TOFD技术在电站锅炉钢结构检测中的应用

郑书平

(广东省特种设备检测研究院汕头检测院，汕头 515000)

0 引 言

当前，电站锅炉大多是在高温、高压的环境下运行，作为电站锅炉重要的承力结构，钢结构对保证锅炉安全、可靠的运行起到关键作用。钢结构是电站锅炉汽包、水冷壁、过热器等找正和安装的基础，均由钢板或型钢焊接而成，其焊缝长期在锅炉运行动、静载荷下承受拉力、剪力或压力等，如果不能保证锅炉钢结构的安全性，极有可能导致严重的生产事故。因此，在完成锅炉钢结构焊接作业后，提高钢结构焊口检测的可靠性显得尤为重要。TOFD技术是一种新型的无损检测技术，在很多领域都得到广泛应用，能有效节约检测成本，提高检测效率和质量，本文将研究和分析其在电站锅炉钢结构检测中的可行性。

1 TOFD技术在电站锅炉钢结构检测中的优势

在GB50205-2020《钢结构工程施工质量验收标准》中规定设计要求的一、二级钢结构焊缝应进行内部缺陷的无损检测，目前钢结构内部缺陷无损检测抽查重点为大板梁、主立柱对接焊缝，该类焊缝多采用Ⅰ型坡口自动焊，壁厚较大，基本上使用的比较多的是超声波和射线检测。超声波和射线检测原理和适用范围区别很大，并且有各自独特的优点与局限性。从表1中可以看出，TOFD技术在钢结构焊缝缺陷检测、定量检测、缺陷定性等方面，和传统超声波探测方法相比具有显著优势，且相比射线检测不需要严格的防护条件和隔离，应用在电站锅炉钢结构中拥有较大的优势。

表1 TOFD技术与超声波、射线检测对比表

2 TFD技术在电站锅炉钢结构检测中的应用

2.1 前期准备工作

TOFD技术在电站锅炉钢结构检测中应用时需要做好前期准备工作，检测人员要先了解被检测的工件，如钢结构的厚度、焊缝结构、历史缺陷等信息，探头移动区应清除焊接飞溅、铁屑、油垢及其他杂质，做好扫查面的平整。

2.2 合理选择检测探头

选择合适的检测探头是应用TOFD技术的关键，探头设置应确保对检测区域的覆盖和获得最佳的检测效果，TOFD探头形式一般采用纵波斜探头，由于电站锅炉钢结构一般厚度比较大，应根据钢结构厚度选择分区，分区应在厚度方向依次向上覆盖相邻分区深度范围的25%，表2 为在钢结构不同壁厚时TOFD探头的推荐选择设置。

表2 TOFD探头在不同壁厚钢结构的推荐选择设置

2.3 合理选择PCS值

PCS值指的是每对探头的中心间距，在确定钢结构TOFD检测PCS值时，一般情况下选择2 t/3法则，即保证探头声束中心能够聚集在2 t/3的位置，这一法则能够确保声场均匀覆盖最大区域，可以合理确定探头间距，具体公式为：

PCS=4dtanθ/3

2.4 A扫描时间窗口、灵敏度设置和深度校准

TOFD技术在电站锅炉钢结构检测中应用时，应在检测前设置A扫描时间窗口、校准深度和设置灵敏度，A扫描时间窗口的起始位置应设定为直通波前至少0.5μs以上，终止位置应设定为钢结构焊缝底面的一次波型转换波后0.5μs以上，为了准确测定缺陷的深度，检测之前应把直通波校准为零，而把底面反射波校准为钢结构厚度，灵敏度设置一般将直通波的波幅设置为满屏高的40%～80%。分区检测时，应采用对比试块，根据对比试块的各侧孔实际深度校准检测设备的深度显示，且对应各分区应沿深度方向向上至少覆盖相邻检测分区厚度范围的25%，同时将对比试块各通道A扫描窗口内各反射体最弱的衍射信号波幅设定为5%～10%作为灵敏度。在开始检测之前，应对各项数据进行详细复检，确认各项参数都达到要求之后才能开始探测工作。

2.5 扫查

在应用TOFD技术时，扫查是比较重要的环节，对电站锅炉钢结构检测的结果的精度有很大影响。首次检测的大范围快速扫查一般采用非平行扫查，对于非平行扫查发现的接近最大允许尺寸的缺陷或需要了解更多缺陷信息时，建议对缺陷部位增加偏置非平行扫查、平行扫查或脉冲反射超声波检测，为保证电站锅炉钢结构缺陷扫查的全面性，扫查时应确保探头的运动轨迹与拟扫查路径间的误差≤探头中心间距的10%，分段扫查各段重叠范围至少为20mm，扫查结束之后，数据采集工作也随之结束，为保证数据采集的有效性和完整性，可进行多次扫查，选择效果好的图像进行分析。

2.6 表面和底面盲区的补充检测

表面盲区是由于直通波的存在，隐藏在直通波信号之下的内部缺陷信号可能难以被发现，而底面盲区主要是轴偏底面盲区，因底部内部缺陷信号迟于底面反射波而被其覆盖，为了减少表面和底面盲区的影响，应补充扫查面表面检测，同时采用脉冲反射法超声检测和偏置非平行扫查有效降低盲区高度。

3 案例应用

根据上述检测程序和方法，对某在用电站锅炉的钢结构进行TOFD检测，该钢结构板厚度为18 mm，材质为Q355B。TOFD检测主要采用单通道检测和非平行扫查，探头为10 MHz ，声束角度为70°，晶片尺寸为3 mm，并附加扫查面表面检测、脉冲反射法超声检测和偏置非平行扫查，经TOFD检测发现了该钢结构焊缝存在未熔合缺陷，如图1所示。

图1 TOFD技术检测缺陷图像

4 结束语

在电站锅炉钢结构缺陷检测中，TOFD技术对焊缝未熔合、未焊透的检出率非常高，而且能够准确检测出缺陷的长度和高度，甚至是面状缺陷的倾斜也不会影响缺陷的可检性，同时可实时得到钢结构焊缝长度和宽度方向上的断面透视图像，检测结果可通过计算机软件自动生成。从长远看，TOFD技术具有很高的可靠性和自动化水平，将成为电站锅炉钢结构的重要检测手段。