赵志强
(甘肃建筑职业技术学院，甘肃 兰州 730050)
承压设备在工业生产中的应用十分广泛，在经济社会中占据着重要地位。炼油化工设备是重要的承压设备，通常在受压状态下工作，所处理的物质多为高压、超高压、高温、腐蚀、有毒、易燃易爆介质环境。这类设备一旦发生事故，将严重危害人们的财产及生命安全，并对经济造成重大损害。因此，承压设备被我国列为特种设备来强制监管。随着我国炼油化工装置的大型化、高端化、集成化，反应器、分离器、管壳式换热器、球形储罐等承压设备逐渐向厚壁设计、分段制造、现场组焊的方向发展。甚至有些大型加氢设备壁厚超过300 mm，单个筒节组件重量超过了300 t。TOFD 技术(即衍射时差法超声检测技术，以下简称“TOFD技术”)作为无损检测新技术，在厚壁容器焊缝内部缺陷的检出率方面优势突出，近些年在承压设备检测中推广应用，已成为承压设备检测的重要手段。
笔者重点对承压设备TOFD检测技术特点和工艺特点进行系统研究分析，提出典型焊缝结构TOFD检测探头扫查及布置形式，厘清盲区覆盖特点、曲面纵缝检测特点、不锈钢和碳钢检测差异、不等厚检测探头选择等重点问题和关键技术，并指出大厚壁、超大厚壁、不等厚壁承压设备焊缝TOFD检测质效的提升方向。
1972年，TOFD技术率先由英国哈威尔无损检测中心Dr.Silk M G提出[1]。随着英国工业的发展，到了20世纪90年代，英国出台了BS7706标准[2]，美国ASME在规范案例2235[3]和第Ⅴ卷《无损检测》附录[4]中列入了TOFD相关的规范和条款。2000年日本和欧盟相继推出TOFD专用的检测标准，如ENV583-6-2000等[5]。20世纪90年代，我国开始引进和研究TOFD技术。2001年，中国一重率先将TOFD技术用于承压设备焊缝检测，探索用新技术取代照相法射线检测，并取得首批14台70余条焊缝的有效检测。2004年，中国一重与中国特检院携手完成了我国第一个TOFD标准的编订工作。2007年左右，TOFD技术在国内的推广普及呈规模化发展，甚至不少企业开始试验研究在不同壁厚承压设备生产及在役检测中采用“TOFD+相控阵”技术融合[6-7]。2010年，我国在参考国外规范和吸收国内实践成果基础上，制订了《承压设备无损检测第10部分：衍射时差法超声检测》TOFD标准[8]，进一步加快TOFD技术在我国承压设备生产和在役检测中的推广应用[9]。
TOFD技术是应用惠更斯原理实现缺陷检测的，是利用超声波在传播过程中遇到障碍物会发生衍射这一现象。所以为了与传统方式区别，该法也被称为衍射时差法超声波检测技术。
在缺陷尺寸比超声波长小的情况下，超声波仍会绕过缺陷位置继续传播，所以缺陷引起的衍射波并无明显的方向性。由于缺陷引起的衍射信号比反射信号小很多，所以TOFD 技术能检测更小的缺陷。
TOFD检测采用双探头、一发一收方式进行信号发射和采集。要求两扫查探头频率、角度及晶片规格相同，横跨被检焊缝两侧。扫查方式一般有非平行扫查、偏置非平行扫查、平行扫查、斜向扫查等。扫查过程中，探头发射的纵波在碰到缺陷后，在缺陷上下端点处产生衍射信号。由于其下端点衍射信号用时多于上端点，可用这个时间差作为量值确定缺陷自身高度。缺陷深度也可同理得出。缺陷埋藏深度通过上端点信号延迟与直通波的差值来计算得出。最终，这些特征信息将按照一定的规则显示在图谱上，供质量评定。仪器显示屏主要显示A扫图像和对应的TOFD图像。TOFD图谱直通波和底波分别显示工件上表面和下表面附近的信息。缺陷端点衍射信号处于直通波至底波之间的区域。原理如图1所示。图中D为母材厚度，d为缺陷深度，h为缺陷自身高度，PCS为探头中心间距。
图1 TOFD检测原理图
3.1 缺陷检测特点
与常规脉冲反射法相比，TOFD技术检测精度和可靠性不受缺陷取向和入射波角度影响，检出率能达到90%[10]。对大角度横向缺陷可用斜向非平行方式扫查。研究表明，当缺陷取向与焊缝轴线夹角小于50°时，能够在D扫显示中辨别斜向缺陷和点状缺陷。当夹角超过50°时，斜向缺陷特征逐渐向短弧形特征过渡，呈现出点状缺陷的抛物线形特征，此时缺陷性质和长度基本无法判断和定量[11]。此成果已列入新版TOFD标准。可在实际应用中用30°～60°范围倾斜角进行横向缺陷的斜向非平行扫查，此方法可以增大探头波束能量，提高横向缺陷检出率。而传统检测方法对横向缺陷的检测存在劣势。如射线透照小尺寸横向裂纹时很难拍出裂纹影像[12]；
脉冲法超声虽利于裂纹缺陷检测，但对横向缺陷位向要求很高，稍有不当，便无法探得缺陷信号，容易导致横向缺陷漏检。
3.2 检测设备特点
TOFD设备零部件相对较多，对设备装配和人员的操作能力要求相对较高。设备一般包括主机、探头、扫查架、测定试块、对比试块等。TOFD仪器通电后，一侧探头发出入射波，另一侧探头接收直射、反射、衍射的出射信号，再经主机收集、处理、合成焊缝内部信息图像。设备主机在接收信号的同时实时计算真实路径长度并同步记录，从而保证了缺陷显示信息和实际焊缝的一一对应。这样的系统设计，确保了检测结果的再现性。TOFD探头是非常重要的器材，工程上通常选用高灵敏度纵波探头。一般要求小晶片、宽频带、窄脉冲、大扩散角，来保证检测图像的较高分辨力和检测精度。
3.3 图像显示特点
与传统超声检测显示不同，TOFD信息显示分A扫描信号和TOFD图像。A扫描信号是超声波的波形显示，横轴表示波的传播时间，纵轴表示波幅。TOFD图像是检测数据的二维显示，一个轴表示探头移动的距离，一个轴表示工件材料的深度。TOFD图像显示的并不是缺陷本身的实际几何形貌，而是通过所接收到的衍射信号复合转换形成的灰度图，是具体由A扫信号对应形成的不同灰阶显示。灰阶度具体对应波幅大小，随周期性变化灰度发生黑白色调的渐变。通常，当波形向正半周期转换时，灰度向白色转变。波形向负半周期转换时，灰度向黑色转变。一系列A扫信号连续叠加形成整幅TOFD图谱。所以，评图时需借助A扫信号来精确定量、定位和分析缺陷。
4.1 典型结构的探头布置
总体来说，炼油化工类的承压设备焊缝结构TOFD检测扫查形式主要包括等厚度焊缝布置和不等厚焊缝布置。其中等厚焊缝布置分为平面布置、凸面布置、凹面布置。不等厚焊缝布置包括扫查面平齐、底面平齐、双面不平齐等布置。一般单侧平齐的不等厚检测可通过两次不同位置的非平行扫查外加一次偏置非平行扫查的方式来检测，同时注意对近表面盲区补充检测。这里忽略波型转换效应，绘制了TOFD在炼油化工类承压设备焊缝检测中的典型探头布置。如图2～8所示为典型探头布置及信号路径的声程简图。图2中D
图2 等厚凸面的探头布置的非平行扫查
图3 等厚凹面的探头布置的非平行扫查
图4 不等厚底面平齐的探头布置(一侧探头在削边斜面)的非平行扫查
图5 不等厚底面平齐的探头布置(一侧探头在厚侧平面)的非平行扫查
图6 不等厚底面平齐的探头布置(一侧探头在厚侧平面)的偏置非平行扫查
图7 扫查面平齐的探头布置的非平行扫查
图8 扫查面平齐的探头布置的偏置非平行扫查
4.2 主要参数选择
TOFD对缺陷的定量不受波幅大小影响，所以对面积型缺陷和线性缺陷的测高误差一般不大于1 mm。但如果在非平面平齐结构或曲面结构纵缝检测时，参数设计不当，会严重影响检测结果的准确性，特别是工件上表面和下表面附近的缺陷检测。受直通波和上表面盲区覆盖参数计算不合理的影响，盲区可能扩大。甚至有些情况下，盲区会扩大到焊件厚度的20%～30%。对于因底波信号过大导致超声波信号等距离椭圆轨迹以外埋藏在底波内信号无法被识别的轴偏离底面盲区，一般可考虑在焊缝根部位置设计两次左右偏置的非平行扫查。
探头是TOFD检测工作中的重要部件，决定了检测过程各环节的效果。探头内部相关部件质量也会直接影响检测的准确性和可靠性。一般要求在满足灵敏度的基础上，对TOFD探头角度、晶片尺寸、频率和扫查次数等进行合理选择，以获得足够的信噪比和检测能力。推荐选择较大晶片和较低频率的探头，同时考虑纵向分辨力和声束扩散的因素。频率方面需保证底波至直通波间的时差，不少于二十个完整的信号传播周期。
对于不等厚底面平齐的焊缝检测(如图4所示斜面扫查时)，在进行主声束角度确定时，需要根据削边几何结构计算探头折射角和厚侧探头距离，以保证波束覆盖率。相关试验表明，这种提前改变了探头角度但仍按薄侧设置PCS的情况下，测得的缺陷自身高度与等厚测量情况基本相同，但因厚侧信号传递用时较长，缺陷埋深显示值较实际略大[13]。
承压设备TOFD检测中，应充分了解设备性能和结构，综合考虑影响检测质量和效率的关键因素，制定相关工艺和措施，从而实现改善产品质量和提升检测效率的目的。
(1) 盲区覆盖。相关试验表明，磁粉检测能发现埋深3 mm以内的缺陷。因此，扫查面盲区小于等于3 mm区域内的表面及近表面缺陷可用磁粉补充检测，确保待检结构焊缝及热影响区全厚度尺寸的100%检测。对于一次扫查覆盖不够或盲区超过3 mm的情况，可通过优化计算和适当安排多次偏置非平行扫查来实现覆盖[14]。另外，尽量避免声能衰减过大的检测角度，确保检测的可靠性。
(2) 曲面纵缝检测时显示深度与实际深度的区别。在曲面纵缝检测中，缺陷指示深度一般都不等于实际深度值。检测面为凸面，其指示深度小于实际深度。检测面为凹面，指示深度则大于实际深度。在凸面容器表面上扫查时，直通波是按两探头入射点连线进行直线传播的，爬波是沿着弧长晚于直通波被接收，因此会有一个较宽的盲区。
为提高大曲率工件检测时的探头耦合效率，建议选用小尺寸晶片探头。
(3) 不锈钢和碳钢在材质方面的差异。通常不锈钢具有晶粒粗大和晶界面积大等结构特征，超声信号在其内部的声衰减非常严重。特别是不锈钢复合板焊接结构，由于存在基层和覆层的异种钢结合结构特征，其材料性能差异和晶粒状况对声信号的影响很大，这严重影响检测灵敏度。研究表明，从覆层侧进行扫查的信噪比相比基层侧更高，相对而言杂波较少，且可视有效区范围较大[15]。
(4) 不等厚情况下探头的选择。对薄工件检测而言，其对分辨力的要求高，而对穿透力的要求较低，可选择小晶片、大角度、尺寸探头、高频率。对厚件检测而言，其对分辨力的依赖相对降低，而对穿透力要求提高。随工件厚度的增加，选用的探头频率可适当减小、声束折射角适当减小、晶片尺寸可适当增大。
随着TOFD技术理论和工程实践的持续创新发展，其在炼油化工领域承压设备焊缝检测中的应用越来越广泛，并逐渐从应用初期中厚平齐对接焊缝检测，向大厚、超大厚、不等厚及曲率焊缝检测领域推广，使得承压设备主体焊缝检测的覆盖面持续扩大和提高。但在技术推广应用过程中，面对承压设备制造中的新产品、新技术、新工艺，TOFD检测仍面临新问题、新环境、新挑战。在炼油化工类承压设备规模化、专业化制造的真实工况下，TOFD技术高质量检测的关键影响因素研究和工艺技术优化是TOFD技术工程实践中需要正确面对和不断解决的问题，需要更多的工程技术人员和专家学者持续关注和研究解决。
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