仪器型号：CTS—8008型数字式超声波探伤仪；

(2)调节试块：CSK—1A、RB—2试块；

(3)探头移动区经除漆打磨平滑，采用化学浆糊为耦合剂，工件表面耦合补偿见成果(见表2)。

3.3 检测成果

对泵站出水口1#快速工作闸门的焊缝质量进行超声波探伤，其成果(见表2)。

根据相关规范，闸门的被检焊缝质量，满足规范要求。

表2 闸门焊缝质量超声波探伤成果表

4 TOFD检测的应用

TOFD检测技术现广泛应用于压力容器制造、球罐制造和电力行业的风筒制造及定期检验。采用TOFD技术进行制造和检验的设备，普遍具有大型化高风险、对接焊缝处壁厚较厚的特点，一旦被检测部位的焊接缺陷超过可承受范围，即会发生泄漏或破坏，造成无法挽回的损失。水利行业所用的水工钢闸门非常重要，同样具有上述特点。虽然直接承受水压的钢闸门板相对较薄，但也属于非常重要的应用场合。现如今，各地大型的水利枢纽纷纷上马，钢闸门的焊接焊工任务重，焊工的焊接质量又参差不齐。如果没有一个严格的检测手段，仍按现有的人工判定的超声检测手段，将给百年大计的工程留下安全隐患。因此，我们要根据TOFD检测技术的以下特点，将检测手段合理的应用到工程中各类焊缝检测中，从而保证项目的工程质量。

根据TOFD检测技术的实际应用经验，主要适用于以下焊缝缺陷检出场合：

①焊缝中部缺陷；

②方向性不好的缺陷，特别是向表面延伸的缺陷。

但TOFD检测在实际检测中也会存在一定的困难：

①工件表面附近的缺陷可能存在盲区，需利用超声检测进行弥补。

②可能夸大一些良性的缺陷，如气孔、冷夹层、内部未熔合。

③由于其检测精度高，现场“噪声”对衍射波会起一定的干扰作用。

④由于扫查器尺寸的限制，目前仅适用于对接焊缝的检测，对角焊缝、搭接焊缝、T字焊缝等检测有困难。

5 结 论

TOFD检测技术于2001年左右开始在国内推广应用，与规范中定义的常规脉冲回波超声检测和射线检测技术相比，其具有操作便捷、一维扫查速度快、对检测人员无辐射伤害、缺陷检出率高、缺陷精确定位等优点，除受一发一收探头和扫查器尺寸的限制，对于角焊缝和T形组合焊缝的仍无法检测，需要超声波检测作为补充检测手段外，对对接焊缝的检测完全满足闸门现场检测的要求。