TOFD检测技术在平南三桥主拱焊缝检测中的应用

广西交通投资集团有限公司，广西 南宁 530000

TOFD（Time of Flight Diffraction）检测技术与常规超声波及射线检测相比具有诸多优势，不但检测效率高，而且能够有效提高焊缝中各种缺陷的检出率。承担此桥梁建设项目钢结构第三方无损检测的重庆天眼工程质量检测有限公司首次在国内将先进的TOFD无损检测技术应用到桥梁主拱对接焊缝检测工作中，对桥梁主拱对接焊缝的焊接施工质量起到了非常重要的保障作用。

1 TOFD检测技术

1.1 TOFD原理

TOFD是一种基于衍射信号实施检测的超声波检测技术，被称为衍射时差法超声检测。

TOFD检测原理是当超声波遇到焊缝内部缺陷时，将在缺陷尖端发生叠加到正常反射波上的衍射波，对检测设备系统接收到的衍射波进行分析，可以判定缺陷的大小和深度。

1.2 TOFD检测技术与常规超声波和射线检测相比的优点

（1）可靠性好，缺陷检出率高。据欧洲和荷兰焊接协会等权威机构的研究结果表明，传统手工超声波探伤检出率只有50%～70%，传统X射线的缺陷检出率为70%左右，而TOFD检测技术的缺陷检出率为70%～90%。

（2）定量精度高。相比常规手工超声波检测，TOFD检测技术的定量误差可达到1mm以下，这是手工超声波所不能比拟的，其特有性能在缺陷高度定量方面要远高于常规手工超声波，而常规射线并不能进行缺陷高度测量。

（3）操作方便快捷、效率高。TOFD检测仪器高度集成，只需要一台主机配扫查器及探头附件就可以开展检测工作，不需要做锯齿移动，一次扫查即可完成焊缝检测，其实时的图像显示可立即发现焊缝内部缺陷情况并进行现场分析，与射线检测相比其检测效率更高，而且检测图像直观可存储，方便后期分析。

（4）安全环保。相比于常规射线检测，TOFD检测技术安全环保，非常适合可持续发展的需要。

1.3 TOFD的发展及应用

（1）TOFD检测技术近十几年来发展迅速，国内已经有一大批经验丰富的检测人员，随着检测设备的国产化和计算机技术的飞速发展，仪器设备的价格也越来越亲民，这项技术开始被各个行业所接受。

（2）检测标准作为一种检测方法应用的基础，各国都制定了相应的标准。国外常用欧洲或美国标准，国内标准使用较为广泛的是《承压设备无损检测 第10部分：衍射时差法超声检测》（NB/T 47013.10—2015）、《无损检测超声检测 超声衍射声时技术检测和评价》（GB/T 23902—2009）、《水电水利工程金属结构及设备焊接接头衍射时差法超声检测》（DL/T 330—2010）等标准，在国内桥梁钢结构方面尚无专用的检测标准。

（3）由于TOFD检测技术具有诸多优点，目前其广泛应用于航天、航空、大型石化设备、长输管道、军工、机械等领域的检测中，而且由于其特有的安全环保特性，很多场景下已经取代了常规射线检测，成为继常规5类检测中应用范围最广泛的一种检测技术，有着很好的市场应用前景。

2 平南三桥开展TOFD检测的应用情况

2.1 工程概况

平南三桥主跨拱肋为钢管混凝土桁架结构，主孔跨径为575m。拱顶截面径向高8.5m，拱脚截面径向高17.0m，肋宽4.2m，每肋为上、下各2根φ1400mm钢管混凝土主管，管内混凝土采用C70。主管通过横联钢管φ850mm和竖向2根腹杆φ700mm钢管连接而构成。平南三桥效果图如图1所示。

图1 平南三桥效果图

大桥主拱共44个节段，其分段钢结构在工厂加工验收合格后，通过水运至桥址现场进行拱肋节段吊装。

2.2 拱肋钢结构无损检测要求

该工程无损检测的方法、数量、部位等按《铁路钢桥制造规范》（Q/CR 9211—2015）和《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50—2011）执行，两个规范均未将TOFD列为焊缝质量检测评价方法。

钢管拱各类焊缝采用100%超声波探伤，执行标准为《焊缝无损检测 超声检测 技术、检测等级和评定》（GB/T 11345—2013），检测等级为B级，验收等级执行标准为《铁路钢桥制造规范》（Q/CR9 211—2015），验收等级为Ⅰ级合格；主拱对接纵、环焊缝采用10%射线探伤，执行标准为《金属熔化焊焊接接头射线照相》（GB/T 3323—2005），检测等级为B级，验收等级为Ⅱ级合格；钢管拱各类焊缝采用100%磁粉探伤，执行标准为《焊缝无损检测磁粉检测》（GB/T 26951—2011），验收等级执行标准为《焊缝无损检测 焊缝磁粉检测 验收等级》（GB/T 26952—2011），验收等级为1级合格。

现场焊接的焊缝只做100%超声和磁粉探伤，检测要求和工厂一致。

2.3 管节段环焊缝检测的重难点

主拱钢管材质为Q420qD-25Z的桥梁专用高强结构钢，规格为φ1400mm×26mm、φ1400mm×30mm、φ1400mm×36mm三种厚度，采用单V坡口加内衬板全熔透焊缝。主拱是拱桥的主要受力构件，主拱钢管焊缝的质量对桥梁的承载力和耐久性有着重要的意义，在工厂制造过程中，通过100%超声检测+100%磁粉检测+10%射线检测来控制焊缝质量，对超声波或者射线检测有异议的部分可采用TOFD补充检测来排除缺陷。

现场焊接与无损检测，都是钢结构桥梁施工的重要工序，特别是广西平南三桥桥位湿度大、风力强、雨天多，现场环境因素对焊接质量的影响最为突出。另外，在桥位现场的某些特定位置，焊工施焊的空间十分狭窄，影响到焊工动作的施展，有时只能采用某些特定的焊接方法，这也直接影响到焊接的质量。同理，因为现场的复杂条件，也限制了无损检测方法手段的应用，X射线检测在现场由于焊缝结构及现场环境条件限制无法开展，因此开展TOFD检测非常有必要。

2.4 平南三桥TOFD检测工艺要点

项目第三方检测单位在详细了解了平南三桥主拱焊接制造工艺和常规超声检测缺陷位置分析后，TOFD无损检测工程师针对平南三桥主拱对接环焊缝编制了详细的TOFD检测工艺规程，并针对不同板厚编制了检测工艺卡。

（1）TOFD检测人员经过专业机构培训TOFD检测的理论和实际操作，取得TOFD检测二级及以上证书，平南三桥TOFD检测人员由具有长输管道及桥梁检测丰富经验的检测团队组成，同时中国船级社实业公司无损检测实验室为其提供技术支持。

（2）检测设备。采用奥林巴斯生产的Omniscan SX探伤仪，该设备可执行相控阵、TOFD及常规A型脉冲超声检测功能。设备小巧便携功能齐全，特别适合高空等野外检测作业。TOFD检测仪器主机如图2所示。

图2 TOFD检测仪器主机

选用TOFD平板专用扫查器，适合于平板对接及大直径对接环焊缝，配置C543型号的3mm探头及60°楔块。TOFD扫查器如图3所示。

图3 TOFD扫查器

2.5 平南三桥现场主拱对接环焊缝TOFD检测的实施

（1）表面准备。①清除探头移动区的焊接飞溅、铁屑、油垢及其他杂质，并进行打磨，检测表面应平整，便于探头的扫查。②保留余高的焊缝，如果焊缝表面有咬边、较大的隆起和凹陷等，应进行适当的修磨并做圆滑过渡，避免影响检测结果的评定，要求去除余高的焊缝，将余高打磨到与邻近母材平齐。③检测前应在工件扫查面上进行标记，标记内容至少包括扫查起始点和扫查方向，同时推荐在母材上距焊缝中心线规定的距离画出一条线，作为扫查装置运动的参考。

（2）耦合剂。①采用纤维素作为耦合剂，注意调制适当的黏稠度，以保证各个检测面有效耦合。②选用的耦合剂应在一定的温度范围内保证稳定可靠的检测。③实际检测采用的耦合剂应与检测系统设置和校准时的耦合剂相同。

（3）检测灵敏度。①检测前应设置检测通道的灵敏度。②灵敏度设置一般采用对比试块。当采用对比试块上的反射体设置灵敏度时，需要将较弱的衍射信号波幅设置为满屏高的40%～80%，并在被检工件表面扫查时进行表面耦合补偿。③被检工件厚度t分别为26mm、30mm、34mm，因此采用单检测通道，可以直接在被检工件上进行灵敏度设置。一般将直通波的波幅设定为满屏高的40%～80%。有条件时，建议采用对比试块进行验证。

（4）检测的实施。①现场检测由两人操作，一人负责调试主机参数，一人负责拖动扫查器进行数据采集，现场应注意高空作业安全，做好劳动保护措施，现场检测如图4所示。②调整数据采集的扫查速度，进行分段扫查。③扫查过程中应密切注意波幅状况，如果发现直通波、底面反射波、材料晶粒噪声或波型转换波的波幅降低12dB以上或怀疑耦合不好时，应重新扫查该段区域；如果发现直通波满屏或晶粒噪声波幅超过满屏高20%时，则应降低增益并重新扫查。

图4 现场检测

2.6 TOFD检测数据判读及结果

（1）TOFD检测在常规超声和磁粉检测合格后进行，现场在仪器上或者在计算机上使用奥林巴斯TomoView分析软件对采集的数据进行判读。

（2）TOFD图像典型的缺陷图及合格判定。通过识别典型的缺陷示意图，分析采集数据中对应的缺陷类别，对缺陷类型、性质、位置、大小、长度等数据进行精确分析，参照标准《承压设备无损检测 第10部分：衍射时差法超声检测》（NB/T 47013.10—2015）中的缺陷评定与质量分级进行合格与否的判定。不合格的部位需记录数据，查找现场对应位置进行返修处理，返修后采用相同方法进行复检；合格的部位数据，填写记录形成检测资料存档。

（3）平南三桥TOFD检测情况。平南三桥现场主拱对接环焊缝的检测程序按焊缝焊接→外观检测→磁粉检测→超声检测→TOFD检测的步骤进行，TOFD检测在前几项检测均达到合格的状态下开展，该项目共抽查检测主拱现场对接环焊缝12条，采集TOFD数据图谱48幅。TOFD检测缺陷相关显示分为表面开口型和埋藏型缺陷，此次检测发现的均为埋藏型，检测发现记录缺陷16处、超标缺陷5处。缺陷统计如表1所示。

表1 TOFD检测缺陷统计表 单位：个

（4）检测结果分析。①TOFD由于利用衍射波进行缺陷分析，相比常规超声的反射波，其具有更高的灵敏度，特别是对缺陷边缘明显的裂纹、未熔合及气孔等有更高的敏感性，这就是表1中点状气孔记录缺陷较多的原因。焊缝中的微小气孔很容易被TOFD检测到，而常规超声波则无法识别。②现场主拱焊缝未开展X射线检测抽查，导致部分超声波检测不敏感而对射线检测敏感的缺陷留存在焊缝中，通过补充TOFD检测，暴露了这部分缺陷。③此次检测采用《承压设备无损检测 第10部分：衍射时差法超声检测》（NB/T 47013.10—2015）作为验收评定标准，该标准应用于承压设备，不仅对缺陷的判定较为严格，而且对焊缝中允许存在的缺陷点数和长度有严格的限制，因此表1缺陷统计中发现了5处TOFD检测超标缺陷，如果有适合钢桥施工的验收标准适当放宽，则超标缺陷数量有可能减少。这表明制定桥梁检测方面的TOFD验收标准迫在眉睫。

2.7 平南三桥应用TOFD检测的优势总结

（1）TOFD检测和X射线检测方法比较。由于主拱现场焊缝结构特点、射线的穿透力不足、高空射线检测不便、射线的辐射影响等原因，常规射线检测工作无法开展。相比之下，TOFD检测方便快捷，对厚板的检测优势明显、安全环保效率高，可有效节约检测时间，而且其对裂纹、未熔合等面积型缺陷的检测具有高灵敏度和准确性等优点，不但弥补了主拱不能开展X射线检测的缺憾，而且检测结果优于常规X射线检测，填补了同类桥梁主拱检测方法选择的空白。随着检测技术的不断发展，新版的桥梁制造验收规范中也引入了TOFD检测方法，TOFD检测将得到更加广泛的应用。

（2）TOFD检测和常规超声检测方法比较。在桥梁主拱对接环焊缝检测方面，由于手工超声的缺陷检出率有限，而且受检测人员技术水平、人为影响因素较大等原因，通过补充TOFD检测抽查，不但可以提高缺陷的检出率，而且通过实时记录的TOFD检测图像数据资料，可以帮助手工超声波人员对缺陷进行判别。

3 结束语

综上所述，TOFD检测技术是一项先进成熟的检测手段，通过在平南三桥主拱环焊缝质量检测上的成功应用，弥补了现场主拱焊缝不能开展射线检测抽查的技术空白，其方便、快捷、高效的检测能力、安全环保的操作条件充分体现了现代工程建设中“以人为本”的科学发展理念。随着国内桥梁制造验收规范的更新完善，TOFD检测将成为一项常规的检测手段被普遍采用，该技术在桥梁钢结构的焊接质量检测中必将会有广阔的应用前景。