于鹏祖，赵志强，刘 祎，张鹏林

(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；3.兰州理工大学，甘肃 兰州 730050)

0 引 言

TOFD技术(即衍射时差法超声检测技术，简称“TOFD”)是超声波检测技术新方向。它是利用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，同时在两端点处发生衍射的现象，而缺陷两端的衍射信号指向性不明显，这使该法对缺陷边界的灵敏度很高[1]。因此，TOFD技术凭借比常规超声波检测更高的精准度和可靠性，被国内压力容器制造企业广泛引进和推广应用[2-3]。

在实际大型容器焊接结构的TOFD检测中，由于场内人员、设备、工序、工种等交互作业，TOFD检测易出现杂波干扰、缺陷信号失真、图像断帧显示等问题，特别是厚壁容器焊缝检测，缺陷波幅度不可避免地降低[4]。TOFD技术在特殊结构和复杂环境中的适应性仍受多方因素的限制[5]，所采集数据无效返工的情况时有发生，造成额外增加人力、耗材、工期等，严重影响产品质量和经济效益的提升。因此，在压力容器焊缝检测中应用TOFD技术，并不断提升检测效率和检测质量，具有十分重要的现实意义[6]。

针对本地区重点工业企业使用TOFD技术检测焊缝易出现无效数据，导致无法正常评图、检测效率低等实际问题，项目组从“人、机、料、法、环、测”等方面入手，采用案例调查和图谱抽查统计分析的方式，重点研究影响压力容器焊缝TOFD检测效率和质量的关键因素，为进一步优化检测工艺，探索质量提升路径奠定基础。

1 现状调查

为了解实际情况，项目组抽取生产工作量相对平稳的1月份进行四周的焊缝TOFD检测图谱质量调研，统计发现整体一次成图率为89%，这与相关检测方法(如射线照相法成片率可达98%)存在差距。但在对其他月份调研中发现成图率存在波动性变化，而且曾出现过一次成图率为97.5%的历史最高水平。

为进一步探索影响焊缝TOFD检测成图率的影响因素，项目组对1月份四周抽查的图谱数据结果进行复评确认，并将确定的废图按照焊缝类型和探头通道类型做分层分类统计，发现其中纵缝问题为91%，环缝问题为9%。为进一步找到问题症结，对该月四周的纵缝废图做了分层统计，数据显示1通道图谱为66%，2通道图谱6%，3通道图谱28%。其中1通道和3通道图谱废图率总和占到了94%，是导致焊缝TOFD检测一次成图率低的主要问题所在。通过调查研究表明，解决压力容器焊缝TOFD检测成图率低的问题，1、3通道的纵缝问题是症结所在。经过推算，表明解决好94%的问题，检测一次成图率就可以达到98%的水平，将显著提升检测效率。如图1所示为焊缝TOFD三通道检测扫查示意图。

图1 TOFD三通道检测扫查示意图(每对探头为1个通道，按一收一发模式聚焦特定深度范围材料，将焊缝在厚度方向分三层扫查)

2 原因分析

为了进一步研究问题症结的根本原因，确定影响一次成图率的关键因素，项目组首先组织检测技术、检测操作、数据评图方面的相关人员，结合日常检测实际问题，采用头脑风暴的方式，围绕问题症结展开充分讨论。重点从“人、机、料、法、环、测”六方面，列举出所有可能造成问题症结的原因，初步梳理出16个关键词，并按照直接因素和间接因素的层次，绘制出了影响焊缝TOFD检测图谱质量的关联图，如图2所示。其中1、3通道检测成图率低是问题症结，图谱无法离线转化、高度覆盖不足、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7个方面因素是直接影响因素，检测仪系统故障、操作指导书不完善、相邻区域交叉作业、现行标准无采图说明、探头移动区表面粗糙度过低(重点关注Ra低于12.5 μm的情况)、扫查器与工件曲率不一致、探头线接头虚连、人员培训不到位等8个方面是影响检测图谱质量的末端因素。

图2 影响因素关联图

3 关键因素研究

围绕检测日常工作，对影响检测质量水平的“人、机、料、法、环、测”等六方面共8个末端因素进行分析，除“标准无明确的采图说明”能明确为不可抗因素外，其余7个方面都有可能通过一定的措施改善和消除。为了探索出具有普遍使用意义和工程价值的质量提升路径，项目组对其余7个末端影响因素进行了周期性和常态化的跟踪统计、对比、分析，并对压力容器焊缝TOFD检测的“关键影响因素”进行研究和确认。

3.1 检测仪系统故障

为了深入分析检测仪器系统状况，项目组在设备购入、定期校准、运行核查等方面进行了全面分析研究。其中年度校准针对的是设备一年的使用耗损，进行全面检查和测定仪器系统性能的监管性工作，而日常运行核查能够及时发现历次系统故障记录的细节情况。对这两类记录的调查研究，能全面掌握检测仪器系统的真实情况。首先，项目组按校准周期和运行核查安排深入调查了仪器在使用过程中的实际记录，包括“TOFD仪器年度校准报告”和“TOFD仪器性能核查报告”等阶段性和过程性资料。发现年度校准情况和运行核查记录均详细、清晰、齐全，且核查校准记录及时跟进，符合设备日常管理维护的规范和要求。其次，为了从设备源头进一步判断该问题的影响程度，调查了“设备开箱检查记录单”“设备试车和性能验收记录单”“设备移交验收表”等记录。经检查发现，仪器购进入厂验收记录齐全，设备入厂状态完好正常。因此“检测仪系统故障”对“1通道和3通道一次成图率低”这个末端因素影响概率非常小，可以确定检测仪器系统故障不是关键影响因素。

3.2 操作指导书不完善

采用资料调查和现场测量法，从两个方面核查检测操作指导书内容的完整性和科学性：①操作指导书内容的实用性和工艺的逻辑性分析。发现在选择探头之后，无高度覆盖验算方法、时间窗口设置流程及其注意事项等相关内容。这对操作人员使用带来很大不便，特别是失去了统一的规范性约束，人员对内容和过程的理解也呈差异化。因此，计算方法和窗口设置的正确性、合理性对图谱一次成功率的影响更不稳定。所以，这个问题是操作指导书的程序性漏洞，可能是重要的关键影响因素；②为了进一步研究确认“操作指导书不完善”对图谱质量的影响程度。经过对多种典型厚度容器实际焊缝上时间窗口的设置值和图谱分析值的差异比对，发现原来给出的设置值存在科学性漏洞。以某158 mm厚容器焊缝TOFD检测为例，进行探头选择、高度覆盖验算和时间窗口设置等操作。发现按照操作指导书选择的探头，经高度覆盖验算，1通道下覆盖和3通道上覆盖分别为32.9 mm、75.1 mm，理论上满足覆盖，但在实际焊缝上设置时间窗口时，却发现如果按照计算值直接输入，则在图谱评判时发现1通道下覆盖和3通道上覆盖分别为30.9 mm(差0.7 mm)、84.6 mm(差5.6 mm)，不满足标准中对探头覆盖的要求。表1所列为厚度150 mm的容器焊缝TOFD检测分层计算参数表。

表1 TOFD检测分层计算参数表

因此，原有操作指导书只能简单给出理想的理论计算值，无高度覆盖的验算，也没有说明在实际检测中时间窗口输入时的误差调整，存在科学性漏洞。因此，“操作指导书不完善”造成的工艺参数性问题，对一次成图率影响程度大，是影响检测质量的关键因素。

3.3 探头移动区表面粗糙度过大

TOFD标准要求检测工件表面粗糙度不低于12.5 μm。一般冷轧钢板表面粗糙度Ra可达到3.2 μm左右，热轧的表面粗糙度Ra一般在6.3 μm～12.5 μm范围内。而压力容器用钢板一般表面粗糙度Ra不低于6.3 μm(甚至不低于3.2 μm)等。按照规定方式打磨后表面粗糙度Ra一般在0.8 μm～1.6 μm范围内。按照入厂产品供货状态和质量文件可以保证初始表面粗糙度满足检测要求。

为了研究焊缝两侧表面清理实际粗糙度问题，文中采用工程上常用的“比较法”进行表面粗糙度测量。这种利用试块表面状态下的视觉和触觉情况判断和比较表面粗糙度的方法简单且效率高。项目组以TOFD检测对比试块焊缝两侧钢板表面为参考(为钢板原始表面，粗糙度Ra大约为3.2 μm)，对所抽查问题图谱所在焊缝两侧进行全面检查记录。为了避免因主观因素引起判断结果的差异，项目组组织至少3人进行了3轮焊缝两侧扫查区粗度判定。测量表明，所有探头移动区都是在原有钢板表面进行了焊后清理性打磨，除存在个别由于机械原因造成的划伤和打磨过渡问题以外，表面粗糙度Ra都不低于3.2 μm水平。

为了进一步判断不同直径大小的凹坑对检测图像质量的影响程度，对发现的5处表面典型凹坑(约φ2 mm、φ4 mm、φ6 mm、φ8 mm、φ10 mm)和5处砂轮修磨不当(砂轮磨痕深浅不一)的部位，进行表面状况观察和图谱特征分析。表2所列为扫查面状况和图谱信号问题特征。

表2 表面凹坑状况及图谱信号比较

分析研究表明，该类问题均会100%影响直通波和底波状态，且对图谱质量影响很大。但是，此类凹坑类表面状态通常可肉眼识别，通过检查人员和检测人员两拨工序的监督，基本能够及时发现并向相关焊接人员反馈，立即做出相应的修磨处理。扫查表面粗糙度超标和凹坑导致的图谱质量问题频率很低，对TOFD图谱一次成图率影响小。

3.4 相邻区域交叉作业

针对无效图谱中电信号干扰大，A扫信号波幅超过80%，以及D扫图像特征信号杂乱衍射波纹的情况。项目组对检测现场经常出现的天车经过、转胎运行、电弧气刨等实际工况，对现场实际焊缝进行环境和图谱信号的动态检测，如图3所示，发现当天车经过1次或者转胎转动1下时均会100%产生信号干扰，焊接、电弧气刨时，每作业1下就会在屏幕上产生1次干扰信号。这种情况在日常焊缝检测中很难被检测一线操作人员所发现，使得失效图谱流转到后期评图时才被发现，造成一次成图率下降和返工。

图3 转胎通电运转对检测信号的影响 图4 直杆扫查架实际检测试验

经过多次实地检测监测和可控变量试验，均重复性显示天车通过、转胎转动、焊接施工、电弧气刨等与杂波信号有一致的对应关系，干扰性变量重复次数与仪器屏幕上产生干扰信号的频次相对应。因此，“相邻区域交叉作业”对焊缝一次成图率”的影响程度大，是造成图谱质量下降的关键影响因素。

3.5 扫查器与工件曲率差异

项目组对直杆扫查架与曲率纵缝进行匹配性检查，发现都存在不同程度的曲率差异，直径越小差异越大，曲率差异越大，出现信号丢失、断帧、表面波多周期反射等问题越多。初步判断直杆扫查架与检测面曲率不匹配，会导致耦合不良，造成图谱质量下降。

为进一步判断曲率因素对图谱质量的影响程度，项目组选取不同曲率工件进行分曲率直杆扫查试验。图4为检测人员对直杆曲率纵缝进行TOFD检测试验。典型曲率的选取根据企业承制的3种典型曲率容器设备的规格设置，如图5所示。

图5(a)为φ800 mm换热器纵缝1A(规格为L1 490×44 mm)的图谱；(b)为φ1 200 mm计量分离器，纵缝1A(规格为L2 000×42 mm)的图谱；(c)为φ2 200 mm高压分离器，纵缝1A(规格为L2 800×86 mm)的图谱。试验表明，直杆扫查架与工件曲率差异越大，信号丢失越严重。表明“扫查器与工件曲率差异”对TOFD检测的一次成图率影响很大，是影响图谱质量的关键因素。

图5 三种典型曲率容器纵缝图谱信号对比

3.6 探头虚连

为测试探头虚连引起的图谱信号丢失问题，对本来完好的检测线进行虚连处理，并对图谱上的缺陷信号进行对比分析。发现单根线虚连时，图谱出现A扫信号丢失和杂乱信号，D扫图像为密集黑线。两根线同时虚连时，图谱A扫信号严重丢失，几乎无法成图。通过对以往失效图谱的分析研究，此类现象在以往失效图谱中几乎没有。这表明探头线虚连对图谱的影响虽然明显、很大，但得益于设备管理和操作程序在检测作业前、中、后的闭环设计，基本确保了操作人员能在第一时间识别和消除此类问题。表明“探头虚连”不是影响一次成图率的关键因素。

3.7 人员培训

通过资料调查和人员访谈，发现企业每月开展一次全体培训，一次专题培训，且每月培训学时均超过6学时，每次采图之前，检测技术人员都会对操作人员给予指导，对TOFD工艺规程的培训符合企业质控要求。项目组通过观察、询问操作者的作业习惯，查看核对质量管理记录，发现没有发生探头线、楔块、探头等装错接错问题，也未出现过工艺执行不到位和个人作业不规范的记录。在对现场检测工作进行抽查性工艺监督检查时，发现操作人员在现场采图过程中，能够专注监测屏幕。若信号丢失，他们会在第一时间退回重扫，能有效避免大面积信号丢失状况的发生。表明 “人员培训不到位”不是影响一次成图率的关键因素。

4 结 论

通过全面系统的分析研究，表明“操作指导书不完善”“相邻区域交叉作业”“扫查器与工件曲率差异”等三个方面因素是影响超声TOFD技术在焊缝检测中的关键因素。解决好这三方面的问题，将显著提升图谱质量和效率。建议从以下三个方面进行解决办法的探索。

(1) 推导和设计典型高度覆盖验算过程及表达式，结合实际编制时间窗口设置说明，将以上内容加入操作指导书。及时开展专项技术培训，并在周、月度质量会议上重点强调要领，保证专项培训和会议时间。建议专项培训不少于90 min，月度质量专题会议不少于10 min，周例会不少于5 min。

(2) 研判现场环境，及时避开天车经过时段和转胎转动时段，避免与焊接、气刨等工序交叉作业。可结合因素影响方式和检测工作实际，编写影响TOFD图谱质量的现场环境因素清单及应对措施方案，使检测人员能够100%识别现场环境因素，正确做出应对措施，消除不利影响。

(3) 设计制作曲率可调节的专用检测扫查架。可通过自主设计、设备商配合、相关部门施工的方式，制作开发能匹配企业大宗产品各曲率类型的曲率扫查架，消除因曲率不匹配引起的耦合性图谱质量下降问题。