不等厚对接焊接接头的TOFD检测

张智伟，郑建勇2，王文迪

(1.宁波甬安检测技术有限公司， 宁波 315207；2.浙江省特种设备检验研究院， 杭州 310020)

不等厚对接焊接接头形式在压力容器中广泛应用，在材料厚度满足容器的使用条件(设计温度、设计压力、介质特性和操作特点)、材料的性能(工艺性能、化学性能和物理性能)、容器的制造工艺要求时，一般采用削边处理来减轻设备的重量，以实现一定的经济效益。尤其是一些高温、高压、厚度较大的化工设备，其锻件封头与筒体之间常采用不等厚的焊接型式。焊接不等厚对接焊缝时，经常要对厚板进行机加工，将其削成斜面(斜面的端部与薄板的厚度相同)再进行焊接，而斜面会使得声束进入工件后的传播角度与平对接时的传播角度不同，进而对缺陷的定位和检测覆盖造成误差，影响对缺陷的判定和返修，甚至可能造成漏检。

笔者通过制作对比试块和工艺验证试块，对不等厚对接焊接接头的TOFD检测进行了初步探讨。

1 斜面楔块入射角的计算

斜面倾斜角度在GB 150-2011《压力容器》中有规定，如图1所示，削边长度L≥3δ(δ为两侧工件厚度差), tanφ≤1/3(φ为削边角度或斜边角度)，即φ≤18.4°，文中计算设φ=18°，楔块标称角度为β，声束在工件中的角度为α，可知α=β-18O。

图1 斜面楔块入射角计算示意

2 探头中心距的计算

当不具备在平面上进行TOFD检测的条件时，只能在非平面的表面进行检测，因此该非平面上的楔块探头的声束角度会发生变化。TOFD非平行扫查过程中，通常应确保探头出射点连线的中心位于焊缝中心线上，以保证声束能对称地覆盖被检测区域。在平面工件上，探头主声束的交叉点位于焊缝中心线上；但是在两边不等厚的工件上检测时，探头在焊缝中心线两侧的位置不再对称，因此需要根据交叉点的位置来确定探头的位置。探头中心间距计算原理示意如图2所示，图中探头中心间距为S′+S，h为聚焦深度，θ和γ分别为平面和非平面侧楔块的角度，a为焊缝宽度的一半。由图2的几何关系可得：

(1)

图2中ΔBDG与ΔDEF相似，又tan18O=0.32,代入式(1)可得：

S′=tan(g-18O){h+(0.29+0.095tang)X

[htan(g-18O)-a]}

(2)

图2 探头中心间距计算原理示意

3 工艺验证试块的制作

由于要在非平面的表面上进行检测，声束进入工件后的入射角会发生变化，如果采用相同角度的楔块有可能不能满足对被检测区域的全覆盖，因此需要对工艺验证试块进行被检测区域全覆盖的确认。

根据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》附录A及TOFD对比试块的制作要求，制作了工艺验证试块，试块的结构示意如图3所示。制作试块时应避免反射体间的干扰，在试块的两侧交替设置反射体，反射体应设置在检测区域的边缘(在斜面侧设置反射体，而平面侧可以不设置反射体)。

图3 工艺验证试块结构示意

按照式(2)计算完探头中心距后，在对比试块上进行灵敏度的调整，然后再在工艺验证试块上进行检测区域覆盖情况的验证。具体的验证过程为：将两个楔块放在预先计算好的位置，对工艺验证试块进行检测，看能否发现位于检测区域边缘(斜面侧)的横孔，如果能够清晰发现，则说明检测区域能全覆盖。

4 缺陷深度的测量

TOFD检测中探头出射点连线的中心偏离焊缝中心线时，会对缺陷的定位和测量产生误差[1]，在对不等厚对接焊接接头的TOFD检测数据进行分析时，由于两个探头不在同一平面上，且实际探头中心距的中心与焊缝中心线不再重合，目前的仪器默认为两个探头在同一平面上，采用与仪器相匹配的软件进行测量存在一定的测量误差。当发现缺陷时，可以采用以下两种方法来确定缺陷深度。

(1) 在确定实际探头中心距中心与焊缝中心的偏离值后，可以采用人工方法计算实际深度，其计算原理示意如图4所示。则结合图4可得，如果偏离值为ΔS1,位于中心线右侧，则缺陷实际深度H=h-ΔS1÷tanθ(h为仪器测量的深度)；如果偏离值为ΔS2,位于中心线左侧，则缺陷实际深度H=h+ΔS2÷tanθ。

图4 缺陷实际深度计算原理示意

图5 垂直焊缝非平行扫查示意

(2) 对缺陷所在区域垂直于焊缝作非平行扫查，扫查示意如图5所示，检测缺陷的位置和缺陷深度，以利于缺陷的返修准确。采用该方法的前提条件是焊缝余高已磨平。

5 实际应用案例

某公司制造的一台容器，某一条焊缝两侧的母材厚度分别为45,30 mm，坡口型式及尺寸如图6所示，焊缝宽度为22 mm。因此采用式(2)计算出S=35 mm，S′=40 mm。

图6 某容器焊缝的坡口型式及尺寸

按照上述计算的S和S′对该焊缝进行了检测，发现一处超标缺陷，TOFD检测结果如图7所示，对该处缺陷进行了射线检测而未发现该缺陷的存在。焊缝刨开后发现有点状气孔，表明TOFD检测发现了射线检测不能发现的点状气孔。

图7 TOFD检测的缺陷图谱

6 结语

通过TOFD方法在实际产品中的检测应用，表明TOFD方法检测不等厚对接焊缝还是比较可靠的。