焊接是采用加熱、加壓或二者并用的方式實現(xiàn)材料結(jié)合的一種加工工藝。焊接接頭聯(lián)接方式廣泛應(yīng)用于承壓類特種設(shè)備中。因此，焊接接頭的質(zhì)量控制對于承壓類特種設(shè)備的安全運(yùn)行有著十分重要的作用。
焊接接頭的形式多種多樣，常見的有對接接頭、角接接頭等。對接接頭中按兩側(cè)母材厚度是否相等可分為等厚度對接和不等厚度對接；按橫截面投影是否在同一平面內(nèi)可分為平面對接接頭和非平面對接接頭。
目前，TOFD檢測技術(shù)已發(fā)展成熟，并在工程檢測中廣泛應(yīng)用。在標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.10—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測》附錄A中提及了母材不等厚對接接頭的檢測工藝。
通過借鑒，將此工藝應(yīng)用于母材既為不等厚，且夾角為優(yōu)角的特殊結(jié)構(gòu)中。公稱厚度不相等的錐體與筒體組對焊接的結(jié)構(gòu)就是此類特殊結(jié)構(gòu)的焊接接頭。
編制此類焊縫的TOFD檢測工藝，在選擇探頭、楔塊和設(shè)置探頭中心間距值時必須考慮兩側(cè)母材存在的角度。由于兩個探頭放置在不同水平平面上，焊縫中心線與實際的探頭連線中心（PCS）不再重合，因此儀器顯示的缺陷深度與理論深度也存在一定的誤差，需要通過計算來修正顯示信號的理論深度和高度。
待檢焊縫
待檢件為某高壓吸收塔（焊縫需檢），該塔的設(shè)計壓力為1.85 MPa，設(shè)計溫度為250 ℃，設(shè)計制造檢驗規(guī)范有TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、GB 150.1~150.4—2011《壓力容器》、NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》。
需進(jìn)行TOFD檢測的筒體與錐體對接焊縫編號為B10，焊縫類別為Ⅲ類容器環(huán)焊縫，內(nèi)徑8700 mm，公稱厚度為68 mm（筒體）/76 mm（錐體），材料為SA516 70，X型坡口，采用手工電弧焊（SMAW）+埋弧焊（SAW），焊縫寬度為30 mm（外）/35 mm（內(nèi)），檢測依據(jù)NB/T 47013.10—2015 B級，驗收依據(jù)NB/T 47013.10—2015 Ⅱ級。B10焊縫坡口及裝配示意如圖1所示。
圖1 坡口裝配示意
檢測方法
TOFD根據(jù)發(fā)射和接收聲波的時間差來計算缺陷深度，檢測時一般將兩個探頭對稱放置于焊縫的兩側(cè)，如圖2所示，直通波、聲程、缺陷深度形成一個直角三角形，根據(jù)勾股定理，可計算出深度為：
式中：d為缺陷距離平板上表面的深度；S為發(fā)射探頭發(fā)出射聲波到缺陷的上尖端，再到接收探頭的聲程；PCS為發(fā)射探頭與接收探頭入射點(diǎn)的直線距離。
圖2 TOFD成像原理示意
各標(biāo)準(zhǔn)對缺陷自身高度的定義各不相同，根據(jù)NB/T 47013.10—2015的定義：沿掃查方向的某位置，在厚度方向投影間距的最大值為缺陷的自身高度。
檢測設(shè)備、器材及試塊
在此次檢測過程中，使用的檢測儀器包括TOFD儀器及分析軟件、數(shù)字式超聲波探傷儀，試塊包括NB/T 47013.3—2015中提出的IA，IIA試塊，以及針對該項目制作的對比與模擬二合一試塊，如圖3所示。
圖3 TOFD對比與模擬二合一試塊實物
設(shè)計的對比與模擬二合一試塊原材料來源于該產(chǎn)品的板材余料，示意圖如圖4所示。
圖4 試塊側(cè)孔位置示意
試塊包括兩部分，第一部分為側(cè)面4個橫孔H1~H4，側(cè)孔具體的尺寸信息如表1所示，可用作校準(zhǔn)試塊。
表1 試塊側(cè)孔尺寸信息（mm）
第二部分為預(yù)埋在焊縫表面與焊縫中心的缺陷F1~F7，位置示意如圖5所示，缺陷F1是上表面的槽，用于模擬上表面開口缺陷；缺陷F4位于下表面焊縫中心，模擬下表面開口缺陷；缺陷F2，F(xiàn)6，F(xiàn)7分別位于第一分區(qū)焊縫左右兩邊坡口位置處，用來模擬第一分區(qū)中坡口未熔合危害性缺陷；缺陷F3，F(xiàn)5分別位于第二分區(qū)焊縫左右兩邊坡口位置處，用來模擬第二分區(qū)中坡口未熔合危害性缺陷。
圖5 試塊模擬焊縫缺陷位置示意
該模擬試塊符合NB/T 47013.10—2015的要求。具體模擬缺陷的位置、自身高度、長度、深度以及其加工方法如表2所示。
表2 試塊模擬焊縫缺陷信息
檢測工藝
探頭的選擇
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.10—2015，工件的公稱厚度大于50 mm時，推薦使用兩組探頭，需要將工件的厚度進(jìn)行分區(qū)。第一分區(qū)為0~2/5T，采用頻率為5~7.5 MHz，直徑為3~6 mm的探頭，角度為60°~70°的楔塊。第二分區(qū)為2/5T~T，采用頻率為3~5 MHz，晶片直徑為6~12 mm的探頭，角度為45°~60°的楔塊。結(jié)合非平面結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)推薦的TOFD檢測工藝參數(shù)，此焊縫TOFD檢測使用的探頭頻率、晶片尺寸、楔塊角度等工藝參數(shù)如表3所示。
表3 模擬焊縫TOFD檢測關(guān)鍵工藝參數(shù)
探頭中心距離的計算
工藝計算幾何關(guān)系示意如圖6所示。根據(jù)計算第一分區(qū)深度為0~30 mm，聚焦點(diǎn)取深度為20 mm的位置，根據(jù)三角關(guān)系得知，a為54.9 mm，b為56.5 mm，第一組實際PCS值為111 mm。第二分區(qū)深度為30~68 mm，聚焦點(diǎn)取深度為56 mm的位置，第二分區(qū)與第一分區(qū)PCS計算過程相同，可以得到c為97 mm，d為104.6 mm，其中b與d為探頭的中心點(diǎn)到焊縫中心距離在水平方向的投影距離。第二組實際PCS值為202 mm。
圖6 工藝計算幾何關(guān)系示意
聲場的計算及厚度方向覆蓋驗證
在TOFD檢測中，不同區(qū)域的信號強(qiáng)度是不同的，在選擇探頭、探頭中心間距及掃查次數(shù)時必須保證超聲波能夠覆蓋檢測區(qū)域并有足夠的能量。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較為特殊，通過實測探頭-12 dB擴(kuò)散角和結(jié)合設(shè)置的探頭中心間距，在深度方向和寬度方向進(jìn)行覆蓋驗證。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.10—2015實測得到-12 dB擴(kuò)散角，如表4所示。
檢測區(qū)域覆蓋驗證的結(jié)果：根據(jù)表4的實測數(shù)值，用CAD按實際尺寸1∶1繪圖（見圖7）可得第一組探頭擴(kuò)散角覆蓋深度為0~39 mm，第二組探頭擴(kuò)散角覆蓋深度為19~68 mm，保證了整個焊縫厚度的覆蓋，并能滿足第二分區(qū)可以覆蓋第一分區(qū)的1/4的要求；檢測區(qū)域?qū)挾儒F體側(cè)不能完全覆蓋熱影響區(qū)10 mm，通過偏置20 mm補(bǔ)充掃描，檢測區(qū)域?qū)挾葷M足NB/T 47013.10—2015的要求。
表4 所用探頭-12 dB擴(kuò)散角實測結(jié)果
圖7 按-12 dB擴(kuò)散角計算深度覆蓋示意
深度的修正
由于產(chǎn)品的焊縫結(jié)構(gòu)特殊，探頭不能對稱放置于焊縫兩側(cè)，需要對深度進(jìn)行修正，以便更加準(zhǔn)確地確認(rèn)缺陷的深度位置。為了方便深度修正計算，在儀器內(nèi)部設(shè)置時需要引入虛擬角度。因此在儀器內(nèi)部設(shè)置第一組錐體上楔塊角度為74°，筒體上楔角度為70°，儀器PCS為111 mm；第二組錐體上楔塊角度為69°，筒體上楔角度為60°，PCS為202 mm；并以筒體側(cè)上表面為深度基準(zhǔn)使用以下公式對缺陷深度進(jìn)行修正。
第一分區(qū)的深度可由以下公式修正：
式中：H1為第一分區(qū)范圍內(nèi)缺陷的顯示深度；h1為第一分區(qū)范圍內(nèi)缺陷的理論深度；PCS為第一分區(qū)探頭投影尺寸的間距；lGE為圖6中點(diǎn)G，E間的距離；其余參數(shù)X1，F(xiàn)1，b如圖6所示。
第二分區(qū)深度修正公式為：
式中：H2為第二分區(qū)缺陷的顯示深度；h2為第二分區(qū)缺陷的理論深度；PCS為第二分區(qū)探頭投影尺寸的間距；其余參數(shù)X2，F(xiàn)2，d如圖6所示。
盲區(qū)補(bǔ)充檢測
NB/T 47013—2015中指出：表面盲區(qū)大于1 mm時，進(jìn)行脈沖手工超聲檢測對其進(jìn)行補(bǔ)充檢測；底面盲區(qū)大于1 mm時，需要進(jìn)行偏置掃描。由于此結(jié)構(gòu)較為特殊，需對其焊縫進(jìn)行左右各偏置20 mm和手工UT以覆蓋底面盲區(qū)（見圖7），對于上表面盲區(qū)，采用交流磁軛連續(xù)法進(jìn)行磁粉檢測深度0~1 mm表面及近表面的缺陷，對于大于1 mm的盲區(qū)部分，采取手工超聲檢測，使用45°橫波斜探頭進(jìn)行一次反射波對其進(jìn)行覆蓋，以保證焊縫上表面盲區(qū)檢測（包括余高區(qū)域）覆蓋。
檢測結(jié)果及討論
1、試塊檢測結(jié)果討論
通過工藝計算，再次在試塊上進(jìn)行了工藝驗證，試塊用TOFD掃描的圖譜如圖8所示。
圖8 模擬試塊缺陷的TOFD圖譜
由圖8可以看出，TOFD檢測技術(shù)較容易發(fā)現(xiàn)試件中的F2~F7預(yù)留缺陷；利用儀器的分析軟件對此兩件試塊檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行定位、定量分析，與設(shè)計的缺陷位置大體一致。
另外，可檢測出橫孔H2~H4缺陷的位置，并且通過試塊的橫孔深度與理論計算比較，結(jié)果如表5所示，該結(jié)果表明對深度進(jìn)行修正計算的結(jié)果與實際顯示深度的誤差極小，由此可以證明通過理論計算對深度進(jìn)行修正可以精準(zhǔn)測量缺陷理論深度。但是缺陷F1和橫孔H1在圖譜上并沒有顯示，這是因為TOFD上表面盲區(qū)較大。
表5 理論顯示深度與實際顯示深度的比較（mm）
2、產(chǎn)品檢測結(jié)果討論
利用與試塊上相同的工藝檢測產(chǎn)品焊縫B10，通過使用軟件發(fā)現(xiàn)該焊縫兩處缺陷，如圖9所示。1#缺陷為內(nèi)表面缺陷，缺陷顯示深度為52.2 mm，長度為60 mm，從修正表可查，理論深度為60 mm，高度為7 mm，根據(jù)NB/T 47013.10—2015 Ⅱ級驗收要求，判定此缺陷為不合格缺陷。通過手工UT在筒體側(cè)對其進(jìn)行定位，發(fā)現(xiàn)缺陷深度為59~68 mm。另一處2#缺陷，通過分析發(fā)現(xiàn)缺陷沒有高度和長度，顯示深度為33.3 mm，根據(jù)深度修正表查得理論深度為40 mm，符合NB/T 47013.10-2015 Ⅱ級驗收要求，判定為合格缺欠。
圖9 產(chǎn)品焊縫缺陷的TOFD圖譜
此外，對產(chǎn)品焊縫還進(jìn)行了脈沖手工超聲檢測和磁粉檢測，以補(bǔ)充檢測TOFD檢測時的固有上表面盲區(qū)（包括余高區(qū)域）。
結(jié)語
對于此類既為不等厚又有角度的特殊焊縫結(jié)構(gòu)，雖然僅使用TOFD檢測會導(dǎo)致部分區(qū)域漏檢，但根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.10—2015建議將TOFD與手工超聲檢測結(jié)合，建立了簡單的理論計算模型，并通過試塊試驗驗證，確定該工藝方案可以完全覆蓋其完整焊縫。使用不同角度楔塊，計算探頭所在位置，對深度進(jìn)行計算修正，通過校準(zhǔn)試塊橫孔的理論深度與理論計算深度的對比，說明該工藝也可以確定缺陷理論深度。該方案為不等厚度錐體與筒體優(yōu)角對接焊縫多分區(qū) TOFD檢測方法提供了新的思路。
作者：寧東明，程敏，劉淑倩，孫坤
工作單位：森松（江蘇）重工有限公司
第一作者簡介：寧東明，高級工程師，主要從事壓力容器的無損檢測相關(guān)工作。
來源：《無損檢測》2023年11期
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