TOFD方法在厚壁承压设备焊缝检测中的试验和应用

张占国

摘要：TOFD检测的基础在国际方面的应用范围日益扩大，尤其是对于大后壁的承压设备来说，由于射线检测等传统检测方法已经难以满足此类设备的检测需求，可以通过利用TOFD技术扩大检测作业的整体厚度，利用此类检测技术的灵敏度特性，在检测裂纹类缺陷时能够获得较强的敏感性，在此类作用和优势的支撑基础上充分的发挥出了TOFD检测技术的实用价值，通过对厚壁容器焊缝TOFD检测技术的实验与研究，使该项技术在最大后壁板焊加氢反应器的现场检测作业当中获得了优质的应用效果。

关键词：TOFD方法;后壁承压设备;焊缝检测;实验;应用

TOFD是一种利用超声波衍的超声检测方法，并且具有自动化的特点，在通常情况下可以使用纵波斜探头，利用“一发一收”的模式对相关设备进行检测，当发射探头发出超声脉冲之后，直通波属于首先到达接收探头的波形，其次是底面反射波，当检测主体存在缺陷时，接收探头会在直通波和底面反射波之间接收到由缺陷处所产生的衍射波，实现TOFD方法在后壁承压设备焊缝检测阶段的有效使用。

一、分析TOFD检测技术在国内外的实际应用情况

我国在开发并研究TOFD检测技术的过程中，从方法标准制定、灵敏度确定以及对比试块确定等不同的方面入手，在早期的起步阶段通常是以统一化的行业标准规定或国家规定为主要研究内容，为TOFD检测技术的推广奠定了良好的基础。TOFD检测技术在西方的发达国家发展过程中，已经获得了一定程度的优势与作用，其中包含了核工业、电力工业以及石油化学工业等行业，实现了对锅炉、压力容器以及压力管道等承压类型的设备检测与监测。随着TOFD技术研发与应用日益深入，多数国家针对TOFD检测方法制定了较为规范的标准。

二、明确掌握研究TOFD检测技术的重要作用

在使用射线进行检测时必须要求附近其他类型的交叉作业立即停止，从而对整体工程的运行进程造成了一定的阻碍。通过引进TOFD检测技术对设备缺陷进行检测可以看出，在此类技术的支撑作用下所测定的定量精度与常规类超声检测方法相比普遍较高，通常可以达到1mm，将TOFD技术运用到裂纹扩展监控作业当中时，可以看出其定量精度能够达到0.3mm。另外，现阶段我国所使用的承压设备类型逐渐朝着大型厚壁方向转型，由于受到了运输类条件的限制，使多数大型承压设备在制造作业完成之后无法达到整体运输标准，所以只能将其进行分段处理，并运送到现场之后再进行组焊。因此，射线检测等传统检测方法不仅无法满足大后壁设备检测阶段对于灵敏度的要求，还会在现场检测的过程中在减少射线防护设施建设的过程中所产生的投入。除此之外，TOFD检测技术相较于常规类型的手工超声检测方法来说，其所获得的缺陷检出效率普遍较高，在利用TOFD检测方法时所记录的图像信息量更大，在丰富的信息数据支撑作用下使TOFD图像为缺陷的识别和分析工作带来了便利性保障。不仅如此，在使用TOFD检测方法的过程中探头接收到的衍射信号可以有效避免声束和缺陷夹角的影响，通过任意方向的缺陷都能够及时的找出缺陷夹角和声束的实际情况，在TOFD检测技术的作用下提高了设备缺陷的检出效率。

三、对比试块和模拟试块的设计与制作

1.基础考虑要素

首先，试块的厚度需要与被检测对象的厚度保持一致，且对比试块反射体需要选择横孔的形式，与常规类型的超声检测试块反射体相同，而模拟试块所出现的反射体则属于人工缺陷。其次，需要根據待检测工件的基本情况予以综合考虑，使试块能够与检测作业之间保持适应性，将检测覆盖范围、灵敏度的设置等内容包含在内。试块需要由被检测对象相关材料制成，例如类似或者相同的材料，在声速、晶粒结构以及表面条件等方面具有趋同性。再次，还需要针对人工反射体的总体数量予以全面确定，人工反射体的数量需要超过检测阶段所使用的探头个数，确保每个探头都能够在检测区域内部至少出现一个人工缺陷。另外，还需要确保相邻的探头之间，能够将检测的厚度范围保持25%左右的重叠。最后，在对比试块和模拟试块的过程中，需要选定特制的大型厚壁板焊式加氢反应器环焊缝，在TOFD现场检测和制造的过程中明确加氢反应器的基本参数。

2.对比试块和模拟试块

对于对比试块来说，一共制作了11处以人工缺为主的陷横孔为侧钻孔，试块材料与反应器材料相同。对于模拟试块来说，模拟试块属于在试块焊缝内部以及上下表面区域，所开展的模拟实际缺陷的具体操作过程。

四、分析对比试块和模拟试块的实验结果

1.对比试块的试验结果分析

首先，分析对比试块的缺陷高度可以看出，实验的误差均在≤10%的范围内，而部分缺陷由于处于直通波表面盲区内部部分，其误差达到了21%，而其余部分则无法保障测量结果的准确性。另外，盲区的大小与探头对之间的间距和探头的标称频率具有直接关系。例如：当频率为5Mhz时，间距为100mm的探头，对其产生的检测盲区在9mm左右。直通波的占宽比例所造成的表面检测盲区属于TOFD技术在应用阶段的缺陷之一，造成此类问题的原因主要是由于直通波能够产生一定的脉冲宽度，而脉冲宽度则会在脉冲的持续时间之内，在图像当中所产生的等效深度。其次，通过对缺陷长度的检测进行分析，可以看出无论是否处于直通波的盲区内部，任意类型的缺陷长度均能够得到有效检测，并确保检测结果的准确性。最后，通过对对比试块的缺陷深度进行分析可以看出，深度检测所产生的误差较小，部分处于盲区内的深度结果无法得到有效测量。

2.模拟试块的试验结果分析

首先，对缺陷高度进行分析可以看出，由于模拟缺陷附近存在其他焊接类缺陷，所以对模拟缺陷的图像造成了干扰，部分数据难以保障准确性，且尚未检测出自身高度，其余的缺陷高度误差均能够保持在10%以内。其次，对于缺陷长度来说，当误差处于20～25mm的范围之间时，长度缺陷相对较小，在实际的检测过程中，若需要对183mm厚的焊缝进行检测，那么在选取工艺的过程中可以允许焊接缺陷的最大长度为50mm，此类误差能够满足工程需求。最后，对于缺陷深度来说，实验结果和实际的加工深度基本上能够保持一致，但通过与对比试块进行比较可以发现模拟试块上的缺陷深度测量误差相对较大，而产生此类误差的原因主要是由于试块焊接作业完成之后，会出现一定的变形而造成。

五、实际产品的焊缝检测

对130mm厚加氢反应器产品焊缝进行检测，通过对产品环向焊缝扫查图像进行分析，可以看出不同的分区图像具有清晰性的特点，能够明显找出缺陷位置。缺陷程度较小但颜色波明显缺陷来说，若其垂直于焊缝扫查阶段，可以及时的获取缺陷的长度。若在射线底片尚未发现缺陷情况，其主要原因是由于筒体的厚度已经达到183mm的标准，而加速器所拍出的底片灰雾度较大，从而导致检测灵敏度难以得到有效提升。首先，需要制定完善的检测工艺，通过实验确定制定产品焊缝检测工艺的相关内容，对TOFD检测探头对进行合理配置，将角度选择、频率选择、探头与中心间距选择包含在内。其次，还需要制作对比试块与模拟试块，最后，再用试块来确定实际检测阶段的灵敏程度。

结论：

在使用TOFD检测技术的过程中，可以对埋藏缺陷的深度、长度以及高度等不同的尺寸进行判读，并确保相关数据信息的准确性。将TOFD技术与射线检测进行比较，可以看出前者在使用过程中对于成本的要求较低，并且不需要特殊的防护作为支撑，且此类技术对于裂纹类的面状缺陷呈现出了较强的敏感性，实际的检测厚度范围较大且灵敏程度较高，不会随着厚度的增大导致灵敏度出现大幅度降低的情况，充分的彰显出了TOFD检测技术在后壁承压设备焊缝检测中的优势与作用。将TOFD技术与常规类型的超声进行相比，可以看出前者具有一定的优势与特点，不仅能够对裂纹等缺陷产生了较强的敏感性，在现场操作阶段也具有简易性的特点，还可以利用图像的形式对焊缝的检测结果予以清晰的显示，在大容量优势的作用下储存了大量的检测图像以及备份存档，提升了检测作业的整体效率。

参考文献：

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