TOFD技术在灯泡贯流式机组管形座焊缝检测中的应用

熊剑鸣1，刘玉良2

（1.国电金沙江旭龙（奔子栏）水电开发有限公司，四川 成都 610041；

2.华电郑州机械设计研究院有限公司，河南 郑州450000）

摘要：灯泡贯流式机组管形座是机组主要支撑部件，内管形壳与梯形柱厚板对接部位在机组运行中长期承受复杂应力，焊缝质量要求高。通过TOFD技术，可准确检测出UT无法判断的厚板焊缝缺陷，在同类型机组焊缝检测中，具有较重要推广价值。

关键词：灯泡贯流；管形座；焊缝；TOFD

超声波衍射时差法（Time Of Flight Diffraction，TOFD）技术在水电站压力钢管、机组蜗壳等焊缝检测应用日趋广泛，但在灯泡贯流式机组却少有应用先例。特别是内管形壳和梯形柱为厚板对接，现场焊接难度大，UT检测无法全面检测出焊缝缺陷，为保证焊接质量，可采用TOFD技术作为检测手段。本文结合大渡河沙坪二级水电站实际应用，对管形座厚板组合焊缝TOFD检测予以阐述。

1 概述

大渡河沙坪二级水电站位于四川省乐山市峨边彝族自治县和金口河区交界处，是大渡河规划的22个梯级水电站中的第20级，装设6台灯泡贯流式水轮发电机组，单机容量58MW，是目前国内已投产单机容量最大的灯泡贯流式机组，电站主要任务为发电。

机组管形座为 “φ”型双层圆锥结构，安装在发电机与导水机构之间，是机组主要支撑部件，由内管形壳、外管形壳、前锥体、上部梯形柱和下部梯形柱等组成，承受机组大部分重量及水压、上浮力、正反向水推力、发电机扭矩等。其中内管形壳分2瓣，与上、下部梯形柱分别用螺栓联接，并现场焊接组合焊缝。

2 检测要求

按照“灯泡贯流式水轮发电机组安装工艺规程”（DL/T5038）规定：管形座内壳体与上、下部梯形柱对装缝应按制造厂技术要求进行焊接和检验。制造厂在“沙坪二级水轮机安装说明书”中要求：焊缝退火处理后，需进行100%MT和100%UT探伤，同时将过流面焊缝打磨光滑并进行MT探伤，对非过流面焊缝进行外观检查。

由于管形座与上、下部梯形柱对接部位在机组运行期间，长期受剪切应力、压应力以及振动等复杂应力作用，需严格控制焊接质量。而焊接过程中，存在厚板对接、焊接工艺复杂、施焊环境恶劣等因素，控制难度较大。经分析研究，确定在常规检测基础上增加TOFD检测，保证焊接质量。

3 技术原理

TOFD检测法也称为超声波衍射时差法，是20世纪90年代发展并成熟的，既是超声波检测的一种，又不同于传统超声波检测。该技术适用于各种焊缝缺陷检测，在很多领域已逐渐取代原有的传统超声波检测和射线检测，现已广泛应用水电行业焊缝检测中。

TOFD采用的是一发一收模式的双探头结构，用带有一定角度的纵波探头发射超声波，纵波折射角度范围是45°至70°，同时用相同频率和角度的纵波探头接收衍射信号，并使用可以生成B扫描图形的超声波成像系统进行缺陷判断。TOFD主要是接收缺陷尖端的衍射波，因此不易受缺陷方向性影响，且面状缺陷的衍射信号较强，危害性缺陷更不易被漏检。其基本波型分为三种：直通波、缺陷波和底面反射波。直通波和底波作为缺陷深度测量的参考基准。

TOFD检测原理如图1：

图1  TOFD检测原理图

4 具体应用

沙坪二级水电站1~6号机组管形座内管形壳与梯形柱材质均为Q345C，组合焊缝厚度为70mm。根据对焊缝位置、受力情况及焊缝厚度等综合分析，采取以下检测方案：

1. 安装单位进行100%MT和100%UT检测。
2. 业主委托第三方检测单位进行100%UT、PT和100%TOFD检测。

采用行业标准《水电水利工程金属结构及设备焊接接头衍射时差法超声检测》（DL/T330-2010）进行检测和评定。

4.1 焊缝要求

探头移动区域范围内清除铁锈、飞溅、油漆、油垢及其它外部杂质，为便于探头的自由扫查，探伤表面应打磨光滑，其表面粗糙度不应超过6.3µm。焊缝两侧各打磨宽度不少于150mm。

4.2检测仪器

TOFD检测系统采用OmniScan Mx2检测系统，由专用计算机、软件、一对或多对探头、探头支架、扫查架和编码器等几部分组成。单通道检测仪器在厚板（＞50mm）检测时可进行分区多次扫查，满足管形座与梯形柱焊缝检测的需要。

4.2.1探头的选择及厚度分层

100㎜以下的工件厚度一般可使用单探头检测，对于铁素体材料的工件可根据表1进行选取合适的探头，对于奥氏体或其他高衰减材料检测时，需要降低探头公称频率和增大探头晶片尺寸。

表1     厚度小于100㎜时探头选取及分层依据表

公称壁厚T      TOFD分层   分层厚度覆盖范围    公称频率    晶片尺寸      建议角度      主声速聚焦深度

mm                                             MHz        mm            θ                H

12≤T≤35           1              0~T             5~10        3~6          60°~70°            2/3T

35＜T≤50          1              0~T             3~5         3~6          60°~70°            2/3T

50＜T≤100         1              0~T/2            3~5         3~6          60°~70°            2/6T

2              1/2T~T           3~5         6~12         45°~60°            5/6T

按两层扫查的方式，第一层扫查选用探头频率7.5 MHz、晶片直径6㎜、60°楔块；第二层扫查选用探头频率5 MHz、晶片直径6㎜、45°楔块。

4.2.2探头中心距PCS

为使整个焊缝截面内具有较为均匀的检测灵敏度，探头间距的调整宜使两探头声束中心线交点位于焊缝厚度的2/3处（T≤50㎜）。按照这一要求，结合焊缝两侧母材的厚度计算探头间距(PCS值)，PCS=4/3KT，K=tanθ。当50㎜＜T＜100 ㎜时，应分两层扫查，第一层扫查覆盖区域为0~T/2板厚，PCS设置应使主声速聚焦在1/3T处，PCS1=2/3KT；第二层扫查覆盖区域为1/2T~T，PCS设置应使主声速聚焦在5/6T处，PCS2=5/3KT。

经计算，PCS1=81mm；PCS2=117mm。

4.2.3 扫查方式

采用两次聚中非平行扫查（D扫）。（PCS分别选用81 mm和117 mm）

4.2.4 扫查时间窗口设置

第一层扫查时间窗口设置为16.43μs~21.85μs；第二层扫查时间窗口设置为25.94μs~35.62μs。

4.2.5 灵敏度校验

第一层扫查时，在工件上将直通波幅度调整到40%~80%屏高。第二层扫查时，在Ⅱ型对比试块上把深度为26.25 mm或61.25 mm横孔的衍射信号（较弱者）调整到40%~80%屏高。

4.2.6 扫查速度

扫查速度不大于50㎜/s，且须保证扫查数据丢失不大于扫查长度的5%，不得连续丢失数据，丢失的数据不能影响缺陷评定。

4.3 检测范围

管形座内管形壳与上、下梯形柱对接焊缝长度均为8.68m，焊缝热处理前后分别进行1次100%检测。焊缝分成11段检测区间，每段长度及编号、扫查方向如图2所示：

图2  检测范围示意图

4.4 检测盲区

TOFD检测在扫查面侧存在盲区Dds，其由直通波导致。此扫查表面盲区的深度为：

Dds=   （1）

式中  c—声速；

tp—幅值下降到10%脉冲峰值时的脉冲持续时间；

      s—探头间距的一半。

底面侧的盲区Ddw是由底面回波导致，其深度为：

Ddw=（2）

式中 —底面回波的传播时间；

     W—工件壁厚。

由于管型座与梯形柱对接焊缝母材厚度为70mm，需要分两层检测。第一层检测厚度范围0~35mm，检测使用探头为7.5MHz，1.5周期，脉冲持续时间tp=0.2μs，入射角60°，声速5900m/s，探头间距81㎜。在此条件下根据式（1），计算出Dds=6.9㎜。第二层检测厚度范围26.3 mm ~70mm，检测使用探头为5MHz，1.5周期，脉冲持续时间tp=0.3μs，入射角45°，声速5900m/s，探头间距117㎜，=30.28μs，在此条件下根据式（2），计算出Ddw =1.1㎜。

4.5 数据分析

TOFD检测主要根据成像图谱（图3）的形状、尺寸进行数据分析，共分为两步。第一步为定性分析，确定缺陷的性质，其判定主要依据图谱显示缺陷的形状；第二步为定量分析，确定缺陷的尺寸、位置等信息，缺陷的自身高度由缺陷的上下端点衍射信号来测量取得（注意缺陷上下端点衍射信号相位相反），缺陷长度由缺陷的成像长度测量取得，缺陷深度由直通波与缺陷衍射信号的上端点信号的时间差求得，缺陷距探头中心线的距离由D扫描信号求得。完成数据分析后，便可依据标准对缺陷的危害性等级进行评价。

图3  TOFD检测成像图谱

4.6 检测结果

沙坪二级水电站机组内管形壳与上、下部梯形柱焊缝母材厚度70mm，材质Q345C，采用100%TOFD检测，选用公称频率7.5MHz、晶片尺寸6㎜、角度60°和公称频率5MHz、晶片尺寸6㎜、角度45°的探头。1~6#机组管形座与上、下梯形柱焊缝经UT、PT检测合格后，再进行TOFD检测，均发现坡口断续未熔合等较多应记录缺陷和超标缺陷（见表2）。这些缺陷在UT、PT等常规检测时较难判断，而TOFD检测图谱（图4）则显示非常明显。

表2  UT、PT检测合格后TOFD 检测出的缺陷数量统计表

机组管形座编号      应记录缺陷          超标缺陷            缺陷总数

1#                 9                  2                   11

2#                 8                  6                   14

3#                 1                  17                  18

4#                 0                  0                    0

5#                 8                  19                  27

6#                 2                  7                    9

图4  沙坪机组管形座TOFD检测图谱

4.7 检测结果分析

类似于图4所示的缺陷，经UT检测，依据ASME第八卷附录12判定合格，而依据DL/T330-2010《水电水利工程金属结构及设备焊接接头衍射时差法超声检测》，缺陷判定不合格。经现场刨缝，发现缺陷为断续未熔合。原因：缺陷形状不规律，UT检测具有声束指向性，不能完全反映缺陷的真实情况，具有一定误判的几率。而TOFD检测是接收缺陷尖端的衍射信号，不易受缺陷方向性影响，且面状缺陷的衍射信号较强，危害性缺陷更不易被漏检。

5 结语

TOFD检测技术与常规检测方法相比，有着较大的优势，它解决了超声脉冲回波反射法检测固有的一些缺点，缺陷的检出和定量不受脉冲角度、探测方向、缺陷形态、检测面粗糙度及探头压力等因素的影响，能准确地确定缺陷的性质、大小、深度、位置，检测精度和准确性远高于超声脉冲回波反射法。与RT检测相比，TOFD检测具有检测效率高、检出率高、检测周期短、无辐射等优点。与此同时，TOFD检测的上、下表面盲区不能被忽视，尤其是上表面盲区较大，要结合MT、UT及改变PCS和探头中心频率等方式来减小或消除盲区的影响。

TOFD检测在沙坪二级水电站管形座与梯形柱对接焊缝检测中的成功应用，表明TOFD能够更好的检测出厚板焊缝中的危害缺陷。通过对焊缝返修处理，消除了潜在缺陷，保证了焊接质量，为沙坪电站机组安全稳定运行提供了保障，同时也为同类型机组采用TOFD技术进行焊缝检测提供了良好借鉴。

参考文献：

[1]袁涛，曹怀祥等.TOFD检测超声成像在压力容器中的应用[J].压力容器，2008（2）：58-60.

[2]超声波TOFD技术教程.电力工业无损检测人员资格考核委员会.[Z].

[3]DL/T330-2010《水电水利工程金属结构及设备焊接接头衍射时差法超声检测》[S].

作者简介:熊剑鸣(1973-)，男，高级工程师，主要从事水电站机电金结管理工作。

刘玉良(1977-)，男，高级工程师，主要从事无损检测工作。

联系方式：刘玉良 13708167849