陳 雪 峰
(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610225)
摘 要：介紹了溧陽抽水蓄能電站將X射線檢測替換為超聲波衍射時差法(TOFD)檢測技術，有利于提高焊縫缺欠的檢出率。檢測結果表明：采用該技術，不僅提高了檢測效率，改善了工作環境，而且還能縮短工期并減少射線輻射風險等。
關鍵詞：TOFD；X射線；溧陽抽水蓄能電站；蝸殼；焊縫質量檢測
TOFD(Time-of-flight-diffraction technique)超聲衍射時差檢測技術是一種依靠超聲波與缺陷端部相互作用發出的衍射信號來檢出缺陷并對其進行精確定量的檢測技術，于1977 年由英國國家無損檢測中心的Mauric Silk博士首先提出，后經Silk博士和他的合作者經過大約10 a時間的研究創造出了能夠探測和確定缺陷尺寸的一整套檢測方法。2000年左右開始，該項技術在中國逐步得到應用。首先應用于核工業設備在役檢驗，現在在核電、建筑、化工、石化、長輸管道等工業厚壁容器和管道方面多有應用。近幾年在一些大型水電站的蝸殼和水工金屬結構檢測中逐步開始使用該項檢測技術，如三峽工程、溪洛渡、錦屏等大型水電站。
(1)江蘇溧陽抽水蓄能電站共安裝6套額定出力為250 MW的混流可逆式水泵水輪機，座環、蝸殼由哈爾濱電機廠有限責任公司制造。
(2)蝸殼共有21節、分八部分組成，第6節和第16節為湊合節，蝸殼第一、第二節和蝸殼進口段第一、第二節單獨發貨運輸。
(3) 蝸殼材質為B610CF低合金高強鋼，板厚30～55 mm,焊條為CHE620CFLH。
(4) 蝸殼焊接現場為地下廠房安裝間，現場濕度大、粉塵多、施焊作業環境較差。
(5)施工現場有幾家施工單位同時或交叉作業，來往施工人員較多。
(1)常規超聲波探傷技術為脈沖反射式，利用探頭發射脈沖波到被檢工件中，通過觀察工件內部缺陷或底面反射波的情況對工件進行檢測，包括缺陷回波法、底面高度法和多次底面法(圖1)。
圖1 脈沖反射法示意圖
(2)射線探傷技術(射線照相法)是利用X射線或伽馬射線穿透工件并與物質發生相互反應，因缺陷與工件材質存在對射線不同的衰減常數，從而因膠片上感光程度不同而得到缺陷的潛影并通過膠片記錄下來(圖2)。
(3)TOFD技術則是以缺陷尖端對超聲波的作用為基礎，利用超聲波的反射、繞射原理對工件進行無損檢驗。TOFD檢測法的特點是利用在固體中傳播速度最快的縱波進行檢測，在焊縫的兩側，將一對頻率、尺寸、角度相同的縱波斜角探頭對稱放置，在無缺陷部位發射超聲波脈沖后，首先收到的是直通波，然后是底面反射波。有缺陷存在時，在直通波與底面發射波之間接收探頭還會收到缺陷尖端產生的衍射信號波。除了上述顯示波以外，還有缺陷和底面波轉換成的橫波。橫波的聲速小于縱波的聲速，故其會比縱波稍遲到達接收探頭，其路徑見圖3。
圖2 射線照相法示意圖
圖3 端點衍射時差法示意圖
(4)TOFD具有的檢測特點。
①與常規脈沖回聲檢測技術相比，TOFD 在缺陷檢測方面與缺陷的方向無關。
② 同射線相比，TOFD 可以檢測出與檢測表面不相垂直的缺陷和裂紋。
③可以精確地確定缺陷的高度。
④在安全方面，不需要一個安全、獨立的操作空間，因此可以在不中斷工藝生產的情況下進行檢測，可以節約設備制造時間。
⑤可以在線得到檢測結果且將結果用數字信號型式永久保存在光盤中，以便于以后在役檢驗進行對比分析。
⑥可以在線應用相關的工程評定標準對缺陷進行評定，僅將按標準評定的缺陷進行挖補修復，從而避免了無用的破壞焊縫整體性的修補現象。
⑦ 由于其檢測速度快，對于板厚超過25 mm 的材料，成本比RT 少得多。
⑧可以在200 ℃以上的溫度表面進行檢測(已經有在400 ℃檢測的實例)。
⑨TOFD 檢測系統易于搬運，可以方便地在任何地方進行檢測。
(1)人員： TOFD檢測人員應具有無損檢測UTⅡ級資格或與其相當的UTⅡ級資格并經過TOFD 專項培訓且有2年以上現場TOFD檢測經歷。技術負責人應持有UTⅢ級和TOFDⅡ資格，報告簽發審核人員應當具有UTⅡ級和TOFDⅡ資格，熟悉溧陽水電站檢測用的TOFD標準和作業指導書，檢測人員矯正視力應不低于1，并不得有色盲、色弱。
(2)設備：儀器常規性能應符合《A型脈沖反射式超聲波探傷儀通用技術作條》的規定，選用以色列生產的(單通道)數字衍射時差探傷儀(型號為:IS0NIC STAR 2005),儀器頻率范圍為0.35～35 MHz，可調。每次檢測前和檢測后應對儀器顯示范圍、顯示延遲、探頭延遲、增益、探頭間距進行校驗。當發現以上參數有偏差時，應對上次校驗以后所檢測的所有焊縫重新進行檢測。
(3)探頭：探頭主聲束偏離不應大于2°，用于B掃描的常規探頭不得有明顯的雙峰。TOFD操作的兩只探頭應有相同或相近的探頭角度、尺寸和頻率。由于該工程板厚為30～55 mm，根據溧陽抽水蓄能電站TOFD檢測相關標準規定，探頭角度優先選用60°探頭和45°探頭，直徑宜為6 mm。
(4)PCS(探頭入射點間距)：探頭間距的選擇:為了能檢測到整個焊縫截面內的缺欠，探頭間距的調整宜使兩探頭聲束中心線交點位于焊縫厚度的2/3處。所選定的探頭間距調整誤差不得大于1 mm;根據對接焊縫和蝶形邊焊縫的具體情況設置更能夠有利于缺陷檢測的PCS值。
(5)耦合劑：耦合劑(包括添加劑)不應損害被檢測材料，耦合劑可以是工業漿糊或與其性質相近的物質，檢測結束時應清除被檢焊縫兩側的耦合劑。
(1)由于溧陽抽水蓄能電站業主在合同中要求100%射線檢測，也就相當于要求100%TOFD檢測，從而要求對所有現場蝸殼焊縫進行打磨拋光處理并達到檢測的要求。焊縫兩側各200 mm范圍為打磨區，劃線、儀器現場調整、探頭PCS調校等按作業指導書進行。
(2)第8～16節蝸殼板厚不超過50 mm，采用單面平行于焊縫的方向進行(非平行掃查)(圖4)，兩只探頭的連線垂直于焊縫。探頭連線的中心與焊縫中心的縱向偏離不得大于5 mm， 否則會影響缺欠評定。原則上宜采用導向裝置，以保證探頭的移動方向始終與焊縫平行。對第1～7節厚度大于50 mm的管接焊縫應實施雙面掃查，在對缺欠進行自身高度測量時，還可以對缺欠部位進行橫向掃查(圖5)。
圖4 探頭沿焊縫方向移動示意圖
圖5 探頭沿垂直于焊縫方向移動示意圖
(3)對所有的焊縫應進行分段掃查，每段長度不宜大于450 mm，重疊掃查不小于50 mm，用記號筆在焊縫現場做永久標示。當發現接近最大允許尺寸的缺陷或需要了解缺陷的更多信息時，宜采用兩種或兩種以上的探頭間距或探頭角度對焊縫進行掃查。
(4)掃查過程中，注意直通波和底面反射波的波幅值，應保持直通波波幅在40%上下、不超過5%的范圍內，掃查速度不得大于50 mm/s，如此實施保存的掃描圖會比較清晰，不會出現模糊的條帶，有利于對焊縫缺陷衍射信號進行評定和測量。
(5)對蝸殼蝶形邊焊縫采用兩次偏心掃查(D掃)，一次一只探頭靠近焊縫一側(如過渡板一側)，一次另一只探頭靠近焊縫另一側(蝸殼瓦片側)，如圖6(a)和(b)。對于第1～7節的蝶形邊進行兩次偏移掃查，對于第8～16節現場焊接焊縫和第1～7節的環焊縫不進行偏移掃查，對鋼管外壁不進行偏移掃查。
(6)對圖譜上顯示有橫向缺陷的地方，將焊縫余高磨平，進行一次垂直于焊縫方向的D掃。
圖6 蝸殼蝶形近焊縫偏心掃查圖
(1)溧陽抽水蓄能電站共裝有6臺蝸殼，分兩瓣安裝，第1～4節為現場組裝，過渡板板厚為100～65 mm(漸變)，材質與蝸殼相同，為B610CF鋼，焊條由廠家統一供貨，焊條型號為CHE620CFLH。蝸殼只有環縫和蝶形邊焊縫，在檢測第6節蝸殼安裝焊縫時，上蝶形邊非平行偏心掃查和過焊縫非平行掃查中發現，在過渡板熔合線和熱影響區靠近板材內側有斷續衍射信號顯示(圖7、8)。
從圖7可以看出：在直通波和底面反射波之間有少量的不連續衍射波顯示，而圖8則在厚板側(過渡板)直通波和底部反射波之間有明顯的不連續衍射顯示。這種不連續衍射顯示只有TOFD檢測才能檢測出來。按照TOFD檢測標準DL/T 330-2010評定規定，該焊縫按一類焊縫要求檢測，此類缺陷測長大于1/3板厚以及單個缺陷高度不大于4 mm則判定為不合格。區域焊縫用角磨機磨平，用超聲波直探頭(5P-D20)和斜探頭(2.5P13×13K2.5)對焊縫和熱影響區實施檢測，有回波很低的間斷回波顯示，按照ASME-Ⅷ-APP-12條款要求得知其是合格的。
圖7 第6節蝸殼上蝶形邊偏心非平行掃查示意圖
圖8 第6節蝸殼上蝶形邊蝸殼側向過渡板側掃查示意圖
雖然這兩種結論截然不同，然而都有可靠的標準作為依據，對此，我們采用碳弧氣刨將焊縫靠過渡板側打開，用著色探傷儀對TOFD指定的深度區域進行復檢，發現零星出現直徑為0.05～0.1 mm左右的氫氣孔和夾渣類缺陷，進而確定了缺陷的性質同我們采用TOFD檢測得出的結論一致。由于蝶形邊焊縫是蝸殼焊縫中相當重要的焊縫，其受力情況復雜且此類高強鋼焊接性一般，韌性遠不及Q345鋼，容易產生疲勞裂紋和氫脆，故經項目部技術部決定，將此節上蝶形邊進行返工處理以杜絕隱患。
(2)在環縫的一處返修部位進行復檢時發現TOFD檢測圖譜出現了未返修部分清楚、而返修區域出現部分模糊狀圖譜的情況，然而，經過用直探頭和不同角度的斜探頭均未能發現缺陷反射回波，這種情況是之前的Q345鋼沒有出現的。由于已經返修過一次，不能對此處焊縫貿然采用碳弧氣刨的方法。在這種情況下，我們采用Q3505射線機對該焊縫用照相法進行驗證，發現焊縫內部也是合格的。
對焊接工藝過程審查發現：返修時焊接參數偏大很多，未按照焊接工藝進行，焊后采用的熱處理方法不正確等。最終研究決定對返修部位重新進行熱處理，最好的補救方法就是采用去應力退火處理或正火處理，然而，現場只能進行退火。在進行完退火處理、緩冷8 h、完成72 h后重新進行TOFD檢測，掃圖模糊區清晰了很多，其主要原因是在焊接線能量偏大的情況下使焊縫區晶粒變粗大，對高頻率超聲波檢測衰減較快，從而出現了一個掃圖出現兩種清晰度的情況。
(3)通過采用幾種方法進行比對發現：TOFD檢測不論對典型的缺陷和非典型分散型缺陷均定性準確、可靠，而且還能對焊接工藝不當時進行旁證。
(1)溧陽抽水蓄能電站蝸殼經過1年多時間的實踐，完成了4臺蝸殼的檢測任務，在陸續進行的水壓試驗圓滿成功，驗證了其焊縫的質量符合標準要求。TOFD檢測的優勢在抽水蓄能機組上又一次得到了驗證，每臺蝸殼節省的焊縫無損檢測時間為3～5 d，從而為電站早日調試運行并網發電起到了重要的作用。
(2)由于TOFD檢測肯定存在盲區，所以，應增加對其近表面區域進行磁粉檢測；另外，焊縫檢測對其表面粗糙度要求也很高，故應對掃查裝置和探傷楔塊進行改造，同時提高儀器的采樣率和分辨率等綜合性能，才能提高工作效率和缺陷定性。
(責任編輯：李燕輝)
收稿日期：2017-04-23
中圖分類號：TV7；TV743；TV522；TV523
文獻標識碼：B
文章編號：1001-2184(2017)03-0054-04
作者簡介：
陳雪峰(1980-)，男，湖南衡東人，副主任，工程師，學士，從事金屬結構與焊接工作.
