焊接是采用加熱、加壓或二者并用的方式實現材料結合的一種加工工藝。焊接接頭聯接方式廣泛應用于承壓類特種設備中。因此，焊接接頭的質量控制對于承壓類特種設備的安全運行有著十分重要的作用。
焊接接頭的形式多種多樣，常見的有對接接頭、角接接頭等。對接接頭中按兩側母材厚度是否相等可分為等厚度對接和不等厚度對接；按橫截面投影是否在同一平面內可分為平面對接接頭和非平面對接接頭。
目前，TOFD檢測技術已發展成熟，并在工程檢測中廣泛應用。在標準NB/T 47013.10—2015《承壓設備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測》附錄A中提及了母材不等厚對接接頭的檢測工藝。
通過借鑒，將此工藝應用于母材既為不等厚，且夾角為優角的特殊結構中。公稱厚度不相等的錐體與筒體組對焊接的結構就是此類特殊結構的焊接接頭。
編制此類焊縫的TOFD檢測工藝，在選擇探頭、楔塊和設置探頭中心間距值時必須考慮兩側母材存在的角度。由于兩個探頭放置在不同水平平面上，焊縫中心線與實際的探頭連線中心（PCS）不再重合，因此儀器顯示的缺陷深度與理論深度也存在一定的誤差，需要通過計算來修正顯示信號的理論深度和高度。
待檢焊縫
待檢件為某高壓吸收塔（焊縫需檢），該塔的設計壓力為1.85 MPa，設計溫度為250 ℃，設計制造檢驗規范有TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》、GB 150.1~150.4—2011《壓力容器》、NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》。
需進行TOFD檢測的筒體與錐體對接焊縫編號為B10，焊縫類別為Ⅲ類容器環焊縫，內徑8700 mm，公稱厚度為68 mm（筒體）/76 mm（錐體），材料為SA516 70，X型坡口，采用手工電弧焊（SMAW）+埋弧焊（SAW），焊縫寬度為30 mm（外）/35 mm（內），檢測依據NB/T 47013.10—2015 B級，驗收依據NB/T 47013.10—2015 Ⅱ級。B10焊縫坡口及裝配示意如圖1所示。
圖1 坡口裝配示意
檢測方法
TOFD根據發射和接收聲波的時間差來計算缺陷深度，檢測時一般將兩個探頭對稱放置于焊縫的兩側，如圖2所示，直通波、聲程、缺陷深度形成一個直角三角形，根據勾股定理，可計算出深度為：
式中：d為缺陷距離平板上表面的深度；S為發射探頭發出射聲波到缺陷的上尖端，再到接收探頭的聲程；PCS為發射探頭與接收探頭入射點的直線距離。
圖2 TOFD成像原理示意
各標準對缺陷自身高度的定義各不相同，根據NB/T 47013.10—2015的定義：沿掃查方向的某位置，在厚度方向投影間距的最大值為缺陷的自身高度。
檢測設備、器材及試塊
在此次檢測過程中，使用的檢測儀器包括TOFD儀器及分析軟件、數字式超聲波探傷儀，試塊包括NB/T 47013.3—2015中提出的IA，IIA試塊，以及針對該項目制作的對比與模擬二合一試塊，如圖3所示。
圖3 TOFD對比與模擬二合一試塊實物
設計的對比與模擬二合一試塊原材料來源于該產品的板材余料，示意圖如圖4所示。
圖4 試塊側孔位置示意
試塊包括兩部分，第一部分為側面4個橫孔H1~H4，側孔具體的尺寸信息如表1所示，可用作校準試塊。
表1 試塊側孔尺寸信息（mm）
第二部分為預埋在焊縫表面與焊縫中心的缺陷F1~F7，位置示意如圖5所示，缺陷F1是上表面的槽，用于模擬上表面開口缺陷；缺陷F4位于下表面焊縫中心，模擬下表面開口缺陷；缺陷F2，F6，F7分別位于第一分區焊縫左右兩邊坡口位置處，用來模擬第一分區中坡口未熔合危害性缺陷；缺陷F3，F5分別位于第二分區焊縫左右兩邊坡口位置處，用來模擬第二分區中坡口未熔合危害性缺陷。
圖5 試塊模擬焊縫缺陷位置示意
該模擬試塊符合NB/T 47013.10—2015的要求。具體模擬缺陷的位置、自身高度、長度、深度以及其加工方法如表2所示。
表2 試塊模擬焊縫缺陷信息
檢測工藝
探頭的選擇
根據標準NB/T 47013.10—2015，工件的公稱厚度大于50 mm時，推薦使用兩組探頭，需要將工件的厚度進行分區。第一分區為0~2/5T，采用頻率為5~7.5 MHz，直徑為3~6 mm的探頭，角度為60°~70°的楔塊。第二分區為2/5T~T，采用頻率為3~5 MHz，晶片直徑為6~12 mm的探頭，角度為45°~60°的楔塊。結合非平面結構和標準推薦的TOFD檢測工藝參數，此焊縫TOFD檢測使用的探頭頻率、晶片尺寸、楔塊角度等工藝參數如表3所示。
表3 模擬焊縫TOFD檢測關鍵工藝參數
探頭中心距離的計算
工藝計算幾何關系示意如圖6所示。根據計算第一分區深度為0~30 mm，聚焦點取深度為20 mm的位置，根據三角關系得知，a為54.9 mm，b為56.5 mm，第一組實際PCS值為111 mm。第二分區深度為30~68 mm，聚焦點取深度為56 mm的位置，第二分區與第一分區PCS計算過程相同，可以得到c為97 mm，d為104.6 mm，其中b與d為探頭的中心點到焊縫中心距離在水平方向的投影距離。第二組實際PCS值為202 mm。
圖6 工藝計算幾何關系示意
聲場的計算及厚度方向覆蓋驗證
在TOFD檢測中，不同區域的信號強度是不同的，在選擇探頭、探頭中心間距及掃查次數時必須保證超聲波能夠覆蓋檢測區域并有足夠的能量。由于產品結構較為特殊，通過實測探頭-12 dB擴散角和結合設置的探頭中心間距，在深度方向和寬度方向進行覆蓋驗證。
根據標準NB/T 47013.10—2015實測得到-12 dB擴散角，如表4所示。
檢測區域覆蓋驗證的結果：根據表4的實測數值，用CAD按實際尺寸1∶1繪圖（見圖7）可得第一組探頭擴散角覆蓋深度為0~39 mm，第二組探頭擴散角覆蓋深度為19~68 mm，保證了整個焊縫厚度的覆蓋，并能滿足第二分區可以覆蓋第一分區的1/4的要求；檢測區域寬度錐體側不能完全覆蓋熱影響區10 mm，通過偏置20 mm補充掃描，檢測區域寬度滿足NB/T 47013.10—2015的要求。
表4 所用探頭-12 dB擴散角實測結果
圖7 按-12 dB擴散角計算深度覆蓋示意
深度的修正
由于產品的焊縫結構特殊，探頭不能對稱放置于焊縫兩側，需要對深度進行修正，以便更加準確地確認缺陷的深度位置。為了方便深度修正計算，在儀器內部設置時需要引入虛擬角度。因此在儀器內部設置第一組錐體上楔塊角度為74°，筒體上楔角度為70°，儀器PCS為111 mm；第二組錐體上楔塊角度為69°，筒體上楔角度為60°，PCS為202 mm；并以筒體側上表面為深度基準使用以下公式對缺陷深度進行修正。
第一分區的深度可由以下公式修正：
式中：H1為第一分區范圍內缺陷的顯示深度；h1為第一分區范圍內缺陷的理論深度；PCS為第一分區探頭投影尺寸的間距；lGE為圖6中點G，E間的距離；其余參數X1，F1，b如圖6所示。
第二分區深度修正公式為：
式中：H2為第二分區缺陷的顯示深度；h2為第二分區缺陷的理論深度；PCS為第二分區探頭投影尺寸的間距；其余參數X2，F2，d如圖6所示。
盲區補充檢測
NB/T 47013—2015中指出：表面盲區大于1 mm時，進行脈沖手工超聲檢測對其進行補充檢測；底面盲區大于1 mm時，需要進行偏置掃描。由于此結構較為特殊，需對其焊縫進行左右各偏置20 mm和手工UT以覆蓋底面盲區（見圖7），對于上表面盲區，采用交流磁軛連續法進行磁粉檢測深度0~1 mm表面及近表面的缺陷，對于大于1 mm的盲區部分，采取手工超聲檢測，使用45°橫波斜探頭進行一次反射波對其進行覆蓋，以保證焊縫上表面盲區檢測（包括余高區域）覆蓋。
檢測結果及討論
1、試塊檢測結果討論
通過工藝計算，再次在試塊上進行了工藝驗證，試塊用TOFD掃描的圖譜如圖8所示。
圖8 模擬試塊缺陷的TOFD圖譜
由圖8可以看出，TOFD檢測技術較容易發現試件中的F2~F7預留缺陷；利用儀器的分析軟件對此兩件試塊檢測發現的缺陷進行定位、定量分析，與設計的缺陷位置大體一致。
另外，可檢測出橫孔H2~H4缺陷的位置，并且通過試塊的橫孔深度與理論計算比較，結果如表5所示，該結果表明對深度進行修正計算的結果與實際顯示深度的誤差極小，由此可以證明通過理論計算對深度進行修正可以精準測量缺陷理論深度。但是缺陷F1和橫孔H1在圖譜上并沒有顯示，這是因為TOFD上表面盲區較大。
表5 理論顯示深度與實際顯示深度的比較（mm）
2、產品檢測結果討論
利用與試塊上相同的工藝檢測產品焊縫B10，通過使用軟件發現該焊縫兩處缺陷，如圖9所示。1#缺陷為內表面缺陷，缺陷顯示深度為52.2 mm，長度為60 mm，從修正表可查，理論深度為60 mm，高度為7 mm，根據NB/T 47013.10—2015 Ⅱ級驗收要求，判定此缺陷為不合格缺陷。通過手工UT在筒體側對其進行定位，發現缺陷深度為59~68 mm。另一處2#缺陷，通過分析發現缺陷沒有高度和長度，顯示深度為33.3 mm，根據深度修正表查得理論深度為40 mm，符合NB/T 47013.10-2015 Ⅱ級驗收要求，判定為合格缺欠。
圖9 產品焊縫缺陷的TOFD圖譜
此外，對產品焊縫還進行了脈沖手工超聲檢測和磁粉檢測，以補充檢測TOFD檢測時的固有上表面盲區（包括余高區域）。
結語
對于此類既為不等厚又有角度的特殊焊縫結構，雖然僅使用TOFD檢測會導致部分區域漏檢，但根據標準NB/T 47013.10—2015建議將TOFD與手工超聲檢測結合，建立了簡單的理論計算模型，并通過試塊試驗驗證，確定該工藝方案可以完全覆蓋其完整焊縫。使用不同角度楔塊，計算探頭所在位置，對深度進行計算修正，通過校準試塊橫孔的理論深度與理論計算深度的對比，說明該工藝也可以確定缺陷理論深度。該方案為不等厚度錐體與筒體優角對接焊縫多分區 TOFD檢測方法提供了新的思路。
作者：寧東明，程敏，劉淑倩，孫坤
工作單位：森松（江蘇）重工有限公司
第一作者簡介：寧東明，高級工程師，主要從事壓力容器的無損檢測相關工作。
來源：《無損檢測》2023年11期
