TOFD检测工艺参数优化_王俊楠.pdf

问题与对策-8-中国化工装备TOFD检测工艺参数优化王俊楠 董书伟（大连金州重型机器集团有限公司，大连 116100）摘 要：随着制造业的飞速发展，TOFD检测技术的应用也日趋广泛。以我单位在黑龙江大庆现场制造的大型压力容器产品脱气仓的焊接接头TOFD检测为实例，介绍了在TOFD检测中，对工艺参数设定的优化以及探头楔块的合理选择，进而使检测工艺参数更加合理。同时对提高缺陷检出率的其他技术措施进行探讨，并举例介绍检测的实施情况，可供TOFD检测技术人员在编制检测工艺及实施检测时参考。关键词：TOFD检测 检测工艺 优化1 前言产品脱气仓，设备主体板材为Q345R，有3个规格分别为：24mm、26mm、44mm。焊接接头坡口型式为V型，其中A类焊接接头47道，B类焊接接头16道，根据要求TOFD检测比例100%、检测技术等级B级、验收级别为级。为此在实施检测前，针对该台产品编制TOFD检测工艺。2 检测工艺中技术要点2.1 检测盲区衍射时差法（Time of Flight Diffraction，英文简写为TOFD）超声检测技术。具有检测效率高，定量精度准确、可靠性好等技术优势，广泛应用在对接焊接接头内部质量检测中，但同时其也存在检测盲区这一技术弊端。因为有直通波的存在，所谓的近表面盲区或上表面盲区亦可称为直通波盲区，即扫查面附近的内部缺陷信号因为隐藏在直通波信号之下，导致不能显示，从而导致缺陷被漏检。若因此被漏检的不可接受的近表面缺陷会影响焊接接头质量，从而导致整个设备存在安全隐患，因此检测工艺必须首要考虑检测盲区问题。对TOFD检测技术的检测盲区进行计算和分析，扫查面盲区的高度与直通波脉冲时间宽度以表 1 表面盲区高度计算结果表工件厚度/mm探头角度/（）探头频率/Mhz探头晶片/mm表面盲区高度(实测值/计算值,Tp取1.5个周期（0.3m）计算，/mm）底面盲区高度(检测区域H=内侧焊接接头宽度25mm+熔合线两侧各10mm计算，/mm）下扩角宽度(-12dB扩散角覆盖宽度(含下扩角40修正)，/mm)2470568.24/8.892.5626.560566.64/7.085.053.32670568.63/9.252.3423.360566.85/7.364.573.64470569.84/10.451.4835.960568.28/9.112.815.6注：1.按NB/T 47013.102015规定，对上表面盲区须采用实测法，计算值仅对各参数比较提供参考，底面焊接接头宽度为条件特定的计算值，实际检测中焊接接头宽度必须实际测量得到。2.对厚度24mm的焊接接头，理论上可选择更高频率15Mhz7.5Mhz探头，但在实际应用中发现过高的频率会导致噪声过高和衰减过大，因此，未对15Mhz7.5Mhz频率探头进行测试。问题与对策-9-中国化工装备及探头中心距（简称PCS）有关。决定直通波脉冲时间宽度的工艺参数是探头频率和脉冲周期个数，而对于同一探头，它在调试过程中所能达到的脉冲周期个数是一定的，因此，影响直通波脉冲时间宽度的因素只有探头的频率，为了尽可能的减小检测盲区高度，TOFD检测扫查中通常选用频率较高的探头。如果工件厚度一定时，PCS与探头角度有关，角度越小，PCS就越小，相应的扫查面盲区高度也就越小。因此，可采用较小角度的探头来减小扫查面检测盲区的高度。根据NB/T 47013.102015的规定，工件厚度为15mm35mm时，推荐探头频率为10Mhz 5Mhz，声束角度7060，晶片尺寸2mm6mm；若工件厚度为35mm50mm，推荐探头频率为5Mhz3Mhz，声束角度7060，晶片尺寸3mm6mm。在实际工作中，选择性能良好的探头，通过调节仪器，使直通波达到1.01.5个脉冲周期，这样可以大大地减小盲区高度，并且计算值与实测值较为接近。以往我们对厚度小于50mm的对接焊接接头都会机械性的选用5Mhz、6mm、70的楔块探头，以保证整个焊接接头被声束覆盖，不存在漏检区域，而相对忽视了盲区的大小与纵向分辨力。对厚度为44mm的焊接接头而言，单一选用5Mhz、6mm、70楔块探头，并不是最佳选择，考虑PCS越小，焊接接头内缺陷的纵向分辨率越高，因此使用5Mhz、6mm、60的探头来替代5Mhz、6mm、70的探头，希望在缩小PCS同时能得到更多的纵向分辨力，计算两种角度探头在特定周期下的盲区高度及下边界角覆盖，以确定所选探头参数，计算结果见上表1。综合考虑上表面盲区与覆盖，对24mm与26mm较薄的焊接接头，选用5Mhz、6mm、70探头进行检测。对44mm厚的焊接接头，相对较厚的焊接接头，在保证覆盖的情况下，最大限度减小上表面盲区高度并且尽量提升纵向分辨力，因此选用5Mhz、6mm、60探头进行检测。2.2 声束覆盖通过探头选定与焊接接头结构型式确定，对焊接接头TOFD检测探头布置生成模拟图1（板厚26mm略）。可以通过以上分析及图1显示可知，探头角度和频率从理论上保证了检测盲区高度的最小化，同时还存在一个导致缺陷漏检的重要因素，即声束的全覆盖。若过分考虑降低上表面盲区的大小而忽略声束对焊接接头是否能完全覆盖的要求，依然会导致缺陷无法检出，如图1中厚度为24mm的焊接接头在使用5Mhz、6mm、60探头生成的模拟图中就存在了很大一部分漏检区域。16110244446070-12dB生束上边界-12dB生束下边界覆盖区域248855246070-12dB生束上边界-12dB生束下边界覆盖区域-12dB生束上边界-12dB生束下边界覆盖区域-12dB生束上边界-12dB生束下边界覆盖区域未覆盖区域图 1 焊接接头检测布置示意图问题与对策-10-中国化工装备因此，在制定TOFD检测工艺时，经常需要通过计算来确定声束边界和声束的覆盖范围。计算声束覆盖范围有折射角公式（SNELL公式）与声束半扩散角公式两个主要公式：声束半扩散角公式：Sin=F/D。折射角公式：(Sin1)/C1=(Sin2)/C2。：折射角；C：声速；：介质中的波长；D：晶片尺寸；F：扩散因子其数值与截取波束边缘的声压下降值有关，常取-12dB时F-12=0.7。波束扩散示意见下图2，因为探头的近场区很复杂，所有的计算均假定是在远场区。由半扩散角公式可知，若要通过提高声束扩散来增大覆盖区域，则需使用低频率小晶片尺寸，而从减小表面盲区高度方面考虑，则需要选取频率较高的探头，所以在实际的应用中，平衡两者关系，并根据需求取舍，才能得到更加合适的探头。近场区生源波束角度,图 2 波束扩散示意图为了能得到上下边界角参数，可以通过折射角公式，对已知的探头频率f、钢中纵波折射角L、扩散因子F、工件中纵波声速CL、楔块中纵波声速CP，按如下步骤计算出声束在被检工件中的扩散角：(1)楔块中纵波入射角角度Sinp=SinL CP/CL；(2)楔块中纵波声束扩散角Sinp=F/D=FCP/Df；(3)楔块中纵波声束上下边界角P上=P+P，P下=PP；(4)钢中纵波声束上下边界角SinL上=SinP上CL/CP，SinL下=SinP下CL/CP。由上图2可知，计算的声束上边界角为90时最佳（实际略小），同时声束下边界角越小越好，但从斯涅耳定律(SNELL公式)可以看出，声束上边界角增大的同时，下边界角也会增大。只能从实际应用的角度，对下边界角的最大值进行确定。本台产品坡口型式为V型，根据NB/T 47013.102015规定检测区域为焊接接头及其两侧熔合线各10mm范围，我们在上表1中对下边界角间的宽度进行了计算，均无法一次将焊接接头和其熔合线侧10mm范围完全覆盖。为满足下边界角能覆盖整个焊接接头根部及其热影响区，在进行非平行扫查的同时，还增加了偏置非平行扫查以满足检测要求。2.3 其他方法补充检测尽管使用了优化的工艺参数，使底面盲区高度小于1.0mm，但是扫查面盲区高度还是高达6mm8mm，TOFD检测无法保证该部分区域焊接接头质量，因此还需要增加其他的检测方法进行补充检测。采用超声检测和磁粉检测做为TOFD检测的补充，基本上是可以解决表面盲区的问题，一般情况下，使用超声检测在TOFD检测扫查面对向表面对表面盲区进行扫查，加之便携式磁粉探伤仪对焊接接头内外表面检测，可以满足TOFD检测全覆盖的检测要求。因此，本该产品要求了采用A型脉冲反射式超声检测仪及便携式磁粉探伤仪对焊接接头进行补充检测，以保证焊接接头质量。3 检测工艺的实施按照上述优化后的检测工艺实施检测，在厚问题与对策-11-中国化工装备度44mm焊接接头的检测图谱中，有多处相邻很近的缺陷因纵向分辨力的提升，在显像中完全分开，清晰的缺陷形态显像对TOFD检测图谱地评定起到了至关重要作用。据统计，本台产品采集图谱1466幅，经评定有18幅图谱存在缺陷，危害性缺陷（裂纹、未熔合6幅，其他12幅）。通过对缺陷进行返修，最终复验为合格。通过对18幅图谱进行分析可知，其中6幅显示为典型缺陷，包括3处裂纹、3处未熔合，在对不合格缺陷返修的同时，笔者进行了解剖取证，由于现场条件所限，只取得了部分缺陷的解剖图谱和照片，希望以后对TOFD检测相关缺陷显像特征性的研究提供帮助和依据，见下图3图5所示。图 3 表面开口裂纹图 4 埋藏裂纹图 5 夹渣4 结语TOFD工艺参数的优化，需要从表面盲区、底面盲区及声束全覆盖等因素多方面考虑，结合实际坡口型式、焊缝宽度等参数综合分析计算，在保证全覆盖及表面盲区达到要求的前提下，尽可能提升纵向分辨力，对图谱评定及缺陷分析有重要意义，通俗地讲，良好的纵向分辨力优化调节，可以将叠加在一起的缺陷信号充分分离，对相邻较近缺陷的显像更加清晰直观，能有效地保证缺陷定量的精确，从而避免因缺陷信号显像太过密集造成无法分辨或定量错误，减少不必要的焊接接头返修。(下转第44页)-44-技术交流中国化工装备4 结束语换热器U型换热管的弯制过程，应力应变比较复杂，理论计算不能完全指导工程实际，对于不同材料、不同管径和壁厚的管子，工程中可先弯制几组U型管，计算出回弹比例及回弹角后再批量设计弯制工装，可满足一般U型管换热器换热管的弯制要求。参考文献1 艾治勇.弯管的弯曲成形分析及其力学特性研究.上海交通大学硕士学位论文,2005.2 杨树峰.U形换热管弯制过程反弹研究.金属加工,2013.3 孟静.U型换热管的弯制工艺研究.化工装备技术,2010.4 王中武.U形管式换热器换热管的弯制工艺.化工机械,2000.Theoretical Analysis and Practice of U-tubes of Heat Exchanger BendingWang Jibing,Sun Zhonghua,Xu Dalu,Wang Chuan,Yang Kongshuo,Ma Zhicheng,Xu Yan(Shenyang Academy of Instrumentation Science CO.,LTD.,Shengyang 110043)Abstract:With the increasing load bending moment,the U-tube of the U-tube heat exchanger,the bending deformation roughly goes through three stages:elastic deformation stage,elastoplastic bending stage and elastoplastic strengthening bending stage.The Euler-Bernoulli plane section assumption and one-way stress assumption should be introduced in the theoretical calculation of the springback formula,however,the calculation results can not completely guide the engineering practice.In engineering practice,most of them are empirical formulas,which can completely meet the engineering requirements.Keywords:U-tube;bending;rebound;rebound angle参考文献1 强天鹏,肖雄,李智军等.TOFD检测技术的检测盲区计算和分析J.无损检测,2008(10)738-740+762.2 强天鹏.衍射试差法（TOFD）超声检测技术M.北京:中国劳动社会保障出版社,2012:82-85.3 NB/T 47013.102015,承压设备无损检测第10部分:衍射时差法超声检测S.4 白艳,邢涛.TOFD检测技术检测盲区的研究J;森林工程,2010(04).Optimization of TOFD Detection Process ParametersWang Junnan,Dong Shuwei(Dalian Jinzhou Heavy Machinery Group Co.,Ltd.,Dalian 116100)Abstract:With the rapid development of manufacturing industry,the application of TOFD detection technology is becoming more and more extensive.Taking the TOFD test of welded joint of degassing chamber of large pressure vessel products manufactured by our unit in Daqing,Heilongjiang Province as an example,this paper introduces the optimization of process parameter setting and reasonable selection of probe wedge in TOFD test,so as to make the detection process parameters more reasonable.Meanwhile,other technical measures to improve the defect detection rate are discussed.The implementation of the test is also introduced with examples,which can be used as reference for TOFD test technicians when preparing the test process and implementing the test.Keywords:TOFD;detection technology;optimization(上接第11页)