郭金国

（六安市特种设备监督检验中心，安徽 六安 237161）

0 引言

电站中很多设备都需要满足常年工作的要求，为了确保电站能够常年稳定运转，既要加强日常维护检测，又要利用高精度寿命诊断技术做好维护管理工作，无损检测技术的重要性不容忽视[1]。在焊缝缺陷检测、表征以及定量等较多方面，与脉冲回波以及射线等检测技术相比，TOFD技术具有压倒性的优势，将其应用于电站锅炉钢结构的检测中意义显著。

1 TOFD技术基本原理

超声TOFD运用双探头模式，探头以纵波斜探头为主，因此其主要衍射信号也是纵波，此类波形在固体中声速最快，可先于其他信号到达接收探头，校准简单且方便，可简化处理接收信号波形，显示图形解释。如图1所示，利用TOFD技术测量缺陷时，如果被检测物体完好无损，接收探头接收到的波形数量仅有2种：表面直波与底面回波；若被测物体内部有缺陷存在，接收探头接收到的波形数量会增加为4种：表面直波、地面回波与缺陷上下两端位置衍射波。以增加的2种接收波为参考，进行缺陷检测具有很好的可行性及有效性。

图1 TOFD技术检测原理以及典型的A扫描信号

根据图1可知，表面直通波和地面回波2种波形之间相位相反，被测元件缺陷上下2个端点的衍射波相位同样相反[2]。可以说在一定程度上，缺陷所处的实际位置会对直通波和缺陷上端点衍射波之间的传播时间差产生影响，而其自身高度又会在一定程度上影响缺陷上下2个端点衍射波的传播时间差，总的来说，衍射波的传播时间会对它们产生决定性影响，信号波幅则并不会产生影响。

2 TOFD技术应用于电站锅炉钢结构检测的优势

以《钢结构工程施工质量验收标准》为依据，针对一、二级钢结构焊缝，如果预判其内部存在缺陷，进行缺陷检测工作时需要运用无损检测技术。从目前情况来看，在采用无损检测技术执行对钢结构内部缺陷的检测任务时，应将大板梁以及主立柱对接焊缝作为重点检测方向，这种类型的焊缝表现出壁厚较大的特点，检测工作对I型坡口自动焊方式有更高的应用率，检测方法则以超声波与射线检测为主。根据表1检测技术的比较，将TOFD技术应用于锅炉的钢结构检测表现出了更突出的适用性。

表1 几种检测技术比较[3]

3 TOFD技术在电站锅炉P92钢结构检测中的具体应用

P92钢是锅炉用钢中的一种耐热钢种，具有强度高、可抵御高温腐蚀和抵抗高温氧化等优势[4]。为明确TOFD技术在电站锅炉钢结构检测中的应用效果，该文以P92钢为例，对检测技术的应用进行实例分析。

3.1 系统与设置

3.1.1 设备与软件

运用ISONIC双通道超声成像检测系统、ISONCI Office离线分析软件以及随机配备的扫查设备和编码器。

3.1.2 P92钢检测声速设定

根据图1所示的TOFD技术检测原理，TOFD选用一对纵波斜探头，该检测试验将侧向波信号作为基准，材料的纵波声速C以及两探头之间的距离2S为已知量，在此前提条件下，缺陷埋藏深度d可以通过侧向波及衍射脉冲传播时差求解得到，如公式（1）所示。

式中：d为缺陷埋藏深度；为侧向波与衍射波脉冲传播时差；C为材料纵波声速；S为两探头之间的距离。

在求解缺陷上下2个端点的深度位置d上与d下后，可进一步求解缺陷自身的高度h=h上-h下。根据公式（1），声速大小会在很大程度上对材料缺陷深度的定位精度产生影响。而通常情况下，声速的大小由材料密度ρ以及弹性模量E来决定。据此可以确定P92钢纵波声速的计算如公式（2）所示。

式中：CL为P92钢纵波声速；ρ为材料密度；E为弹性模量；μ为空气分子的摩尔质量。

通过查阅相关资料，在室温条件下，P92各项指标值分别为E=1.91×105MPa；ρ=7850kg/m³；μ=0.28。进一步将这些数据代入公式（2），则有CL=5577m/s。

3.1.3 探头对的选择和布置

选用标称频率相同以及晶片尺寸相等的一对纵波斜探头，一个探头用来发射信号，另一个则用来接收信号，采用对称方式将它们放在钢结构焊缝的两侧。参照EN14751标准，以钢结构厚度为依据确定探头的角度、中心频率以及晶片尺寸等几项重要指标。针对钢结构厚度在50mm～100mm之间的环形焊缝，需要开通2个TOFD通道执行分层检测任务，并以探头角度和声束聚焦位置为依据，将探头间距确定下来。

3.1.4 灵敏度设定

在工件上没有缺陷的位置放置探头，对直通波的高度进行调整，让其覆盖屏幕的40%～80%。在执行分层检测任务时，第二通道因无直通波存在，可对底波信号进行满屏高的设置，之后将灵敏度提升18dB～30dB，为了保证能检测所有的焊缝体积，前后两通道之间应有重叠，并保证重叠区域不少于25mm。针对各通道检测区域，可用闸门将其中某一杂波信号套住，以此完成设定任务。

3.2 TOFD图像分析

3.2.1 没有判废缺陷焊缝的TOFD图像

基于TOFD检测原理，在没有缺陷存在的位置，接收探头先接收直通波，之后执行对底面回波的接收任务。TOFD可以对A扫描结果进行转化，用灰谱级图像进行表示，由此一来，直通波与底波可以用连续的多周期条状灰谱图像来表示，它们之间的初始相位具有相反性。在Φ699mm×45mm P92型站用锅炉钢结构没有缺陷存在，A扫描波形以及对应的TOFD图像如图2所示。在该图中，横坐标表示编码器走过的距离，纵坐标则表示时间。如果有缺陷存在，直通波与底波之间会显示缺陷上下端衍射信号变换的多周期条状灰谱。有一点需要强调，因为P92钢结构采用多层多道焊方式，若层与层之间存在打磨不干净的问题，用TOFD技术进行检测时，检测结果会有一定数量的点状缺陷，表现出抛物线的特征，这种缺陷通过抛物线的光标测量长度，通常小于5mm，按照ASME2235-8规定，无须对这些缺陷进行记录，对密集性气孔，则表现为多条抛物线的叠加。

图2 Φ699mm×45mm P92型站用锅炉钢结构无判废缺陷焊缝的TOFD图像

3.2.2 裂纹

Φ508mm×45mm P92型站用锅炉钢结构的裂纹缺陷TOFD图像特征与实际缺陷如图3所示。在该图中，焊缝挖开之后缺陷的形状表现为断续形状的纵向裂纹。与点状缺陷相比，裂纹尖端会发出比较强的衍射信号。因为裂纹表现出断续状的特点，所以会有多个衍射信号产生，在图像上表现出密集性的抛物线信号特征，运营TOFD自带软件的运用能够测量缺陷高度以及长度。

图3 裂纹缺陷TOFD图像特征与实际缺陷比较示意图

3.2.3 未熔合

Φ699mm×43mm站用锅炉钢结构未熔合缺陷A扫描波形以及对应的TOFD检测图谱如图4所示。根据图4可知，未熔合类缺陷会表现出一定长度的条状特征，不仅如此，黑白相位还非常明显。因为未熔合经常会表现出一定体积的长条形状，导致接收探头接收到的是单一的反射信号，信号的强度比较大，和点状缺陷之间有较为明显的不同，易于区分。

图4 Φ699mm×45mmP92型站用锅炉钢结构未熔合TOFD图像

因为该钢结构采用自动焊接的方式，会受到焊接工艺参数控制不合理这一因素的影响，所以同一层焊缝上存在断续状未熔合缺陷。对侧壁未熔合，已有学者对其作过研究，指出其会更多出现在焊缝的中上部位置，上端有一部分信号会被侧向波埋藏，其他则与未熔合的特征有一定的相似性。

3.2.4 表面与底面开口缺陷

为了进一步对TOFD表面以及底面盲区的大小进行验证，该文以EN14751综合灵敏度评定试块做参照，可以得到加工试件尺寸以及表面与底面开口缺陷试块的TOFD检测结果。

根据试块上表面检测将直通波移除之后的TOFD图像，φ2mm侧边孔没有被检测出来，即使移除直通波，缺陷特征依旧不明显。与之对应的，其他3个侧边孔均表现出明显的反射特征，成像清晰，意味着该仪器的表面盲区大于5mm。另外，根据试块下表面检测的TOFD图像，4个侧边孔的成像均清晰，意味着仪器的底面盲区小于2mm，且仪器底面盲区较之表面盲区而言要更小。因为P92钢结构有较为明显的淬硬倾向，在焊接作业完成以后，若热处理不及时，便容易出现表面冷裂纹，TOFD并不能对这一缺陷进行精准检测。因此针对P92型站用锅炉钢结构，在利用TOFD技术进行检测之时，还需要与磁粉检测进行配合，才能更加高效地发现表面裂纹。

4 结语

该文以电站锅炉为对象，在对其钢结构缺陷进行检测之时，TOFD技术表现出明显的优势，在得到具体的检测结果以后，可以借助计算机软件自动生成并显示这一结果。该文通过具体案例研究TOFD技术在站用锅炉钢结构检测中的应用，即在利用TOFD技术执行对P92型锅炉钢结构的检测任务时，为了达到精确定位缺陷位置的目的，系统设置过程中需要保证材料声速输入的准确性。根据对几种P92钢TOFD检测典型缺陷的分析可知，点状缺陷和裂纹表现出抛物线的特点，同时裂纹有比较强的衍射信号，未熔合则是反射信号，表现出条状特征，黑白相位比较明显。另外，TOFD检测技术在P92型站用锅炉钢结构中的应用存在表面以及底面检测盲区，表面盲区较之底面盲区更大。为了保证P92型锅炉钢结构的焊缝缺陷被完全检测出来，需要在其中添加表面磁粉来检测。从长远发展来看，TOFD技术不仅可靠性高，自动化水平亦非常理想，可以作为一个重要的检测手段高效地应用于电站锅炉钢结构的检测中。