鋁制承壓設(shè)備焊縫的TOFD檢測

在鋁制承壓設(shè)備的無損檢測方法中，能夠檢測焊縫內(nèi)部缺陷的方法主要有射線檢測和超聲檢測。射線檢測有較多優(yōu)點，能較為直觀地表現(xiàn)出缺陷的形狀和尺寸，便于對缺陷進行定性定量研究，但是射線檢測也有一定的局限性，檢測效率較低，同時只宜檢測體積型缺陷，難以檢測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，射線檢測過程中產(chǎn)生的射線對人體有害，需要采取防護措施，生產(chǎn)膠片需要耗費銀和石油資源，長期檢測產(chǎn)生大量的底片，需要占用場地保存，暗室處理使用的化學(xué)藥水會污染環(huán)境等，這些缺點都影響著射線檢測技術(shù)的發(fā)展。與射線檢測相比，超聲檢測具有面積型缺陷檢出率高、檢測速度快、成本低、使用安全、儀器體積小、重量輕、使用方便、適宜檢測厚壁焊縫等優(yōu)點。超聲檢測通過觀察脈沖回波來獲得缺陷信息，缺陷位置根據(jù)回波的位置來確定，其在缺陷定性方面存在一定的困難。在定量方面，缺陷的當量尺寸及指示長度與實際缺陷尺寸誤差較大，因為影響波高的因素較多，所以容易夸大良性缺陷的危害，且無直接檢測記錄。鑒于射線檢測和超聲檢測的缺點，鋁制承壓設(shè)備需要一種更合適的無損檢測技術(shù)。超聲波衍射時差法(TOFD)是近年來興起的一種無損檢測技術(shù)，其檢測結(jié)果可以記錄保留，已在鋼制承壓設(shè)備焊接接頭的無損檢測中得到較多的應(yīng)用。但目前國內(nèi)缺少鋁制承壓設(shè)備焊接接頭TOFD檢測的實際應(yīng)用案例，且尚無關(guān)于TOFD技術(shù)在鋁制承壓設(shè)備應(yīng)用中的相關(guān)國家標準和行業(yè)標準，因此，浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院、浙江省特種設(shè)備安全檢測技術(shù)研究重點實驗室和浙江智海化工設(shè)備工程有限公司的檢測人員對不同厚度并且含有多種焊接缺陷的模擬試板進行TOFD檢測，將檢測結(jié)果與射線檢測的結(jié)果相比較，以驗證該技術(shù)用于鋁制焊接接頭檢測的可靠性。在實際檢測過程中，部分壓力容器由于內(nèi)件遮擋或因結(jié)構(gòu)原因無法實施100%射線檢測。如果能夠使用TOFD技術(shù)進行檢測，則可以確保焊縫得到100%檢測。另外，相比于射線檢測，TOFD技術(shù)可以與制造過程中的焊接等其他工序同步進行，無需人員的避讓和夜間作業(yè)，可以大大減少產(chǎn)品制造過程中的停工期。鋁制承壓設(shè)備焊縫特點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)；當熔池凝固時，體積收縮率較大，易產(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂紋等缺陷，同時焊件的應(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)時能溶解大量的氫，固態(tài)時幾乎不溶解氫，液態(tài)和固態(tài)下的氫溶量相差近20倍，鋁的低熔點和良好的導(dǎo)熱性導(dǎo)致焊接熔池的凝固時間短，氫來不及溢出，極易形成氫氣孔。檢測人員針對鋁合金焊接過程中產(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)性能符合標準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)成分符合標準GB/T3190-2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》，焊材質(zhì)量符合標準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焊(GTAW)，保護氣體為氬氣，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焊(GMAW)，保護氣體為氬氣，焊縫寬度為30mm(包括熱影響區(qū))。模擬試板外觀如圖1所示，紅色箭頭所指方向為試驗過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)試塊及聲速測量為確定應(yīng)用TOFD技術(shù)檢測鋁合金焊縫時的盲區(qū)高度，制作了200mm×200mm×19mm(長×寬×厚)的鋁合金盲區(qū)試塊，標記A，B，C，D共4個側(cè)面，每個側(cè)面均有2個側(cè)孔，每個側(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)試塊無孔洞處進行縱波聲速測量，測量結(jié)果如圖3所示。試板厚度測量結(jié)果為19mm，與實際一致；聲速測量結(jié)果為6365m/s，與理論值6320m/s相差45m/s，誤差率僅為0.71%。圖3鋁合金聲速測量結(jié)果2上表面盲區(qū)經(jīng)過計算和試驗對比，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，探頭間距為36.6mm。由于探頭的前沿長度為14mm，焊縫寬度為10mm，為保證掃查時楔塊不接觸到焊縫，探頭間距設(shè)置為43mm，此時聚焦深度為7.82mm。試驗測得該探頭直通波覆蓋厚度為4.5mm，見圖4(a)，可檢測最小深度為2.1mm，見圖4(b)，比實際側(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。試驗測得該探頭直通波的覆蓋厚度為8.4mm，見圖4(c)，可檢測最小深度為3.2mm，見圖4(d)，比實際側(cè)孔深度深0.2mm。由于上表面盲區(qū)不可避免，檢測時可對焊縫進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，底面偏離檢測區(qū)域的缺陷的檢測信號到達接收探頭的時間在底波之后，因而被底波淹沒不能檢出。按TOFD檢測一收一發(fā)的方式布置探頭，超聲波衍射信號傳輸時間相等的位置構(gòu)成一個橢圓軌跡。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傳輸時間相等的衍射點的位置(圖中發(fā)射探頭與接收探頭對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，則缺陷信號出現(xiàn)在底波之后，無法檢出。此外還需說明，橢圓軌跡上超聲衍射信號傳輸時間相等的特性除了會導(dǎo)致軸偏離底面盲區(qū)的存在外，還會導(dǎo)致深度測量出現(xiàn)誤差。圖5軸偏離底面盲區(qū)示意該盲區(qū)的重要特點是其高度與距兩探頭中心線的相對距離x(即軸偏離值)有關(guān)，由圖5可知，距中心線越遠，盲區(qū)高度就越大。在檢測焊縫時，檢測區(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時的軸偏離底面盲區(qū)高度Δh可按下式計算：厚度為10mm的試板檢測范圍的邊界距離焊縫中心5mm，此時按式(1)計算得Δh為0.23mm，標準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》要求Δh小于1mm，因此無需進行偏置非平行掃查。厚度為30mm的試板檢測范圍的邊界距離焊縫中心15mm，此時按式(1)計算得Δh為1.65mm，因此需要進行偏置非平行掃查。由于焊縫有余高，探頭最多只能接近焊縫邊緣，此時偏置量最多為5mm，計算得Δh為0.72mm，符合標準要求。依據(jù)探頭在鋁合金中的縱波聲速和上下表面盲區(qū)的測量結(jié)果，通過計算和試驗對比，對于不同厚度的試板，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檢測范圍信號周期數(shù)：10.5個工件厚度：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檢測范圍信號周期數(shù)：17.7個兩種檢測方法結(jié)果對比1厚度為10mm的試板檢測結(jié)果分別用射線檢測技術(shù)和TOFD檢測技術(shù)對厚度為10mm的模擬缺陷試板進行檢測，掃查方式均為非平行掃查。不同缺陷類型的射線檢測底片與TOFD檢測圖譜如圖6~11所示，總計14個缺陷，圖譜只展現(xiàn)直通波至底波區(qū)域。其中序號為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顯示射線檢測可以判斷缺陷的性質(zhì)和長度，圖6~11中的14個缺陷包含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檢測可以得到缺陷的長度、深度和自身高度。RT(射線檢測)與TOFD檢測結(jié)果的對比如下表所示(表中單個氣孔以點為單位統(tǒng)計)，可知射線檢測得到的缺陷長度與TOFD檢測得到的缺陷長度基本一致。2厚度為30mm的試板檢測結(jié)果分別用射線檢測技術(shù)和TOFD檢測技術(shù)對厚度為30mm的模擬缺陷試板進行檢測，掃查方式均為非平行掃查。射線底片與TOFD檢測圖譜如圖12~16所示，總計16個缺陷。TOFD圖譜只展現(xiàn)直通波至底波的區(qū)域。其中序號為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)，說明對于相同的焊縫，TOFD檢出率要高于射線檢測。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檢測結(jié)果的對比如下表所示，可知對于自身高度較高的缺陷，射線檢測得到的缺陷長度與TOFD檢測得到缺陷長度基本一致。但是對于自身高度較小的