超声衍射时差法用于核电站常规岛管道焊缝检测的可行性

惠维山，钟　华，穆晓忠

(中广核工程有限公司， 深圳 518124)



超声衍射时差法用于核电站常规岛管道焊缝检测的可行性

惠维山，钟华，穆晓忠

(中广核工程有限公司， 深圳 518124)

根据核电站常规岛管道焊缝施工特点，设计制作了带有人工缺陷的试块，对试块进行了超声衍射时差法(TOFD)、射线及超声检测，并对检测结果从检出率、缺陷定位、缺陷定量及缺陷评级等方面进行了对比分析。结果表明，TOFD方法在管道检测方面具有较高的可靠性。通过在工程现场进行TOFD和射线检测试验，表明TOFD方法在核电站常规岛中的应用是可行的。

TOFD；常规岛；应用

超声衍射时差法(简称TOFD)以其检测效率高、成像直观、结果易保存、缺陷自身高度测量精度高、安全无辐射等特点，在石油化工压力容器检测中得到广泛应用[1-2]。TOFD方法经过30多年的发展，已经成为除射线、常规超声检测之外的重要检测手段，美国、欧洲和中国也相继颁布了相关检测法规和标准[3-6]。但该技术在管道焊缝检测方面应用较少，在核电站施工领域尚未开始应用。

笔者针对核电站常规岛常用材料焊缝，制作了裂纹、未焊透、未熔合、夹渣等人工缺陷，对TOFD、超声检测(UT)及射线检测(RT)中的缺陷评级、缺陷测长、测深、缺陷自身高度测量等方面内容进行了对比分析，论证了TOFD方法的可靠性，为TOFD方法在核电站常规岛管道焊缝检测中的应用提供依据。

1　对比试验方案

1.1试块设计与制作

由于金属材料组织不同，对超声波的声学特性有一定影响，为使试验更接近于工程实际情况，选取核电站常规岛常用的3种材料：20Cr、P22、WB36CN1进行焊接，设计的人工缺陷尺寸模拟常规岛管道常见缺陷，如裂纹、夹渣、未熔合、未焊透、气孔等。

1.2检测系统及工艺

为更好地验证和比较各类检测方法在核电站常规岛检测中的适用性，笔者所设计缺陷均来自现场经验，所选检测工艺均依照现有检测标准制定。

1.2.1TOFD检测系统及工艺

根据NB/T 47013.10-2010《承压设备无损检测 第10部分:衍射时差法超声检测》标准，对于厚度为15～35 mm的试块，采用一个检测分区，推荐探头的频率范围为5～10 MHz，角度范围为60°～70°，晶片直径为2～6 mm。选择5 MHz(直径6 mm)和7.5 MHz(直径3 mm)两种常见频率，60°和70°两种角度，分别检测厚20,30 mm工件，利用声学覆盖分析进行工艺设计，扫查探头中心间距(PCS)按照标准规定的声束覆盖范围深度的2/3选取，得到8组工艺参数，见表1。

表1　检测工艺及盲区参数

1.2.2射线检测工艺

射线检测执行JB/T 4730.2-2005《承压设备无损检测第2部分: 射线检测》标准，所用仪器型号为X-3005-17，焦点尺寸为2.5 mm×2.5 mm ，焦距为700 mm，电压为230 kV，曝光量为15 mA·min，增感屏为Pb 0.1/0.1 mm，胶片型号为柯达MX125，显影温度20 ℃，显影时间5 min，定影时间10 min。

1.2.3常规超声检测工艺

超声检测执行JB/T 4730.3-2005《承压设备无损检测第3部分: 超声检测》标准，仪器为PXUT-2，试块型号为CSK-ⅠA和CSK-ⅢA，扫描速度按深度1∶1调节，扫查范围大于2.5TK(T为母材厚度;K为探头K值)，扫查方式为锯齿形移动和摆动，评定线、定量线和判废线分别为φ1 mm×6 mm-9 dB、φ1 mm×6 mm-3 dB、φ1 mm×6 mm+5 dB，表面补偿4 dB。

2　试验结果分析

2.1检出率比较

试验利用三种方法共检测出38个缺陷，包括圆形缺陷，长条形缺陷、裂纹、未焊透、层间未熔合和坡口未熔合缺陷。缺陷检出数如表2所示。

表2　缺陷检出数　个

从表2可以看出:采用TOFD、超声、射线检测分别对裂纹、层间未熔合、圆形缺陷三类缺陷的检出率差异较大，其中超声有1个近表面裂纹未检出，与超声波束的取向性较差有关，因此未被检出。射线有3个裂纹未检出，射线对裂纹类缺陷的检测灵敏度低于超声和TOFD。对层间未熔合等具有一定取向性的小缺陷，超声和射线的检出能力都较差，而TOFD可以检出所有的层间未熔合缺陷，TOFD的回波特征类似圆形缺陷。

圆形缺陷分单个圆形缺陷和密集型气孔两类，对于单个气孔、夹渣和夹钨，射线和TOFD均全部检出，而超声全部漏检，通过射线检测结果得到的圆形缺陷尺寸为φ1～φ4 mm，这说明TOFD的检测灵敏度达到10 mm深度的φ1 mm气孔。对密集型气孔，超声的检出率较高，但仍有1个缺陷漏检，而射线和TOFD均全部检出。对坡口未熔合、未焊透和长条形夹渣等缺陷，三种方法均全部检出。

从以上分析可以看出，TOFD检测具有明显的优势：① TOFD检测结果与射线检测结果都是以二维图像显示，具有较高的缺陷检出率。② TOFD对气孔、夹杂等缺陷具有较高检出率。③ TOFD所采集的衍射信号与缺陷取向无关，因而对裂纹有较高的检出率。

2.2缺陷定位比较

定位包括深度、距离焊缝中心的距离和沿焊缝长度三个值。沿焊缝轴线方向的长度主要通过缺陷测长；由于TOFD的非平行扫查存在轴偏移误差，而无法准确得到距离焊缝中心的距离；只有TOFD和超声可以测出缺陷深度，故主要分析这两种方法在深度定位方面的差异。

超声检测获得缺陷最大回波位置深度，而TOFD获得缺陷上下尖端衍射信号，因此TOFD获得的缺陷深度值一般小于超声检测获得的深度值，但实际试验时也存在TOFD测得值大于超声检测的情况(见图1)，由于差异较小，对工程应用无影响。从缺陷种类上来说，分布在工件中部和底面缺陷的深度测量差异较近表面缺陷的要小。对焊缝中部存在的裂纹、未熔合等缺陷，深度测量差异基本在3 mm以内。

图1　超声检测和TOFD检测试块缺陷深度比较

2.3缺陷长度测量比较

对于缺陷长度的测量，射线检测结果一般比较准确，因为射线检测获得的是缺陷在检测平面的投影，可以直接测量得到缺陷长度。常规超声检测常用6 dB法，得到的为指示长度。TOFD在测长方面同样不具备优势，一般采用抛物线指针对缺陷信号进行测长，但是由于TOFD检测出缺陷图像的边界不易准确识别，因此其测长存在较大的人为误差。

三种方法测长均存在较大的差异性。对裂纹类缺陷来说，有4个裂纹的TOFD测长与射线测长差异小于5 mm，其他裂纹测长均存在较大差异，所对应的缺陷为横向裂纹，TOFD对横向裂纹所检出的长度为沿焊缝方向，图像测长一般较小。常规超声与射线检测的差异要大于TOFD。TOFD测长结果大于射线测长的裂纹数,占裂纹总数的44%，但总体来说，在裂纹测长法中，TOFD与射线相比不具备优势。

对于3个条形夹渣，从TOFD和射线图像上看到，其具有明显的长条形缺陷特征，但TOFD测长与UT和射线对比存在约不大于5 mm的误差。总体来说，对较明显的条形缺陷，TOFD依然不能保证缺陷测长的准确性和重复性。

对坡口未熔合缺陷来说，TOFD测长与射线检测结果总体较为接近，且均略低于射线检测结果，从射线检测结果可以看到，所制作的未熔合缺陷均为清晰的平行于焊缝的长条形缺陷，因此其测长准确度较高。常规超声与射线检测的差异要大于TOFD。

对于密集型气孔来说，从射线图片可以看到，一些密集型气孔为多个孔无规则排布在一起，另一些密集型孔为由2～3个气孔排布为一条近似直线，此时其TOFD图像有类似长条形缺陷的特征，从图可以看到，这类缺陷的测长准确率较随机排布气孔的高。常规超声与射线检测的差异要大于TOFD。

对于圆形缺陷来说(单个气孔或夹渣)，超声均未检出，因此通过对比TOFD和射线检测结果可以看出，基本上TOFD测长值要大于缺陷实际值，这也验证了TOFD检测易将良性缺陷判定为不合格的问题。2.4长条形缺陷高度测量与质量评级

三种检测方法在现行标准中均规定不允许存在裂纹、未熔合、未焊透等缺陷；而点状、线状缺陷无法测高，因此质量评级标准以条形缺陷测高为主。对试验中可测的条状缺陷进行平行扫查，由于设计的3个条形缺陷长度较长，高度较高，射线评定为Ⅳ级,TOFD和常规UT评定为Ⅲ级,均为最高级。在较大尺寸缺陷的评级方面,三种方法均能有效检出,评定级别相当。

3　现场应用试验

为进一步验证试验结果的可靠性，在现场选取了12条焊缝，拍摄42张射线底片进行了对比分析，通过统计得出的缺陷检出数据如表3所示。

表3　现场试验缺陷检出数比较

现场试验表明，TOFD在常规岛现场管道焊缝具备使用环境，国家质检总局针对TOFD检测人员有专门的培训考核项目。射线检测在现场采用双壁单影透照方式进行，因透照厚度大，曝光时间长，而使得焊缝内小圆形缺陷不易检出，TOFD则可以避免此类情况发生。在评级方面，TOFD个别评级较射线宽松，但总体结论均合格，不影响焊接质量的评判。

4　结论

(1) TOFD检测技术已广泛应用于国内外民用制造行业，并已形成完善的标准体系和人员培训考核体系。TOFD检测为一维扫查，检测速度较常规超声和射线有较大幅度提高，特别是不涉及辐射防护，为安装、调试节省大量时间，利于确保工程进度。

(2) 在缺陷检出率方面，超声、射线和TOFD的检出率分别为71%,87%和100%，超声易漏检气孔、夹渣等圆形缺陷，射线易漏检裂纹等面积型缺陷。

(3) 在缺陷深度测量方面，超声和TOFD的深度测量差异小于3 mm。

(4) 在缺陷测长方面，TOFD与射线测长根据缺陷类型不同，存在不同程度差异，对于较为规则长条形缺陷，两种方法测长差异均小于5 mm。

(5) 针对长条形缺陷，TOFD与射线检测在缺陷长度方面的质量评级规定相同，但TOFD还对缺陷高度做出要求，TOFD的评价标准较射线严格。

综合分析认为，在核电常规岛安装工程中厚壁管道焊缝检测中,TOFD代替射线检测是可行的。

[1]CARVALHO A A, REBELLO J M A, SOUZA M P V, et al. Reliability of nondestructive test techniques in the inspection of pipelines used in the oil industry[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping,2008, 85(11):745-751.

[2]韩相勇，姜自安，韩曙光.超声TOED技术在管道环焊缝检测中的应用[J].无损检测，2008,30(1):61-63.

[3]郑晖，胡斌，林树青.国外TOFD检测标准分析和比较[J].无损检测，2007, 29(3): 150-154.

[4]BS 7706:1993 Guide to calibration and setting-up of the ultrasonic time of flight diffraction (TOFD) technictue for defect detection[S].

[5]ENV 583-6:2000 Nondestructive testing-ultrasonic examination-Part6:Time-of-flight diffraction technique as a method for detection and part sizing of discontinuities[S].[6]ASME Code Case 2235-9. Use of ultrasonic examination in lieu of radiography section I and section Ⅶ，division 1 and 2[S].

The Feasibility of TOFD Detection in Nuclear Power Conventional Island Pipeline Weld

HUI Wei-shan, ZHONG Hua, MU Xiao-zhong

(China Nuclear Power Engineer Co., Ltd., Shenzhen 518124, China)

According to the construction features of conventional island of nuclear power plant, test blocks with artificial defects were designed and manufactured. The TOFD, X-ray and conventional ultrasonic detection on the test block were performed. The detection results from the detection rate, defect location and quantification of defects and defect rating were compared and analyzed. Results show that the TOFD technique in pipeline detection is of high detection reliability. By means of TOFD and radiographic testing in engineering, the application of TOFD technology in conventional island of nuclear power plant is feasible.

TOFD; Conventional island; Application

2016-01-29

惠维山(1975-)，男，高级工程师，主要从事核电站建设期间的材料、焊接的无损检测技术和质量管理工作。

惠维山, E-mail: huiweishan@cgnpc.com.cn。

10.11973/wsjc201609010

TG115.28；TL4

A

1000-6656(2016)09-0037-03