TOFD技术在压力容器焊缝检测中的质量提升路径研究

于鹏祖 赵志强 刘 祎

（1.甘肃建筑职业技术学院，甘肃 兰州 730050；2.兰州兰石重型装备股份有限公司，甘肃 兰州 730314）

1 TOFD 检测技术

TOFD 技术（衍射时差法超声检测，简称“TOFD”）是1 种超声波检测技术的新方向，区别于超声脉冲反射法和声波穿透法等技术，它是利用当入射波与缺陷自身结构发生相互作用时，在缺陷表面发生超声波反射现象，同时在两端点处发生衍射现象。与缺陷中部反射信号的显著特定指向性相比，缺陷两端的衍射信号指向性不明显。正因为这种差异性现象的存在，缺陷中部发射波是近似平面波，能产生叠加现象，而缺陷端部子波源发出的是衍射波。TOFD 检测就是依靠纵波在固体中传播时缺陷端角和端点产生的衍射波来进行缺陷检测的。如图1 和图2 所示，分别为 TOFD 检测时的缺陷衍射波传播和A 扫描信号示意图。

图1 TOFD 检测缺陷衍射波示意图

图2 TOFD 检测典型A 扫描信号示意图

2 TOFD 技术在压力容器焊缝检测中的应用

长期以来，压力容器焊缝内部缺陷检测主要使用射线照相法检测和超声脉冲反射法检测。但超声脉冲反射法和射线照相法检测对焊缝内部缺陷自身高度均无法确定，特别是射线检测对超过60mm 的超厚件清晰度明显降低，检测灵敏度无法保证。而超厚件射线检测因自身特点，受到时间和空间的限制，不仅检测效率较低，也增加了经济成本，延长了检测周期，也可能会伤害人体和环境。随着炼油化工装置大型化发展，装置中的反应器、换热器和储罐等承压设备向大直径和厚壁方向发展。但受运输条件及制造要求的限制，某些大型承压设备须在项目安装现场焊接和检测。但传统的射线检测，一方面无法满足大壁厚设备检测灵敏度的要求，另一方面现场射线检测时，不允许交叉作业，施工人员和公众群体必须疏散，因此对工程的进度影响较大。特别是大型球形储罐在检测时因为曝光时间较长，在检测时周围其他工种不能作业，严重影响工期。而且对现场组焊的厚度超过200mm 的承压设备焊缝，进行射线照相是很难的。因此，TOFD 技术凭借较高的检测精度和可靠性，在承压设备生产中使用相当广泛，在工业行业应用中占据着重要地位。世界各国都把承压设备作为特种设备予以强制性管理，TOFD 技术成为特种设备质量管理时效性准确性较高的检测方法之一。在大型炼油化工压力容器焊缝缺陷检测和评定中应用TOFD 技术，对不断提升检测效率和自动化水平有重要意义。

3 压力容器焊缝TOFD 检测存在的问题

TOFD 技术在我国各大重点能源装备制造单位得到广泛应用，但在实际大型能源装备焊接结构的TOFD 检测中，由于场内设备繁杂、工序繁多、工种交互作业，受检测人员、设备、结构、工艺、环境等各方面相关因素的影响，存在检测图谱无法离线转化、高度覆盖不足、时间窗口设置错误、杂波信号干扰、采图方法差异化、扫查速度过快、图谱信号丢失、耦合不良图像断帧等问题。因此，经常导致所采集数据无效，无法用于图谱分析和缺陷评定，一般只能重新返工和检测。但重新检测将额外占用人力、耗费耦合剂、磨损楔块、延误工期，使检测成本和生产成本显著增加，严重影响生产进度。另外，无效数据未及时发现，还会导致缺陷漏检，给产品质量埋下隐患。

4 检测质量提升的路径

针对压力容器焊缝TOFD 检测中的突出问题，围绕厚壁检测1 通道一次成图率低这个影响检测质量和产品质量的核心问题，项目组从“人、机、料、法、环、测”6 个方面入手，采取分类调查统计和分析研究的方式，排查了高度覆盖不足等8 个可能产生影响的直接因素，梳理出对应的8 个末梢因素，并对末梢因素进行了跟踪确认，锁定了“操作指导书不完善”“检测环境存在交叉作业”“扫查器与工件曲率不匹配”等3 个关键影响因素。

运用基于质量管理思维的检测过程监测和控制路径工程实践，按照实际情况制定降低和消除其不利影响因素的控制措施，并持续跟踪检查优化改进后的检测效果，循环反馈调整工艺措施及检测要点，形成厚壁容器焊缝TOFD 检测质量提升方案，提高了TOFD 图谱采集一次成功率，提高了厚壁容器的检测效率，提升了焊缝质量。

4.1 优化完善技术文件

针对检测工艺技术问题，进行了楔块纵波入射角、声束扩散角、上下边界角和厚度方向声束覆盖范围等计算程序设计，在TOFD 检测操作指导书中补充加入高度覆盖验算和时间窗口设置的方法和说明，明确了工艺参数和技术方法。要求检测人员熟练应用参数计算程序，具体可通过内部管理机制和培训平台进行推广，如检测部门内部专项培训，周例会和月度质量会强调，检验检测过程指导监督等，提高了检测参数的准确性和计算效率。

式中：为纵波入射角度；为楔块中纵波声束的扩散角；为扩散因子；为纵波波长；为纵波波速；为探头晶片直径；为纵波频率；为楔块中纵波声束的上边界角；为楔块中纵波声束的下边界角；为钢中纵波声束的上边界角；为钢中纵波声束的下边界角。

根据以上-12dB声束扩散角的计算，采用频率5MHz6mm的探头，60°楔块时，声束下半扩散角为47.22°，上半扩散角为84.0°。

第二分区覆盖厚度为22.5mm～90mm，=242mm。在焊缝中心线上，-12dB 声束覆盖深度范围如下。

式中：为探头中心间距，为声束覆盖上界深度，为声束覆盖下界深度。

经计算表明，该法满足厚度方向上深度覆盖的要求。实际工作中，还应在对比试块上通过对各深度缺陷的检测效果进行验证。

4.2 降低环境不利影响

通过对制造过程质量检测工作的跟踪研究，编制了“影响TOFD 图谱质量的现场环境因素清单及应对措施”，补充为衍射时差法超声检测工艺规程的资料性附录。规范了检测人员在处理检测环境方面的具体内容，显著提升了采图的一次成功率。具体措施包括以下5 点：1）密切观察车间环境，结合屏幕波形显示，发现天车经过时，立即暂停作业。2）检查转胎滚轮有无绝缘胶皮，结合仪器波形显示，发现杂波随转胎转动周期性出现时，立即停止转动，再重新采图。3）观察检测区域附近是否存在焊接等作业，结合仪器波形显示，出现杂波时，暂停采图，或者通过生产管理机制要求暂停焊接作业或将工件吊离该区域，再重新采图。4）观察检测区域附近是否存在气割作业，同时结合仪器波形显示，出现杂波时，暂停采图或者通过生产管理机制暂停气割作业或者将工件吊离该区域，再实施采图。5）高温天气耦合剂黏度低、流速快，须及时补充耦合剂；低温天气耦合剂黏度高，探头容易黏结，同时影响透声性，可在耦合剂中兑入一定量的温水调和，再进行检测。

4.3 改进工装适应工件曲率

通过扫查角度验算和扫查器结构分析，设计制作了可调节曲率的扫查架。这种方式很好地解决了原固定式直型扫查架在筒体纵缝检测中探头耦合不良和图像质量低的问题。同时，新设计的曲率扫查架有活动关节，能够便捷适应各种曲率的纵缝检测，调节范围广，检测适应性强。图3（a）为原扫查架，（b）为改造后的曲率扫查架。

图3 原扫查架与定制曲率扫查架的对比

曲率扫查架显著减少了楔块与工件间隙过大和耦合不良导致的焊缝内部质量信息失真的问题的产生，降低了耦合剂内多次反射导致的直通波周期增加的问题出现的频率，提高了图像质量。

5 质量控制情况分析

5.1 质量目标

对策实施后，项目组对控制目标完成情况进行检查，统计方法与现状调查时一致。经过分析8 月份四周采集的图谱后发现，3 种对策实施后纵缝TOFD 检测一次成图率由89%上升至98.2%，超过了目标值0.2%。控制情况如图4 所示。

图4 目标检查期图谱质量统计表

结果表明，环缝的一次成图率达到了100%；纵缝废图率下降了81.25%。影响一次成图率的“3 通道”图谱问题全部解决。“1 通道”问题下降了71.43%，整体焊缝检测的一次成图率达98.2%，超过了预定目标。

为验证各项巩固措施执行后的效果，项目组对10 月份3 周和11 月份1 周的TOFD 图谱做了随机抽查，统计方法和现状调查时一致。结果表明，1 个月的巩固期内，焊缝TOFD检测的一次成图率为99.1%，高于目标值98%，检测效能稳定，巩固效果良好。

5.2 经济效益

该项目研究除人力成本外，产生了一定的定制曲率扫查架的费用，但实现了较高的性价比。纵缝定制曲率扫查架的使用提升了图谱的整体质量和一次成图率、提高了缺陷检出率，极大地降低了产品由于TOFD 图谱数据无效存在的质量隐患。减少了因反复采图导致的楔块磨损、耦合剂浪费、人工工时增加等，预计年节约各类综合检测成本10 万元以上。

5.3 社会效益

该项目提升了压力容器焊缝TOFD 检测的质量，在保证TOFD 图谱有效的基础上，对产品焊接质量的提升起到了积极的影响，很大程度降低了因反复补采图对产品制造乃至交货周期的影响，有助于企业“节约成本、提质增效”目标的实现，有助于提升容器产品在用户中的满意度、美誉度和社会信用度。

6 结论

基于质量管理思维的检测过程监测和控制路径工程实践表明，以上质量提升路径能够有效确认TOFD 检测中成图率低的重要影响因素，进一步按照实际情况及时制定消除其不利影响因素的具体措施，然后通过跟踪统计检查优化改进后的检测案例效果，分析确认一次成图率和检测效率方面的改善情况，利用循环反馈调整工艺措施及检测要点的方式，不断优化质量控制方法及质量提升方案，显著提高了TOFD图谱采集成功效率，提升了压力容器的焊缝质量和检测水平。