鋁制承壓設(shè)備焊縫的TOFD檢測(cè)

在鋁制承壓設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)方法中，能夠檢測(cè)焊縫內(nèi)部缺陷的方法主要有射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)。射線檢測(cè)有較多優(yōu)點(diǎn)，能較為直觀地表現(xiàn)出缺陷的形狀和尺寸，便于對(duì)缺陷進(jìn)行定性定量研究，但是射線檢測(cè)也有一定的局限性，檢測(cè)效率較低，同時(shí)只宜檢測(cè)體積型缺陷，難以檢測(cè)間隙很小的裂紋和未熔合缺陷，以及工件內(nèi)部的分層性缺陷。此外，射線檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的射線對(duì)人體有害，需要采取防護(hù)措施，生產(chǎn)膠片需要耗費(fèi)銀和石油資源，長(zhǎng)期檢測(cè)產(chǎn)生大量的底片，需要占用場(chǎng)地保存，暗室處理使用的化學(xué)藥水會(huì)污染環(huán)境等，這些缺點(diǎn)都影響著射線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。與射線檢測(cè)相比，超聲檢測(cè)具有面積型缺陷檢出率高、檢測(cè)速度快、成本低、使用安全、儀器體積小、重量輕、使用方便、適宜檢測(cè)厚壁焊縫等優(yōu)點(diǎn)。超聲檢測(cè)通過(guò)觀察脈沖回波來(lái)獲得缺陷信息，缺陷位置根據(jù)回波的位置來(lái)確定，其在缺陷定性方面存在一定的困難。在定量方面，缺陷的當(dāng)量尺寸及指示長(zhǎng)度與實(shí)際缺陷尺寸誤差較大，因?yàn)橛绊懖ǜ叩囊蛩剌^多，所以容易夸大良性缺陷的危害，且無(wú)直接檢測(cè)記錄。鑒于射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)的缺點(diǎn)，鋁制承壓設(shè)備需要一種更合適的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。超聲波衍射時(shí)差法(TOFD)是近年來(lái)興起的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其檢測(cè)結(jié)果可以記錄保留，已在鋼制承壓設(shè)備焊接接頭的無(wú)損檢測(cè)中得到較多的應(yīng)用。但目前國(guó)內(nèi)缺少鋁制承壓設(shè)備焊接接頭TOFD檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用案例，且尚無(wú)關(guān)于TOFD技術(shù)在鋁制承壓設(shè)備應(yīng)用中的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此，浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院、浙江省特種設(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和浙江智?；ぴO(shè)備工程有限公司的檢測(cè)人員對(duì)不同厚度并且含有多種焊接缺陷的模擬試板進(jìn)行TOFD檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果與射線檢測(cè)的結(jié)果相比較，以驗(yàn)證該技術(shù)用于鋁制焊接接頭檢測(cè)的可靠性。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，部分壓力容器由于內(nèi)件遮擋或因結(jié)構(gòu)原因無(wú)法實(shí)施100%射線檢測(cè)。如果能夠使用TOFD技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，則可以確保焊縫得到100%檢測(cè)。另外，相比于射線檢測(cè)，TOFD技術(shù)可以與制造過(guò)程中的焊接等其他工序同步進(jìn)行，無(wú)需人員的避讓和夜間作業(yè)，可以大大減少產(chǎn)品制造過(guò)程中的停工期。鋁制承壓設(shè)備焊縫特點(diǎn)及模擬缺陷鋁合金的表面容易氧化，產(chǎn)生阻礙焊接的氧化膜，由于表面氧化膜的存在，一方面會(huì)妨礙母材熔化和熔合，易造成夾渣、未熔合、未焊透等缺陷；另一方面會(huì)吸水分，易使焊縫出現(xiàn)氣孔。鋁及其合金的熱導(dǎo)率和比熱容均約為碳鋼和低合金鋼的兩倍多，是奧氏體不銹鋼的十幾倍。在焊接過(guò)程中，大量的熱量被迅速傳導(dǎo)到基體金屬內(nèi)部，形成較大的焊接熱影響區(qū)；當(dāng)熔池凝固時(shí)，體積收縮率較大，易產(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂紋等缺陷，同時(shí)焊件的應(yīng)力和變形相應(yīng)增加，直接影響焊接質(zhì)量。此外，鋁在液態(tài)時(shí)能溶解大量的氫，固態(tài)時(shí)幾乎不溶解氫，液態(tài)和固態(tài)下的氫溶量相差近20倍，鋁的低熔點(diǎn)和良好的導(dǎo)熱性導(dǎo)致焊接熔池的凝固時(shí)間短，氫來(lái)不及溢出，極易形成氫氣孔。檢測(cè)人員針對(duì)鋁合金焊接過(guò)程中產(chǎn)生的主要缺陷類型制作了含有不同模擬缺陷的試板。試板母材采用5083-H112鋁鎂合金，焊材采用牌號(hào)為ER5183的鋁鎂焊絲，試板厚度分別為10mm和30mm。母材力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T3880.1-2012《一般工業(yè)用鋁及鋁合金板、帶材第一部分：一般要求》，化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T3190-2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》，焊材質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T10858-2008《鋁及鋁合金焊絲》。厚度為10mm的試板的焊接方法采用鎢極氣體保護(hù)焊(GTAW)，保護(hù)氣體為氬氣，焊縫寬度為10mm(包括熱影響區(qū))；厚度為30mm的試板的打底層焊接方法采用GTAW，覆蓋層采用熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)，保護(hù)氣體為氬氣，焊縫寬度為30mm(包括熱影響區(qū))。模擬試板外觀如圖1所示，紅色箭頭所指方向?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程中探頭的掃查方向。圖1模擬試板外觀表面盲區(qū)及鋁合金聲速1盲區(qū)試塊及聲速測(cè)量為確定應(yīng)用TOFD技術(shù)檢測(cè)鋁合金焊縫時(shí)的盲區(qū)高度，制作了200mm×200mm×19mm(長(zhǎng)×寬×厚)的鋁合金盲區(qū)試塊，標(biāo)記A，B，C，D共4個(gè)側(cè)面，每個(gè)側(cè)面均有2個(gè)側(cè)孔，每個(gè)側(cè)孔直徑均為2mm。A面?zhèn)瓤?的埋藏深度為1mm(深度規(guī)定為側(cè)孔的上沿距離上表面的距離)，側(cè)孔2埋藏深度為5mm。同理，B面?zhèn)瓤?埋深為4mm，側(cè)孔2埋深為8mm；C面?zhèn)瓤?埋深為3mm，側(cè)孔2埋深為7mm；D面?zhèn)瓤?埋深為2mm，側(cè)孔2埋深為6mm。盲區(qū)試塊及四個(gè)側(cè)面的側(cè)孔分布如圖2所示。圖2盲區(qū)試塊及其4個(gè)側(cè)面的側(cè)孔分布使用HS700數(shù)字式超聲波探傷儀及直探頭，在盲區(qū)試塊無(wú)孔洞處進(jìn)行縱波聲速測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖3所示。試板厚度測(cè)量結(jié)果為19mm，與實(shí)際一致；聲速測(cè)量結(jié)果為6365m/s，與理論值6320m/s相差45m/s，誤差率僅為0.71%。圖3鋁合金聲速測(cè)量結(jié)果2上表面盲區(qū)經(jīng)過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)對(duì)比，厚度為10mm的試板宜采用頻率為15MHz，直徑為3mm的探頭，主聲速角度為70°的楔塊。聚焦深度為2t/3(t為試塊的厚度)時(shí)，探頭間距為36.6mm。由于探頭的前沿長(zhǎng)度為14mm，焊縫寬度為10mm，為保證掃查時(shí)楔塊不接觸到焊縫，探頭間距設(shè)置為43mm，此時(shí)聚焦深度為7.82mm。試驗(yàn)測(cè)得該探頭直通波覆蓋厚度為4.5mm，見圖4(a)，可檢測(cè)最小深度為2.1mm，見圖4(b)，比實(shí)際側(cè)孔深度深0.1mm。厚度為30mm的試板宜采用頻率為5MHz，直徑為6mm的探頭，主聲速角度為60°的楔塊，聚焦深度為2t/3，探頭間距為69.3mm。試驗(yàn)測(cè)得該探頭直通波的覆蓋厚度為8.4mm，見圖4(c)，可檢測(cè)最小深度為3.2mm，見圖4(d)，比實(shí)際側(cè)孔深度深0.2mm。由于上表面盲區(qū)不可避免，檢測(cè)時(shí)可對(duì)焊縫進(jìn)行雙面掃查以覆蓋上表面盲區(qū)。圖4探頭上表面盲區(qū)高度測(cè)量結(jié)果3下表面盲區(qū)下表面盲區(qū)主要指軸偏離底面盲區(qū)。由于焊縫具有一定的寬度，底面偏離檢測(cè)區(qū)域的缺陷的檢測(cè)信號(hào)到達(dá)接收探頭的時(shí)間在底波之后，因而被底波淹沒(méi)不能檢出。按TOFD檢測(cè)一收一發(fā)的方式布置探頭，超聲波衍射信號(hào)傳輸時(shí)間相等的位置構(gòu)成一個(gè)橢圓軌跡。軸偏離底面盲區(qū)如圖5所示，圖5中的橢圓軌跡為與底波信號(hào)傳輸時(shí)間相等的衍射點(diǎn)的位置(圖中發(fā)射探頭與接收探頭對(duì)稱于焊縫中心線布置，S為探頭至焊縫中心線的距離，H為工件厚度)，如果缺陷在橢圓以外的區(qū)域，則缺陷信號(hào)出現(xiàn)在底波之后，無(wú)法檢出。此外還需說(shuō)明，橢圓軌跡上超聲衍射信號(hào)傳輸時(shí)間相等的特性除了會(huì)導(dǎo)致軸偏離底面盲區(qū)的存在外，還會(huì)導(dǎo)致深度測(cè)量出現(xiàn)誤差。圖5軸偏離底面盲區(qū)示意該盲區(qū)的重要特點(diǎn)是其高度與距兩探頭中心線的相對(duì)距離x(即軸偏離值)有關(guān)，由圖5可知，距中心線越遠(yuǎn)，盲區(qū)高度就越大。在檢測(cè)焊縫時(shí)，檢測(cè)區(qū)域的最大軸偏離值是熱影響區(qū)至焊縫中心的距離。軸偏離值為x時(shí)的軸偏離底面盲區(qū)高度Δh可按下式計(jì)算：厚度為10mm的試板檢測(cè)范圍的邊界距離焊縫中心5mm，此時(shí)按式(1)計(jì)算得Δh為0.23mm，標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013.10-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》要求Δh小于1mm，因此無(wú)需進(jìn)行偏置非平行掃查。厚度為30mm的試板檢測(cè)范圍的邊界距離焊縫中心15mm，此時(shí)按式(1)計(jì)算得Δh為1.65mm，因此需要進(jìn)行偏置非平行掃查。由于焊縫有余高，探頭最多只能接近焊縫邊緣，此時(shí)偏置量最多為5mm，計(jì)算得Δh為0.72mm，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。依據(jù)探頭在鋁合金中的縱波聲速和上下表面盲區(qū)的測(cè)量結(jié)果，通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)對(duì)比，對(duì)于不同厚度的試板，探頭楔塊參數(shù)的選擇如下：工件厚度：10mm聚焦深度：7.82mm探頭頻率：15MHz晶片直徑：3mm鋁中的縱波折射角：70°鋁中的縱波速度：6365m/s探頭間距：43.0mm檢測(cè)范圍信號(hào)周期數(shù)：10.5個(gè)工件厚度：30mm聚焦深度：20.00mm探頭頻率：5MHz晶片直徑：6mm鋁中的縱波折射角：60°鋁中的縱波速度：6365m/s探頭間距：69.3mm檢測(cè)范圍信號(hào)周期數(shù)：17.7個(gè)兩種檢測(cè)方法結(jié)果對(duì)比1厚度為10mm的試板檢測(cè)結(jié)果分別用射線檢測(cè)技術(shù)和TOFD檢測(cè)技術(shù)對(duì)厚度為10mm的模擬缺陷試板進(jìn)行檢測(cè)，掃查方式均為非平行掃查。不同缺陷類型的射線檢測(cè)底片與TOFD檢測(cè)圖譜如圖6~11所示，總計(jì)14個(gè)缺陷，圖譜只展現(xiàn)直通波至底波區(qū)域。其中序號(hào)為5，6和12的缺陷由于底片模糊，故放大顯示。圖6密集氣孔和單個(gè)氣孔缺陷底片及TOFD顯示圖7氣孔和夾鎢缺陷底片及TOFD顯示圖8未熔合和條形缺陷底片及TOFD顯示圖9未焊透缺陷底片及TOFD顯示圖10裂紋缺陷底片及TOFD顯示圖11氣孔、條形缺陷和未熔合缺陷底片及TOFD顯示射線檢測(cè)可以判斷缺陷的性質(zhì)和長(zhǎng)度，圖6~11中的14個(gè)缺陷包含1處密集氣孔、3處氣孔、1處夾鎢、2處條形、2處未熔合、3處未焊透、2處裂紋。TOFD檢測(cè)可以得到缺陷的長(zhǎng)度、深度和自身高度。RT(射線檢測(cè))與TOFD檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比如下表所示(表中單個(gè)氣孔以點(diǎn)為單位統(tǒng)計(jì))，可知射線檢測(cè)得到的缺陷長(zhǎng)度與TOFD檢測(cè)得到的缺陷長(zhǎng)度基本一致。2厚度為30mm的試板檢測(cè)結(jié)果分別用射線檢測(cè)技術(shù)和TOFD檢測(cè)技術(shù)對(duì)厚度為30mm的模擬缺陷試板進(jìn)行檢測(cè)，掃查方式均為非平行掃查。射線底片與TOFD檢測(cè)圖譜如圖12~16所示，總計(jì)16個(gè)缺陷。TOFD圖譜只展現(xiàn)直通波至底波的區(qū)域。其中序號(hào)為9的缺陷由于底片模糊，故放大顯示。TOFD圖譜中的部分缺陷在底片中并未得到體現(xiàn)，說(shuō)明對(duì)于相同的焊縫，TOFD檢出率要高于射線檢測(cè)。圖12密集氣孔、未熔合和密集夾鎢缺陷底片及TOFD顯示圖13未熔合和密集夾鎢缺陷底片及TOFD顯示圖14夾鎢、未熔合和未焊透缺陷底片及TOFD顯示圖15條形缺陷和氣孔缺陷底片及TOFD顯示圖16裂紋和夾鎢缺陷底片及TOFD顯示圖12~16中的16個(gè)缺陷包含1處密集氣孔、2處氣孔、3處密集夾鎢、1處夾鎢、2處條形、5處未熔合、1處未焊透、1處裂紋。RT與TOFD檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比如下表所示，可知對(duì)于自身高度較高的缺陷，射線檢測(cè)得到的缺陷長(zhǎng)度與TOFD檢測(cè)得到缺陷長(zhǎng)度基本一致。但是對(duì)于自身高度較小的