球形储罐定期检验中的TOFD检测

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(1.湖南省特种设备检验检测研究院, 长沙 410117;2.中南大学 机电工程学院, 长沙 410083)

球形储罐(简称球罐)为大容量的承压球形存储容器。近年来，随着球罐制造技术的飞速发展，其在石油、化工、能源等承压特种设备领域中广泛应用，主要用来存储天然气、液化石油气、液氧、液氨等介质。相比圆筒形容器，在相同容积和相同压力下，球罐的表面积最小，一般可节省钢材30%～45%，且球罐的承载能力为圆筒形容器的2倍，因此在承载相同压力的情况下，其壁厚可减小一半。在承压特种设备领域，球罐属于第3类压力容器，球罐的制造过程是现场组焊安装，主要是将已压制好的球壳板以焊接的形式组装。由于球罐往往用于储存易燃易爆介质，良好的焊接质量对于球罐的安全运行十分重要，而无损检测是保证焊接接头质量的重要手段。

长期以来，在制造监督、检验和定期检验时，球罐焊接接头的检测主要采用射线、超声、磁粉等常规无损检测技术。2016年，国家质检总局颁布了TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》，与2009版相比，2016版在压力容器设计上，新增了对大型压力容器对接接头进行检测的特殊规定，即当大型压力容器的对接接头采用γ射线全景曝光射线检测时，还应当另外采用X射线检测或者超声衍射时差法(TOFD)检测进行50%的附加局部检测，如果发现超标缺陷，则应当进行100%的X射线检测或者TOFD检测。在TOFD检测技术兴起之前，对于壁厚较大的球罐，为了省时省力，常采用γ射线进行全景曝光检测，由于γ射线为线状谱，其能量不可调节，在大多数情况下得不到最佳的对比度，而且其曝光时间相比于X射线的成倍增加，故γ射线的灵敏度和成像质量远不如X射线的。2015年9月，国家能源局发布的NB/T 47013-2015《承压设备无损检测》标准中，对γ射线的曝光时间予以严格的限制。当采用Ir192 γ射线检测时，曝光时间不得超过8 h，且不得采用多个射线源捆绑的方式进行透照。对于大型球罐，若采用Ir192 γ射线全景曝光检测，其曝光时间远远超出了这一限制。因此，2016版《固定式压力容器安全技术监察规程》及2015版无损检测标准中新增的这些条款，在很大程度上限制了γ射线检测在球罐中的应用，而极大地推广了TOFD检测技术在球罐检测中的应用。笔者对一台在役的5 000 m3球罐进行了TOFD检测，有效地检出了气孔、夹渣、未熔合、裂纹等埋藏缺陷。

1 TOFD检测技术的应用

1.1 TOFD检测技术的基本原理

TOFD检测技术是一种基于缺陷端点衍射信号对缺陷进行定位、定量的无损检测方法[1-3]，该技术采用一发一收模式，探头为纵波斜探头，当焊缝无缺陷时，接收探头接收到的前两个信号为直通纵波和底面反射纵波；若焊缝中存在缺陷，超声波入射至缺陷上时，除了产生反射回波，还会在缺陷的端部产生向各个方向传播的衍射波，此衍射波被接收探头接收后，其将位于直通纵波和底面反射纵波之间，通过测量直通纵波与衍射信号的传播时间差，即可得到缺陷的深度和自身高度。TOFD检测原理示意如图1所示。

图1 TOFD检测原理示意

1.2 TOFD检测技术在5 000 m3球罐检测中的应用

某公司在役5 000 m3球罐于2008年5月投入使用，公称壁厚为44 mm，材料为15MnNbR，直径为21.2 m，设计压力为1.36 MPa，设计温度为0～50 ℃，工作介质为天然气。该球罐于2012年进行了首次定期检验，检验结论是:安全状况等级定为3级，检验周期定为5 a。2017年对该球罐进行了第二次定期检验，根据检验方案，要求对对接焊接接头进行100% TOFD检测，其对接焊接接头焊接方法为手工电弧焊，焊接型式为X型坡口，外表面焊缝宽度为35 mm，内表面焊缝宽度为20 mm。

TOFD检测所用仪器为汉威HS810以及带位置传感器的探头扫查装置，耦合剂采用工业浆糊，现场检测温度约为30～40 ℃。

1.2.1 工艺参数选取

检测技术等级为B级，选取内表面作为扫查面，扫查步进为1 mm，信号的平均化处理次数为1，脉冲重复频率为1 000 Hz，扫查方式为非平行扫查。

检测所用标准试块为CSK-IA试块，用于测量探头延时及前沿。

探头间距越大，深度分辨率越差；探头间距越小，深度分辨率越好。检测时将探头中心间距设置为探头对的声束交点位置，位于板厚的2/3深度处，因此检测探头的中心间距确定为115 mm。

探头频率越高，激励出来的信号脉冲宽度越窄，区分出厚度方向相邻位置缺陷的能力越强。一般而言，板厚越小，探头频率越高。有研究表明，为了获得良好的时间分辨率，宜尽可能减小扫查面盲区高度，并提高对缺陷的定位定量检测精度，要求直通纵波与底面反射纵波的时间间隔达到一定的周期数，以能够满足20个信号周期数最为理想。按照标准NB/T 47013.10-2015《承压设备无损检测 第10部分：衍射时差法超声检测》，厚度在35～50 mm内的对接接头的探头频率选取范围为3～5 MHz。

笔者经计算得出直通纵波与底面反射纵波之间的时间间隔为5 μs。TOFD检测应控制直通纵波持续时间不超过2个脉冲周期，因此将直通纵波持续时间调整至1.5个脉冲周期，此时1个5 MHz和3 MHz信号的持续时间分别为0.3,0.5 μs，则采用5 MHz和3 MHz探头进行检测时，直通纵波与底面反射纵波的时间间隔包含的周期数分别为16.7,10。因此，检测选取的探头频率为5 MHz。

实际检测中需使有效声场覆盖整个焊缝，检测选取的晶片尺寸为6 mm。

楔块角度越小，直通纵波与底面反射纵波之间的时间间隔越大，检测分辨率越高；楔块角度越大，直通纵波幅值增大，靠近扫查面附近的缺陷难以识别。此球罐壁厚为44 mm，标准NB/T 47013.10-2015中推荐的声束角度范围为60°～70°，检测选取的楔块角度为63°。

起始位置设置为直通纵波到达接收探头前0.5 μs，终止位置设置为底面反射变型波后0.5 μs。

直接在被检工件上设置检测灵敏度，将直通纵波的波幅设置为满屏高的40%～80%。

1.2.2 TOFD检测结果

对球罐进行第二次定期检验，根据TSG 21-2016，相应压力容器产品标准允许的焊缝埋藏缺陷要不影响定级；超出相应产品标准的，对于有特殊要求(该球罐存储天然气，属于易爆介质)的压力容器，非圆形缺陷尺寸及安全状况等级评定如表1所示(表中H为缺陷在板厚方向的尺寸；L为缺陷长度；t为实测厚度)。

表1 有特殊要求的压力容器中非圆形缺陷尺寸与相应的安全状况等级

经TOFD检测，发现该球罐内部存在裂纹、未熔合、夹渣等缺陷。对这些缺陷进行评定，有4处缺陷超出了表1的限制，测得缺陷尺寸如表2所示，超标缺陷的D扫图像如图2所示。这些缺陷均位于上温带环焊缝，且靠近内表面，最短缺陷长323 mm，最长缺陷长1 164.8 mm，其自身高度在5.7～7.2 mm内。这些缺陷D扫图像有相似的特点，即均能够区分出上下端点，沿着焊缝长度方向，其深度和自身高度在不断变化，缺陷长度方向的端部呈抛物线状，从缺陷的位置及图谱特征判断，这些缺陷可能为未熔合或裂纹。依据标准TSG 21-2016，需对超标缺陷进行返修，返修合格后，再进行检测，球罐的安全状况等级可评为3级。

表2 TOFD检测得到的某球罐缺陷尺寸 mm

图2 某球罐的TOFD检测超标缺陷D扫图像

1.3 常规超声检测复查

由于TOFD非平行扫查检测方式无法确定缺陷偏离焊缝中心的位置，采用常规超声检测对上述超标缺陷进行复查，以确定缺陷偏离焊缝中心的位置。

检测采用标准试块为CSK-IA，对比试块为CSK-IIA-2，探头频率为2.5 MHz，晶片尺寸(长×宽)为13 mm×13 mm，斜探头K值分别为1.0和2.0，采用内表面双侧的检测方式。检测发现不同折射角对缺陷检测灵敏度有较大影响；K2.0斜探头对超标缺陷的检测灵敏度要高于K1.0斜探头的，其原因在于缺陷信号幅值与缺陷的性质、取向等因素有关。当采用K2.0斜探头检测时，从焊缝两侧均可以发现缺陷，缺陷信号具有以下特征：一侧波高明显低于另一侧，且沿着焊缝长度方向检测时，缺陷反射回波幅度时高时低，缺陷位置均往上偏离焊缝中间位置，判定这些缺陷为靠近球罐内表面的坡口夹渣未熔合，K2.0斜探头测得的缺陷尺寸如表3所示(SL为距离-波幅曲线中的定量线)。

表3 常规超声检测K2.0斜探头测得的缺陷尺寸

通过分别对缺陷进行TOFD检测和常规超声检测发现，对于埋藏型缺陷，TOFD检测的灵敏度远高于常规超声检测的，常规超声检测结果受耦合剂耦合程度、人为因素影响较大，易发生漏检，而TOFD检测对于气孔、夹渣、未熔合等缺陷非常敏感。由于缺陷尺寸超出法规标准的限制，需对缺陷进行返修处理，通过对BF12焊缝中的超标缺陷进行返修，发现该缺陷具有裂纹的特征。

2 缺陷形成原因

定期检验中，除TOFD检出4处靠近内表面的超标埋藏缺陷外，磁粉检测也检出了11处内表面裂纹。

先从球罐材料进行分析，该球罐材料为15MnNbR，又称Q370R，其标准抗拉强度为520～620 MPa，属于低合金高强度钢，该钢种是在16MnR基础上发展起来的，其强度要高于16MnR。材料的强度越高，可焊性越差，焊接时越容易产生各种裂纹。15MnNbR的焊接性能要低于16MnR的焊接性能，具有一定的淬硬、延迟裂纹及再热裂纹倾向，属于裂纹敏感材料。

该球罐存储天然气介质，可能存在的损伤模式主要是湿硫化氢破坏。对于表面裂纹缺陷一般采用打磨消除，通过对检出的裂纹进行打磨发现，个别裂纹最大深度达3 mm。该球罐于2012年进行了首次定期检验，仅发现1处内表面裂纹。检测初步判定这些表面裂纹为硫化物应力腐蚀裂纹。

球罐制造时采用现场组焊的安装方式，球壳板之间焊接的总体原则是先焊纵焊缝，后焊环焊缝；先焊外焊缝，后焊内焊缝。对于纵焊缝，由于其最先完成焊接，组装产生的应力较小，因此环焊缝应力较大。焊接作业人员焊接上温带环焊缝时，在球罐内部的焊接方式为仰焊，焊接难度很大，容易产生未熔合、裂纹、夹渣等缺陷。TOFD检测发现位于球罐上温带环焊缝的危险性缺陷均靠近内表面，个别外焊缝仅存在少量气孔点状缺陷，大部分上温带环焊缝的TOFD检测质量均达到法规标准的要求；而对于其他位置焊缝，TOFD检出的埋藏缺陷较少，一般为气孔、夹渣等非超标缺陷，说明该球罐在制造安装时选用的焊接工艺满足标准法规的要求，可以排除焊接工艺选用不合理的可能性。

该球罐在制造验收时，采用了γ射线100%检测，查阅底片未发现裂纹、未熔合等缺陷，而在定期检验中，TOFD检测和常规超声检测均发现了具有未熔合性质的缺陷，进一步说明采用γ射线全景曝光对于大型球罐对接焊缝的缺陷检测具有一定的局限性。一方面，由于灰雾度较大，降低了射线照相对比度，使得缺陷影像与其周围背景的黑度差很小，所以缺陷影像难以识别；另一方面，缺陷的取向也会影响检测结果，射线透照厚度差决定了照相对比度。对于一些如裂纹、未熔合面积型缺陷，为保证此类缺陷的检出率，需要控制射线束的角度，而采用全景曝光检测时，因无法保证一定的透照厚度差，缺陷可能漏检。

根据TOFD检出的4处超标缺陷的位置和尺寸，常规超声的检测结果以及通过返修发现缺陷的特征，综合判定这些缺陷在球罐制造过程中已经产生，并且在球罐投入使用后，在焊缝内部应力和球罐内压的共同作用下存在扩展的可能性。

3 结语

(1) 通过对球罐现场检测发现，相比于常规超声检测、射线检测，TOFD检测技术具有检测效率高、灵敏度高等优点，并且对于大壁厚球罐，TOFD检测的优势更为明显，利用图谱可以方便获取缺陷的深度、自身高度等信息，为球罐的安全状况等级评定提供了依据。

(2) TOFD检测发现的超标缺陷，需采用常规超声检测或射线检测进行复查，以便测量缺陷偏离焊缝中心的距离，从而确定缺陷返修的具体位置。

(3) TOFD检测技术对于缺陷定性有一定难度，对于气孔、夹渣缺陷，根据图谱显示可以方便区分出来；而对于面状缺陷，如裂纹、未熔合等缺陷，由于缺陷图谱显示的是缺陷的上下端部信号，在一些情况下，仅根据图谱特征难以区分出缺陷的具体性质。如对某5 000 m3球罐检测发现，依据图谱判定为未熔合的缺陷，最后实际返修发现该缺陷具有裂纹的特征。

(4) TOFD检测技术对于扫查面及其近表面缺陷的检测具有局限性，定期检验中，磁粉检测发现最大深度为3 mm的内表面裂纹，TOFD检测无法检出。

(5) 对于球罐的定期检验，采用TOFD检测的重点应为环焊缝，尤其是上温带环焊缝，该位置易出现超标缺陷。

[1] 孙旭,金士杰,张东辉,等.基于自回归谱外推的小尺寸裂纹TOFD定量检测[J].无损检测,2017,39(10):8-11.

[2] 陈振华,张翀,李新蕾,等.超声TOFD二次波检测技术在奥氏体不锈钢焊缝无损检测中的应用[J].无损检测,2016,38(6):1-5，32.

[3] 谢雪,祝美丽,金士杰,等.基于SAFT提高TOFD检测缺陷长度定量精度的探讨[J].无损检测,2015,37(5):18-21.