鈦及鈦合金材料焊接制承壓設(shè)備衍射時差法編寫說明

《鈦及鈦合金材料制設(shè)備焊接接頭衍射時差法超聲檢測方法》編制說明衍射時差法超聲檢測（以下簡稱“TOFD”）技術(shù)在西方發(fā)達(dá)國家已發(fā)展成為一項專門的無損檢測方法,廣泛應(yīng)用于鍋爐、壓力容器、壓力管道等工程中的金屬和非金屬檢測，在美國有關(guān)動力鍋爐與壓力容器制造的無損檢測要求方面，甚至出現(xiàn)替代射線檢測的趨勢。隨著TOFD技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的日益深入，西方發(fā)達(dá)國家均制訂了TOFD檢測標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)中對涉及TOFD檢測的各個環(huán)節(jié)均作了具體規(guī)定，有著較強(qiáng)的可操作性和科學(xué)性。為促進(jìn)我國TOFD技術(shù)在鈦合金材料焊接質(zhì)量控制領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和推廣應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)體系的完善，急需建立一項關(guān)于化工塑料焊接制承壓設(shè)備的TOFD檢測標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)還沒有鈦及鈦合金材料制承壓設(shè)備的TOFD檢測標(biāo)準(zhǔn)，已有針對碳鋼材質(zhì)對接焊縫的TOFD檢測行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如NB/T47013.10-2015《承壓設(shè)備無損檢測第10部分：衍射時差法超聲檢測》。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)項目計劃要求，成立了標(biāo)準(zhǔn)起草工作組，并由陜西省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院牽頭負(fù)責(zé)起草工作。標(biāo)準(zhǔn)起草工作組人員收集了國內(nèi)外資料，走訪了有關(guān)生產(chǎn)、使用、科研及設(shè)計單位，通過仿真研究和試驗(yàn)對標(biāo)準(zhǔn)中主要工藝參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，并在鈦合金材料設(shè)備上就行了現(xiàn)場檢測試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和編寫》的要求進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)編寫。進(jìn)行CIVA軟件TOFD檢測仿真研究；在實(shí)驗(yàn)室的條件下，對鈦合金材料焊縫進(jìn)行檢測試驗(yàn)研究，得到了2023年8月，標(biāo)準(zhǔn)起草工作組基本完成標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)試驗(yàn)研究工作，向陜西省市場監(jiān)督管理局標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會提交了標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿。我們的制定原則是積極參照采用國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，充分吸收國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，符合我國的實(shí)際情況，力求標(biāo)準(zhǔn)中的每一項條款都具有一定的科學(xué)性合理性。從收集的資料來看，目前國內(nèi)還沒有關(guān)于鈦合金材料焊接制承壓設(shè)備的TOFD檢測標(biāo)準(zhǔn)。能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015《承壓設(shè)備無損檢測》中僅適用于材料為低碳鋼和低合金鋼的焊接接頭的TOFD檢測。美國試驗(yàn)和材料學(xué)會（ASTM）于2004年頒布的ASTME2373《采用超聲波衍射時差法的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程》適用材料的范圍則包括了金屬和非金屬。本標(biāo)準(zhǔn)包括范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語和定義、一般要求、檢測工藝參數(shù)的選擇與設(shè)置、檢測、檢測數(shù)據(jù)分析、缺陷評定和質(zhì)量分級、檢測記錄和報告十個部分內(nèi)容和規(guī)范性附錄A和資料性附錄B。1.1本部分適用于同時具備下列條件的焊接接頭：a)材料為鈦及鈦合金；b)全焊透結(jié)構(gòu)形式的對接接頭；c)工件公稱厚度t:12mm≤t≤50mm（不包括焊縫余高，焊縫兩側(cè)母材公稱厚度不同時，取薄側(cè)公稱厚度值）。2、規(guī)范性引用文件本章列出了本標(biāo)準(zhǔn)條款中直接引用的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，包括：GB/T27664.1無損檢測超聲檢測設(shè)備的性能與檢驗(yàn)第1部分：儀器GB/T27664.2無損檢測超聲檢測設(shè)備的性能與檢驗(yàn)第2部分：探頭GB/T27664.3無損檢測超聲檢測設(shè)備的性能與檢驗(yàn)第3部分：組合設(shè)備GB/T5193鈦及鈦合金加工產(chǎn)品超聲檢驗(yàn)方法NB/T47013.3承壓設(shè)備無損檢測第3部分：超聲檢測NB/T47013.10承壓設(shè)備無損檢測第10部分：衍射時差法超聲檢測JB/T10062超聲探傷用探頭性能測試方法JB/T9214無損檢測A型脈沖反射式超聲檢測系統(tǒng)工作性能測試方法其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。3、術(shù)語和定義相關(guān)顯示指的是鈦合金材料焊接時可能產(chǎn)生的缺陷所產(chǎn)生的TOFD圖像顯示，這些缺陷包括夾雜、氣孔、裂紋、未焊透、未熔合和其它焊接缺陷。4、一般要求本章規(guī)定了鈦及鈦合金焊接制承壓設(shè)備衍射時差法超聲檢測人員、機(jī)構(gòu)、環(huán)境條件、檢測設(shè)備與器材、檢測技術(shù)等級、檢測工藝文件、檢測程序、溫度、安全要求等要求?；景凑杖?、機(jī)、料法、環(huán)的順序編排，通過一般要求將本部分各個要素有機(jī)地聯(lián)系起形成一個統(tǒng)一的整體。(1)人員及機(jī)構(gòu)強(qiáng)調(diào)了TOFD檢測的人員應(yīng)了解鈦及鈦合金的基本知識，熟知鈦及鈦合金焊接接頭工藝，熟悉鈦及鈦合金的聲學(xué)特性和待檢焊接接頭的類型，掌握鈦及鈦合金焊接接頭TOFD檢測方法；TOFD檢測機(jī)構(gòu)應(yīng)符合GB/T33488.1的規(guī)定。對環(huán)境條件的規(guī)定主要考慮無損檢測需在具體的場地和環(huán)境里實(shí)施，因此場地和環(huán)境條件對檢測實(shí)施和檢測質(zhì)量的影響不容忽視。針對檢測設(shè)備器材的性能以及鈦及鈦合金焊縫的檢測要求，場地和環(huán)境包括但不限于強(qiáng)磁、振動、灰塵和溫度及濕度，主要通過三個方面影響檢測質(zhì)量：一是影響檢測人員的身體和情緒乃至判斷力;二是影響檢測設(shè)備器材的性能;三是影響檢測實(shí)施的環(huán)境條件。(3)檢測設(shè)備與器材檢測設(shè)備一般指與儀器直接相連的整體，包括儀器、探頭、掃查裝置和相關(guān)附件，附件是實(shí)現(xiàn)TOFD檢測功能所需的其他物件；器材是指獨(dú)立于設(shè)備以外的部分，如試塊和耦合劑等。儀器和探頭需要提供產(chǎn)品質(zhì)量合格證和符合本部分要求的證明文件；明確了儀器和探頭的各項性能具體要求；明確了對比試塊的結(jié)構(gòu)、類型和數(shù)量。規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)試塊、對比試塊和模擬試塊的材質(zhì)要求、試塊尺寸和缺陷設(shè)置要求。(4)TOFD檢測技術(shù)等級本部分根據(jù)被檢對象安全重要程度不同以及工藝措施的復(fù)雜程度，將鈦及鈦合金接頭的TOFD檢測分為A、B、C三個檢測技術(shù)等級，分別從檢測面、掃查面盲區(qū)和底面盲區(qū)高度控制、是否采用模擬試塊驗(yàn)證工藝、掃查面和底面表面檢測要求等6個方面進(jìn)行了規(guī)定。其中，A級要求最低，C級要求最高。本部分還對盲區(qū)高度超標(biāo)時的補(bǔ)充檢測提供了具體建議；對因結(jié)構(gòu)的原因無法滿足相應(yīng)檢測技術(shù)等級的要求也作了規(guī)定。(5)檢測工藝文件檢測工藝文件分為工藝規(guī)程和操作指導(dǎo)書。本條明確工藝規(guī)程和操作指導(dǎo)書應(yīng)滿足相關(guān)因素的具體范圍或要求；本條還規(guī)定操作指導(dǎo)書在首次應(yīng)用前應(yīng)進(jìn)行工藝驗(yàn)證，驗(yàn)證方式為，當(dāng)檢測技術(shù)等級為A或B級時，可采用對比試塊進(jìn)行，若被檢工件壁厚不大于35mm且采用單通道檢測時，還可在被檢測工件上進(jìn)行；當(dāng)檢測技術(shù)等級為C級時，應(yīng)在模擬試塊上進(jìn)行驗(yàn)證。(6)檢測程序描述了無損檢測準(zhǔn)備、實(shí)施、報告的完整全過程，通過本條所述的各個環(huán)節(jié)將各個要素有機(jī)地聯(lián)系起來，形成一個統(tǒng)一的整體。鈦及鈦合金焊接接頭TOFD檢測，溫度對檢測用的耦合劑影響，系統(tǒng)設(shè)置和校準(zhǔn)時的溫度與實(shí)際檢測溫度之差會靈敏度，所以對溫度作出了規(guī)定；無論被檢工件的實(shí)際表面溫度是否在0℃~50℃范圍之內(nèi)，檢測系統(tǒng)設(shè)置和校準(zhǔn)時的溫度與實(shí)際檢測溫度之差均應(yīng)控制在20℃之內(nèi)。允許被檢工件的表面溫度范圍超出0℃~50℃范圍，但此時一般應(yīng)采用特殊探頭或耦合劑，且操作指導(dǎo)書工藝驗(yàn)證時采用的探頭耦合劑以及檢測溫度應(yīng)與被檢工件一致。5、檢測工藝參數(shù)的選擇與設(shè)置(1)檢測區(qū)域的確定正常焊接工藝的鈦合金焊接接頭，對其焊接接頭解剖從端面進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)實(shí)際熱影響區(qū)寬度基本上在10mm以下，綜合考慮到檢測可實(shí)施性和效率，將檢測區(qū)域的寬度為焊縫本身及焊縫熔合線兩側(cè)各10mm。(2)探頭選取和設(shè)置a.通過仿真試驗(yàn)?zāi)M表面開口缺陷與埋藏橫孔缺陷的檢出情況；采用TOFD分別對鈦合金材料制作不同厚度的三塊對比試塊進(jìn)行檢測，對以下缺陷進(jìn)行CIVA軟件TOFD檢測仿真：厚度試塊1徑為2mm，長度為20mm的橫孔——試塊228mm徑為2mm，長度為20mm的橫孔距離上表面14mm、直徑為2mm，長度為試塊350mm距離上表面10mm、直徑為2mm，長度為20mm的橫孔距離上表面30mm、直徑為2mm，長度為通過CIVA仿真確定了對于鈦合金材料的工件內(nèi)缺陷可以通過TOFD檢測出，仿真結(jié)果如下表所示：板厚距離上表面4mm、直徑橫孔刻槽，長8mm能發(fā)現(xiàn)，無法測量能發(fā)現(xiàn)并測量深度能發(fā)現(xiàn)并測量深度能發(fā)現(xiàn)并測量深度距離上表面7mm、直徑橫孔橫孔能發(fā)現(xiàn)，無法測量能發(fā)現(xiàn)并測量深度能發(fā)現(xiàn)并測量深度能發(fā)現(xiàn)并測量深度30mm距離上表面10mm、直徑橫孔距離上表面25mm、直徑橫孔未發(fā)現(xiàn)能發(fā)現(xiàn)并測量深度能發(fā)現(xiàn)并測量深度能發(fā)現(xiàn)但是不能測量深度b.通過CIVA仿真試驗(yàn)?zāi)M厚度50mm的不同埋藏橫孔缺陷的檢出情況；50mm厚的焊縫工件，內(nèi)部從上到下添加7個橫孔缺陷，序號橫孔直徑1mm(3mm)6mm20mm24mm35mm48mm通過仿真確定了對于塑料材料的工件內(nèi)橫孔缺陷可以通過TOFD分區(qū)檢測出，仿真結(jié)果如下表所示：的缺陷，近表面1mm的缺陷未法檢出；軟件將近表面缺陷深度調(diào)到3mm后，直通波有明顯變化，反推測得缺陷下沿深度為4.8mm，近表面缺陷可檢出。第二區(qū)：探頭直徑6mm，頻率5MHz，帶寬80%，PCS=170mm，角度45度，可以發(fā)現(xiàn)28mm-63mm深度的缺陷。第三區(qū)：探頭直徑12mm，頻率3.5MHz，帶寬80%，PCS=170mm，角度45度，可c.西安優(yōu)耐特容器制造有限公司在多個鈦合金材料設(shè)備焊接接頭施工過程中應(yīng)用TOFD檢測試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了結(jié)合仿真和試驗(yàn)結(jié)果以及被檢測對象的特點(diǎn)，參照NB/T47013.10-2015《承壓設(shè)備無損檢測第10部分：衍射時差法超聲檢測》，給出了鈦合金材料對接接頭的探頭推薦性選擇和設(shè)置。1>15～351>35～501(3)掃查面和掃査方式的選擇當(dāng)檢測技術(shù)等級為A或B級時，一般情況下宜選擇外表面作為掃查面，可使直接與介質(zhì)接觸的內(nèi)表面的表面盲區(qū)較小，操作上也更易實(shí)施；弧面和非平面對接接頭的掃查，應(yīng)考慮盲區(qū)高度的大小，例如對曲率半徑相對較小的縱縫檢測時，從內(nèi)壁檢測可降低掃查面和底面盲區(qū)高度：掃查面的選擇還應(yīng)考慮有足夠的操作實(shí)施空間，需檢查表面是否存在影響掃查裝置移動的接管或結(jié)構(gòu)件等；在實(shí)際檢測工作中應(yīng)綜合考慮上述因素，選擇最適宜的掃查面。當(dāng)檢測技術(shù)等級為C級時，應(yīng)進(jìn)行雙面檢測。(4)確定初始掃査面盲區(qū)高度和檢測方法確定初始掃查面盲區(qū)高度的目的是在編制操作指導(dǎo)書時，定量了解非平行掃查(探頭對中心與焊縫中心重合)的盲區(qū)大小，以選擇補(bǔ)充檢測的方式及考慮其覆蓋深度，進(jìn)而以確保滿足規(guī)定的檢測技術(shù)等級的要求。當(dāng)初始掃查面盲區(qū)高度大于2mm時，宜采用脈沖反射法進(jìn)行補(bǔ)充檢測。若選用脈沖反射法的爬波法，應(yīng)在工藝文件中明確爬波探頭的規(guī)格型號和布置方式，且應(yīng)在掃查面盲區(qū)高度試塊上至少對深度為2mm的側(cè)孔進(jìn)行工藝試驗(yàn)以驗(yàn)證其表面檢出能力。(5)確定初始底面盲區(qū)高度和檢測方式初始底面盲區(qū)高度按式（1）計算：（1）t——工件厚度；x——偏離焊縫中心線的距離（此處為底面檢測區(qū)域?qū)挾鹊囊话耄籹——探頭中心間距的一半。當(dāng)初始底面盲區(qū)高度大于1mm時，宜采用偏置非平行掃查。掃查步進(jìn)值設(shè)置得越低，掃查方向上的分辨力越高，但數(shù)據(jù)量也越大。考慮到工件厚度較大時，對缺陷的驗(yàn)收也相對較寬松，適當(dāng)提高掃查步進(jìn)值不至于影響檢測結(jié)果，同時可以避免數(shù)據(jù)過大。本條規(guī)定掃查步進(jìn)最(7)信號平均化處理當(dāng)隨機(jī)噪聲較大時，可以采用信號平均化處理提高信噪比，但過度平均化處理導(dǎo)致信號嚴(yán)重丟失，故本條規(guī)定一般情況下設(shè)定為1，最大平均化次數(shù)不大于16。本條規(guī)定當(dāng)工件厚度不大于35mm且采用單檢測通道時，可采用工件進(jìn)行時間窗口設(shè)置，同時將直通波與底面反射波時間間隔所反映的厚度校準(zhǔn)為已知的工件厚度值；也可采用對比試塊進(jìn)行時間窗口設(shè)置和深度校準(zhǔn)，但檢測前需要按要求調(diào)節(jié)。當(dāng)在厚度方向分區(qū)檢測時，應(yīng)采用規(guī)定的對比試塊設(shè)置各檢測通道的A掃描時間窗口并進(jìn)行深度校準(zhǔn)，A掃描時間窗口至少應(yīng)包含所需檢測的深度范圍，應(yīng)根據(jù)已知的對比試塊內(nèi)的各側(cè)孔實(shí)際深度校準(zhǔn)檢測設(shè)備的深度顯示。關(guān)于分區(qū)覆蓋向上覆蓋，主要考慮掃查面盲區(qū)問題，如果向下覆蓋，最上分區(qū)必然需覆蓋較大范圍，從而需增大PCS,將導(dǎo)致初始掃查面盲區(qū)擴(kuò)大，不利于TOFD檢測;如向上覆蓋，最上分區(qū)需要覆蓋的范圍較小，初始掃查面盲區(qū)也較小。實(shí)踐中，在保證掃查的情況下一般使最上分區(qū)的探頭對PCS盡量小，檢測效果更佳。6、檢測鈦合金焊接接頭表面影響掃查路徑，圖譜造成非相關(guān)顯示；鈦合金焊接接頭表面應(yīng)經(jīng)外觀檢測合格。探頭移動區(qū)表面應(yīng)平整、干凈無毛刺，便于探頭的掃查，表面粗糙度Ra≤12.5μm。但如果焊縫表面有成型不良缺陷如較大的隆起和凹陷等應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男弈?，并作圓滑過渡以免影響檢測結(jié)果的評定；要求去除余高的焊縫，應(yīng)將余高打磨到與鄰近母材平齊。當(dāng)掃查方式為平行掃查時，一般應(yīng)要求去除余高。檢測前應(yīng)在被檢工件掃查面上予以標(biāo)記，標(biāo)記內(nèi)容至少包括掃查起始點(diǎn)和掃查方向，同時推薦在母材上距焊縫中心線規(guī)定的距離處畫出一條線，作為掃查裝置運(yùn)動的參考。(2)掃查規(guī)定每次數(shù)據(jù)采集長度不應(yīng)超過2000mm。主要是考慮到若掃查長度太長時，當(dāng)遇到耦合不好或數(shù)據(jù)丟失，因重新采集數(shù)據(jù)很麻煩，會導(dǎo)致某些檢測人員采用局部回退方式補(bǔ)救而不是重新掃查，有時會產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失:另外，某些檢測儀器顯示的焊縫TOFD圖像會自動壓縮，不利于判斷檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量。7、檢測數(shù)據(jù)分析(1)檢測數(shù)據(jù)的有效性評價TOFD檢測中比較常見的圖像質(zhì)量不合格現(xiàn)象主要有兩個問題，一是A掃時間窗口設(shè)置應(yīng)符合本部分10.10要求；二是指直通波、底面反射波無明品非缺陷引起的突變且較為平直。這兩個問題尤其是后者，對數(shù)據(jù)判讀有較大影響，本條還規(guī)定了，相鄰A掃描信號連續(xù)丟失長度不超過掃查步進(jìn)最大值的兩倍；缺陷部位的A掃描信號丟失不得影響缺陷的評定。(2)相關(guān)顯示和非相關(guān)顯示TOFD檢測圖像會采集超聲波通過區(qū)域的所有信息，它是一個綜合的反映，包括相關(guān)顯示和非相關(guān)顯示。相關(guān)顯示是由缺陷引起的顯示，這是我們關(guān)注的重點(diǎn)。從顯示大類來分，相關(guān)顯示分為表面開口型缺陷顯示和埋藏型缺陷顯示。相關(guān)顯示包含的具體缺陷有：夾渣、氣孔、裂縫、未焊透、未熔合和其它焊接缺陷。由于TOFD技術(shù)的本身特點(diǎn)，目前要對具體缺陷性質(zhì)進(jìn)行判定存在較大難度，但是可以從缺陷引起的顯示大類進(jìn)行數(shù)據(jù)判讀和評級，這也是國內(nèi)外TOFD檢測標(biāo)準(zhǔn)通行的做法。對開口型缺陷顯示和埋藏型缺陷顯示分別進(jìn)行了細(xì)分，并對相關(guān)顯示和非相關(guān)顯示的記錄和測定進(jìn)行了規(guī)定。(3)缺陷的位置及缺陷長度測定、缺陷深度測定、缺陷自身高度測定、缺陷偏離焊縫中心線位置的測定的規(guī)定基本上參照NB/T47013.10-2015《承壓設(shè)備無損檢測第10部分：衍射時差法超聲檢測》8、缺陷評定和質(zhì)量分級從安全性角度考慮，裂縫缺陷以及未熔合、未焊透等危害性缺陷是不允許的，均評為Ⅲ級。對實(shí)際可能存在的相鄰兩個或多個缺陷顯示（非點(diǎn)狀)、點(diǎn)狀顯示、密集型點(diǎn)狀顯示和非點(diǎn)狀缺陷顯示等不同類型的缺陷顯示分別進(jìn)行評定和質(zhì)