超声波衍射时差法在现场组焊压力容器无损检测中的应用

第 4 1卷第 6 期 2 0 1 2年 1 1月 石油化工设备 P ETRO CHEMI C AL EQUI P MENT Vo 1 41 NO 6 NO V 2 01 2 文章编号 ：1 0 0 0 7 4 6 6 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 7 4 0 5 超声波衍射 时差法在 现场组焊压力 容器无损检测 中的应 用 朱速起 ，卢夺 ，胡立岩 ，吴 成 华 ，邵 娟 ( 中国石油工程建设公司 ， 北京 1 0 0 1 2 0 ) 摘 要 ：在石 油化 工设备现 场组 焊过程 中， 如 果采 用传 统的射 线检 测方 法对压 力容 器进行检 测 ， 不仅 周期长 、 费用高， 而且与其它工序相互影响。超 声波衍射 时差法( T O F D) 具有缺 陷识别率高、 不受 时 间限制等优 点 ， 近年 来在现 场组焊 压力 容器 的无损检 测 中 已得 到推 广应 用 ， 检测 结果 准确且 经 济 效益好 。介绍 了 T OF D 技 术的原 理 、 工艺 流程 、 优 缺 点及 其在 现 场 组焊 压 力容 器无损 检 测 中的 工 程 应 用 ， 并 简述 了 T OF D相 关标 准规 范的发展 。 关键 词 ：压力容器； 超声波衍射时差法 ； 原理； 工艺； 应用 中图分 类号 ：TQ O 5 1 3 ；TH 4 9 文献 标志 码 ： B d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 - 7 4 6 6 2 0 1 2 0 6 0 1 8 App l i c a t i o n o f Ti me o f Fl i g ht Di f f r a c t i o n Te c h ni qu e o n t h e S i t e W e l d i n g Pr e s s u r e Ve s s e l s ZHU S u - q i ，LU Du o，HU Li y a n， W U Ch e n g - hu a，SHAO J u a n ( Ch i n a P e t r o l e u m En g i n e e r i n g& Co n s t r u c t i o n C o r p o r a t i o n，Be i j i n g 1 0 0 1 2 0，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：I n p e t r o l e u m c h e mi c a l i n d u s t r y c o n s t r u c t i o n p r o c e s s ，i f u s i n g t h e t r a d i t i o n a l r a d i o gr a p hi c t e s t i n g f o r p r e s s u r e e q ui p me nt s ，i t t a ke s no t on l y t he l o ng c yc l e a nd us e s h i gh c os t ，b ut a l s o o t h e r pr o c e s s e s i nf l u e n c e ha p pe n a g a i n s t e a c h ot he r s e v e r e l y U l t r a s o n i c t i m e o f - f l i g ht d i f f r a c t i o n t e c h n i q u e( TOFD)h a s t h e a d v a n t a g e s o f h i g h r e c o g n i t i o n r a t e ，n o t i me l i mi t e t c I n r e c e nt ye a r s i t i s u s e d wi d e l y i n t he f i e l d a s s e m b l y we l d i n g o f pr e s s ur e ve s s e l NDT ，a nd h a s a c c u r a t e de t e c t i o n r e s ul t a nd go o d e c o n omi c be ne f i t 。 The TOFD pr i nc i pl e，p r o c e s s，a d v a nt a ge s a n d de f e c t s a r e i nt r o d uc e d，a nd i n s i t e we l d i ng n on de s t r u c t i ve t e s t i n g o f p r e s s u r e e q u i pme n t s i n t he e n gi n e e r i ng a pp l i c a t i o n i s p r e s e nt e d a s we l l ，a nd t he TOFD r e l a t e d s t a n d a r ds de ve l o pme n t a r e p ut f o r wa r d Ke y wo r d s：p r e s s u r e v e s s e l ；t i me o f f l i g h t d i f f r a c t i o n；p r i n c i p l e ；p r o c e s s ；a p p l i c a t i o n 超声波衍射时差法( Ti me o f F l i g h t Di f f r a c t i o n Te c h n i q u e ， TO F D) 是 一 种 近 年来 发 展 成 熟 的基 于 衍 射信号 的新 型无 损 检 测技 术 ， 该 技 术依 据 从 被 检 试 件 内部 缺 陷的端 角和端 点处 得到 的衍射 能量来 检 测缺陷， 用于缺 陷的检测 、 定量和定位 。进入 2 1 世纪后 ， TO F D技术的使用逐步规范化、 体系化 ， 世 界 主要 国家 、 组 织分 别 制定 了该 技 术 的 检测 和 评 价 标准， 为 TO F D技术的广泛使用奠定 了规范基础。 收稿 日期 ：2 O 1 2 一 O 5 3 1 作者简介 ：朱速起 ( 1 9 8 2 一 ) ， 男 ， 河南洛 阳人 ， 工程 师 ， 学士 ， 现从事石油化工建设工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 2 年第 4 1 卷 过程监督 检测人员资格审核 检测设备检检 i 合格 接受检测委托 制定检测工艺 I l 复核部位、 检测准备 l 检测结果分析 H 不合格部位返修 交付顾客 图 5 TO F D检测工艺流程 2 2检测前准备 2 2 1 确 定 检 测 区域 如果 焊缝 实 际热 影 响 区经 过 测量 并 记 录 ， 且 超 声探 头 的位置可 以 按 照预 先标 记 得 到 控制 时 ， 检 测 区域 宽度 为包括 实 际热影 响区加上 两侧 各 6 mm 的 范 围 。 如果 未 知 焊 缝 热 影 响 区 ， 若 工 件 厚 度 2 0 0 mm， 检测 区域 宽度应 是焊缝 本身再 加上 焊 缝熔 合线两侧各 2 5 mm 的范 围或者母材厚度较小值 的 范 围 。 若工 件厚度 2 0 0 r n m， 检 测 区域 宽 度 应 是焊 缝本身再加上焊缝熔合线两侧各 5 0 mm 的范围。 2 2 2检 测 设 置 和 校 准 检测前应测定探头前沿和超声波在探头楔块中 传 播 的时间 。参 照 NB T 4 7 0 1 3 1 O 一2 0 1 O 承 压设 备无损检测 第 1 O部分 ： 衍射时差法超声检测 I 2 设 置 A 扫 描 时 间窗 口 、 灵 敏 度 和 扫查 增 量 ， 进 行 深度 校准、 位置传感器校准及检测系统复核。 2 2 3 检测 区域表 面处理 为了确保 T OF D探头表面与工件耦合 良好并 采集到准确有效的数据 ， 必须对焊缝表面进行打磨 处 理 。 一 般情况下焊缝余高不需磨平， 但在 T字 口焊 缝 ， 应将 T字 口焊缝 3个方向各 2 0 0 mm长范围内 磨平。对设计要求去除余高的焊缝 ， 应将余 高打磨 到与邻近母材平齐。对设计要求保 留余高 的焊缝 ， 如果焊缝表面有咬边 、 较大 的隆起 和凹陷等也应进 行适当的修磨 ， 并作 圆滑过渡 。焊缝熔合线两侧表 面应进行处理， 无飞溅、 凹坑等， 表面应平整， 一般粗 糙度 R 6 3肚 m。每侧打磨宽度不小于 2 3 0 mm。 检 测表 面应 去除浮 锈 、 油 漆 、 涂 层 、 氧 化皮 、 污垢 以及 油脂 ， 先使用砂轮片打磨 ， 再使用钢丝刷进行去毛刺 处 理 。 2 2 4其 它要 求 在探 头移 动 区周 围空间应没 有 阻挡探 头移 动 的 障碍物 ， 离扫查面应有 3 0 0 mm 的空 间以便实施检 测操 作 。检测 现场 需 要一 定 量 的 自来 水 ， 检测 时 附 近不应有 电、 磁 、 声等强干扰信号源。 2 3 检 测 一 般采 用 非 平行 扫 查进 行 初始 扫 查 ， 探 头对 称 布 置于 焊缝 中心 线 两侧 ， 沿 焊 缝 长 度方 向运 动 。对 于非平 行扫查 发现 的接 近最大 允许 尺寸 的缺 陷或需 要 了解 缺陷更 多信 息 时 ， 建 议 改变 缺 陷 部位 探 头 设 置进行非平行扫查 、 偏置非平行扫查 、 平行扫查或脉 冲反射法超声检测 。 如 果 焊缝 比较宽 ， 建 议 在 焊缝 两侧 各 增 加一 次 偏置非平行扫查。对于纵 向焊缝 ， 建议在焊缝 中心 线两侧各增加一次偏置非平行扫查 ， 偏心距离一般 为 尺 ( 2 r ) ( 尺 为外 径 ， ， 为 内径 ， 为 底 面焊 缝 的 宽度 ) 。 若焊缝中可能存在横向缺 陷时， 应使超声波声 束与焊缝横截面形成一定的倾角 ， 或在手工超声检 测 中增 加平行 或斜 平行 扫查方 式 。探头 的扫查 速度 不得超 过最 大 扫 查 速 度 一 z ( f R N) ( A x为 扫查的设置增 量值 ， mm； N 为设 置 的信号 平均次 数； f R 为激发探头 的脉 冲重复频率 ， Hz ) 。扫查时 应确保探头的运动轨迹与拟扫查路径间的误差不超 过探头 中心 间距 的 1 O 。 若 需 对 焊缝 在 长度 方 向进 行 分段 扫 查 ， 则 各段 扫查 区 的重 叠范 围 至少 为 2 0 mm。对于 环 焊缝 ， 扫 查停止 位置 应越 过起始 位置 至少 2 0 mm。 扫查 过程 中应密切 注意 波 幅状况 。若发 现直通 波、 底面反射波、 材料晶粒噪声或波型转换波的波幅 降低至少 1 2 d B或怀疑耦合不好时 ， 应重新扫查该 段 区域 。若 发现 直通波 满屏 或 晶粒噪声 波 幅 比满屏 高 2 O 时 ， 则 应降低 增益 并重 新扫查 。 对 于底 面发 现 的表 面可 疑部 位 以及 扫 查 面 ， 应 按 照 J B T 4 7 3 0 4 2 O 0 5 承 压设 备 无 损 检 测 第 4 部分 ：磁粉检 测 、 J B T 4 7 3 0 5 2 O 0 5 承 压设 备无 损检测 第 5 部分 ： 渗透检测 进行磁粉检测和渗透 检测 , 4 3 。 若焊缝底面形状不规则或成型不好 ， 建议对底 面按文献 3 ， 4 进行磁粉检测和渗透检测。 2 4检测结果分析 依据文献 2 对检测结果进行综合 分析和缺陷 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 朱速起 ， 等 ： 超声波衍射时差法在现场组焊压力容器无损检测 中的应用 评 定 ， 对 可 疑部位 采 用 J B T 4 7 3 0 3 - 2 0 0 5 ( ( 承 压 设 备无损检测 第 3部分 ：超声检测 辅助判断其形 态、 位置和尺寸或采用射线检测进行再次检测 。对 超 标缺 陷进 行缺 陷 处理 ( 返 修 ) 后 ， 应采 用 与 初 检 一 致 的检 测 方法进 行 复检 。 2 5 检测记录及签发报告 检 验人 员应 按 照文 献 E 2 3 要 求 在 现场 填 写 检 验 记 录 。 TOF D检测结束 ， 发放正式检测报告前 ， 检测人 员应将所有 TOF D检测图像 数据及 缺陷状况 以电 子文档形式交上级检测单位及顾 客统一存档 ， 该存 档手 续纳 入 T OF D检 测 报 告 签 发 流 程 。检 测 报 告 应符 合 国家有 关检 验 法 规 要 求 ， 采 用 中英 文 对 照格 式 出具报 告 。 3 T O F D技术与传统检测技术 的比较 ( I ) TOF D检 测 结 果 与射 线 检 测 结 果 都是 以二 维图像显示的， 但是 T OF D检测能对缺 陷的深 度和 高度进行精确测量 ， 而射线检测只能得到缺陷的俯 视图信息 ， 对于缺陷在焊缝厚度方 向的长度却 是很 难判 断 。 ( 2 ) T oF D技 术 可探测 的厚 度 大 ， 对 厚板探 伤 的 效果 比较 明显 。而射 线 对 厚 壁 的 压 力 容器 、 压 力 管 道 穿透 能力有 限 。 ( 3 ) T oF D技 术 检测 缺陷 的能力 非 常强 ， 具有 相 当高的检出率。欧洲和荷兰的焊接协会等机构进行 了专项的研究对 比， 得 出 x射线检测 、 射线检测 、 TO F D检测及 P E脉 冲 回波 检测 的检测率 分别 为 7 0 、 6 o 、 大 于 8 0 及 5 O 6 0 。缺 陷 大 小 与 各 种检测 方 法检 出率 的关 系见 图 6 。 图 6 缺 陷 大 小 与 各 种 检 测 方 法 检 出率 关 系 曲线 ( 4 ) TO F D技术所采集的是数据信息 ， 能够进行 多方位分析 ， 甚至可以对缺 陷进行立体复原。这是 因为 T OF D技术将 扫查 中所有 的原始信号都 进行 了保存 ， 在脱机分析 中可 以利用计算机对这些原始 信号进行各种分析 ， 以得 出更加精 确的缺陷判断结 果 。而射线检测只能将射线底片置于观片灯前进行 分 析 ， 不 可 以再进 一 步 利 用软 件 对 缺 陷进 行 更 加 全 面的分 析 。 ( 5 ) TOF D检测操作简单 、 扫查速度快 、 线性扫 查平均 I m rai n 、 检测成本低且检测效率高。而射 线 检测 过程 繁琐 、 耗 时长 、 效 率 低 下 ， 暗室 建 造 投 入 较高 ， 耗材成本重复发生 ， 综合成本相对较高。 ( 6 ) TO F D技术 是利 用超声 波进 行探 伤 ， 对 检测 时的工作环境没有特殊要求 ， 是一种环保 的检测方 式， 对使用人员没有任何伤害 ， 无需特殊的安全保护 措施 。而 射线检 测 具 有 放射 性 危 害 ， 现 场 只 能单 工 种工作 ， 与 其它 工序 相互影 响严 重 。 T OF D技术虽然具有诸多优势， 但是仍然存在 以下不足 ： 近表面存在盲区 ， 对该区域检测可靠性 不够 。 缺陷 定性 比较 困难 ， 复杂 几 何 形状 的工 件 测量 也较 为 困难 。横 向缺 陷和粗 晶材料 检 出 比较 困难 。 4 T O F D技术相关标 准规范发展 1 9 9 3年 ， 英 国制定 了 B S 7 7 0 6 1 9 9 3 ( ( 裂纹 的探 伤、 定位及尺寸用超声时间损耗衍射技术的校正及 确定指南 l_ 6 ， 该标准首次规定 了用 T OF D检测法 进行缺陷定量评价 的具体程序和要求 ， 是最早 的一 部 TOF D 检 测 专 用 标 准 。I 9 9 6年 ， 美 国 AS ME C o d e C a s e 2 2 3 5 9 以超声波检测代替射线检测 中对 采用 T OF D 技 术 检 测压 力 容 器 和 动 力 锅 炉 焊 缝的方法和验收条件做 出了详细规定 。I 9 9 9年 ， 在 AS ME规范修订版中， 明确提出允许用 T OF D法取 代射 线检 测。2 0 0 0年， 欧洲 标准 化 委员 会 在 B S 7 7 0 6的基础 上 ， 制 定 了 E NV5 8 3 - 6 ： 2 O O O 无 损 检 测 超声 波检 验 第 6部分 ： 作 为间 隔性 波分 级 和探 测方 法的飞行 时间衍射技术 l_ 8 。2 0 0 1年 ， 日本制定 了 ND I S 2 4 2 3 ： 2 0 0 1 ( 超声衍射 时差 ( TO F D) 法 T OF D 法缺陷测高方法 _ 9 。2 0 0 4年 ， 英 国发布 了 B S D D C E N TS 1 4 7 5 1 ： 2 0 O 4 ( 焊接检 验 用 飞行 时 间 衍射 技 术( T OF D) 的使 用 标 准l_ 】 ， 美 国发 布 了 AS ME E 2 3 7 3 ： 2 0 0 4 ( 超声时差衍射技术 ( TO F D ) 标准_ 1 。 2 0 0 6年 ， 我 国无 损 检 测 标 准 委 员会 下 达 了 无 损检测 超声检测 超声衍射声时技术检测和评价方 法 标准制定 的通知 ( S AC T C 5 6 E 2 o o 6 1 5号文 ) ， 决定制定采用 TOF D方法部分替代射线检测 的标 准 。2 0 0 7 0 6 ， 国家质量监督检验检疫总局发布的质 检 特 函( 2 0 0 7 ) 4 0 2号 通知 中规 定 了 可 以采用 T OF D 检测替代射 线检测 进行 无损检测 ， 并 提 出了从事 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 2 年第 4 1卷 T OF D检测 的机 构 和人 员 的资 格 审 核 要 求 。2 0 1 0 0 8 2 7 ， 我 国发 布 了 NB T 4 7 0 1 3 1 0 2 O 1 0 承压 设 备无损 检 测 第 1 0部分 ： 衍 射 时 差 法超 声 检 测 _ 2 ， 于 2 0 1 0 - 1 2 - 1 5正式 实施 。 5 T OF D检测技术在 工程中的应用 2 0 0 0年 ， 在西气东输建设项 目中， 国内首次大 量使用 了 T OF D检测技术 。2 0 0 1年， 中国第一重型 机械集 团公 司采 用 TOF D方 法 代替 射 线 检 测对 1 4 台压 力容 器 7 0余 条 焊 缝 进 行 了 检 验 。2 0 0 4年 ， 中 国第一重型机械集 团公司与中国特种设备检测研究 院合作编订了国内第一个 TO F D企业标准 ， 并对神 华煤 液 化 工 程 中世 界 上 最 大 的 加 氢 反 应 器 ( 壁 厚 3 4 0 ram) 进 行 了 T OF D 检 测 。2 0 0 5年 ， 中海 壳 牌 L O P罐区南海石化 1 4台球罐 以及蒸汽管道焊缝检 测 中 使 用 了 TO F D 方 法 。 2 0 0 8 年 ， 广 西 钦 州 1 0 0 0万 t a 炼油厂 2 3台球罐焊缝检测项 目中， 使用 T O F D技术代替射线检 测对 总长超 过 1 0 0 0 0 m焊 缝 进行 了检 验 。2 0 1 0年 ， 大庆 石化 公 司 2 5万 t a全 密 度 聚乙烯装 置 现场 组焊 的反 应 器检 测 中采 用 T O F D 检测代替了射线检测， 银川 5 0 0万 t a炼油厂项 目中 反应沉 降器 、 再 生 器 、 分馏 塔 等现 场厚 壁组 焊设 备 检 测 时采用 了 T O F D和手动 UT相结 合的方式 。 2 0 1 0年 ， 在 乍 得 恩贾 梅 纳 炼 油 厂 项 目中 ， 我 国 采用 T OF D和手动超声检测相结合的方式， 对 6台 2 0 0 0 I n 。 、 3台 1 0 0 0 m。 球 罐 、 反 应沉 降器 、 再 生 器 及一些壁厚较 大的现场制作安装 的设备进 行 了检 测 。经 实际 检验 ， 该 检测方 法缺 陷检 出率高 ， 定位 准 确 ， 取得 了 良好 的社 会效 益和 经济效 益 。 6 结语 ToF D检测 技术 具有操 作简单 、 扫查 速度 快 、 定 量精度高、 无污染及成本低等优点 ， 虽然还存在一定 的局 限性 ， 但 随着 该 技 术 的不 断 完 善 、 成熟 ， 以及 标 准化 的推广 和应 用 ， 将会 对 我 国石 油化 工 建设 行 业 产生 重 要影 响 。除 国家 重 点工 程 外 ， T OF D 检测 技 术在 我 国多个行 业得 到 了广泛 应 用 ， 积 累 了 丰 富 的 使用 经验 ， 为今后 该 技 术 在 国 内及 国 际工 程 的应 用 奠定 了 良好 的基 础 。 参考文献 ： E l i 李剑锋应用超声衍射时差法 T OF D成像技术对焊 缝 检测 E J - I 金属加工( 热加工 ) ， 2 0 0 8 ，( 1 6 ) ： 3 6 4 0 ( L I J i a n f e n g Ap p l y TOF D Te c h n i q u e f o r S h i p y a r d We l d I n s p e c t i o n J Ma c h i n i s t Me t a l F o r mi n g ， 2 0 0 8 ， ( 1 6)： 3 6 - 4 0 ) 2 N B T 4 7 0 1 3 1 O 一2 o 1 o ， 承压 设备 无损 检测 第 1 o部 分 ： 衍射时差法超声检测 s ( NB T 4 7 0 1 3 1 O 一 2 0 l O， No n d e s t r u c t i v e Te s t i n g o f Pr e s s u r e Eq u i p me n t s p a r t 1 0：Ul t r a s o ni c Ti me o f Fl i g h t D i f f r a c t io n T e c h n i q u e s ) 3 J B T 4 7 3 0 4 - - 2 0 0 5 ， 承压设备无损检测 第 4 部分 ： 磁 粉检测 s ( J B T 4 7 3 0 4 2 O O 5 。 No n d e s t r u c t i v e Te s t i n g o f Pr e s s u r e E q u i p me n t s p a r t 4 ： P a r t i c l e T e s t i n g S ) 4 J B T 4 7 3 0 5 -2 0 0 5 ， 承压设备无损检测 第 5 部分 ： 渗 透检测 s ( J B T 4 7 3 0 5 2 O O 5 。 No n d e s t r u c t i v e Te s t i n g o f Pr e s s u r e E q u i p me n t s p a r t 5 ： P e n e t r a n t Te s t i n g S ) 5 J B T 4 7 3 0 3 2 () ( ) 5 ， 承压设备无损检测 第 3 部分 ： 超 声检测I s ( J B T 4 7 3 0 3 2 O 0 5 ， No n d e s t r u c t i v e Te s t i n g o f Pr e s s u r e E q u i p me n t s p a r t 3 ： Ul t r a s o n i c T e s t i n g s ) 6 B S 7 7 o 6 1 9 9 3 ， 裂纹的探伤 、 定 位及尺寸 用超声 时间 损耗衍射技术 的校正及确定指南I s ( BS 7 70 6 - 1 99 3，Gui de t O Ca l i br a t i o n a nd Se t t i ng - u p o f t he Ul t r a s o ni c Ti me o f Fl i gh t Di f f r a c t i o n (TOFD) Te c h n i q u e f o r De f e c t De t e c t i o n，Lo c a t i o n a n d S i z i n g o f F l a w s S ) 7 AS ME C o d e C a s e 2 2 3 5 9 ， 以超 声波 检测代 替射线 检 测