焊縫TOFD檢測時母材缺陷的無損識別與評價

2024-03-07 15:56:08

1、識別和判定TOFD圖譜母材缺陷的意義

（1）焊接接頭

①壓力容器、鍋爐、壓力管道等承壓設備常見焊接接頭的組成，包括焊縫、熔合區和熱影響區三部分；

②NB/T47013.10-2015標準規定：“焊接接頭檢測區寬度應是焊縫本身加上焊縫熔合線兩側各10mm確定”；

③焊接接頭五大類缺陷：裂紋、未熔合、未焊透、夾渣、氣孔；

④母材鋼板中的缺陷主要是分層和非金屬夾雜物，鋼板的軋制是平面壓下沿縱長方向軋制，軋制時有非常大的壓下比，所以以形成平行于表面的平面狀缺陷（分層）和集中在某一范圍的缺陷（非金屬夾雜物）較多。

（2）母材缺陷

①完全剝離的層狀裂縫或分層，屬大缺陷，UT/PAUT可檢出，RT/DR檢不出，TOFD顯示；

②在某個小范圍內的分層，屬中缺陷，UT/PAUT可檢出，RT/DR檢不出，TOFD顯示；

③點狀非金屬夾雜物的集合，屬小缺陷，UT/PAUT可檢出，RT/DR可檢出，TOFD顯示；

④焊接接頭與母材存在性能差異，故前者缺陷采取嚴格的驗收標準，但這并不意味著母材缺陷就可寬尺度放行；相反，如果把母材缺陷按照焊縫標準進行驗收，勢必會造成不必要的返修，對生產進度、成本、質量都是極為不利的。

（3）D掃描是從焊縫的一側看過去形成的視圖，顯示的圖像是沿著焊縫中心剖開的截面。常規非平行掃查（D掃）的數據采集包括一側母材、焊縫以及另一側母材；D掃描視圖不能判斷出缺陷在焊縫中的橫向位置，亦無法識別母材缺陷距離焊縫的相對位置。

（4）母材缺陷和焊接缺陷疊加顯示而難以區分，由于NB/T47013.10-2015檢測及驗收標準為焊縫的檢測及驗收標準，無母材鋼板質量驗收依據（據查資料，目前暫無原材料的TOFD檢測及驗收標準），故現在我們只能按相關標準的要求，確保焊縫本身寬度及兩側各10mm范圍內，不存在超標缺陷即判定為焊縫合格。然而，焊縫兩側10mm外的母材缺陷出現在TOFD圖譜上時干擾對焊縫缺陷的評定，其即便沒有判定依據，出具檢測報告時也要給出一個合理的解釋?，F行的TOFD教材和標準，沒有記載可行的用來識別和判定母材缺陷的方案。TOFD標準對于母材檢測的規定為：對重要工件或檢測人員有懷疑時，應對超聲波聲束通過的母材區域按NB/T 47013.3中的有關規定，采用直探頭進行檢測或在TOFD檢測的過程中進行。母材中影響檢測結果的反射體，應予以記錄。

（5）一直以來利用常規UT和RT技術對母材缺陷進行識別，但由于UT不可記錄，RT拍片成本高、環境防護要求高且對面積性缺陷容易漏檢，二者在可操作性、精確性和可靠性等方面也均存在一定問題，容易在監督檢驗、在役檢測中發生意見分歧，故在實際的檢測中僅作為輔助方法使用。后引入PAUT和DR檢測方法，解決了PAUT為可記錄超聲的問題，但是DR的技術局限性依舊存在。

經過長期的TOFD實際檢測及技術總結，我們找到了一種教材和標準之外，但又極具實際可操作性和意義的掃查方式，能準確識別母材缺陷的同時，還能保留圖譜。這樣一來，“橫向非平行掃查圖譜+UT/PAUT輔助檢測報告（應用PAUT時可圖譜記錄）”的方案，解決了TOFD圖譜母材缺陷難以解釋的問題。

2、焊縫TOFD檢測的母材缺陷典型圖譜

（1）母材分層（小范圍內的分層）

（2）母材分層（小范圍內的分層）

（3）母材非金屬夾雜物（點狀夾雜物在同一深度的集合）

（4）母材非金屬夾雜物（不同厚度散布的點狀夾雜物）

（5）母材非金屬夾雜物（不同厚度散布的點狀夾雜物）

（6）母材非金屬夾雜物（不同厚度散布的點狀夾雜物）

3、母材缺陷常規判定方法及其局限性

（1）UT/PAUT

常規UT檢測，利用直探頭在焊接接頭兩側的母材區域做100%掃查；或者PAUT檢測，利用0°縱波扇掃描在焊接接頭兩側的母材區域做100%掃查；均可以對分層類缺陷和絕大多數的體積狀夾雜物進行定位和定量，并且PAUT可實現圖譜記錄。

作為直探頭或0°縱波扇掃描檢測的補充，可利用K1斜探頭或角度扇掃描對母材非分層類缺陷進行定位和定量，檢測方法和驗收標準是NB/T47013.3-2015規范性附錄D和NB/T47013.15-2021規范性附錄G。

UT/PAUT局限性：

余高未磨平的焊縫，因蓋面焊道寬于坡口對口寬度，且因為坡口型式的影響，通過目視確認的焊縫寬度往往大于實際焊縫寬度，其誤差會使操作人員將焊縫兩側10mm外的母材缺陷當成焊縫缺陷來判定，造成不必要的返修。

余高磨平焊縫的寬度和邊界較難通過目視準確界定。尤其在役檢測，更會變得難以準確識別，從而使得對母材缺陷識別的可操作性嚴重降低。常規UT不可記錄，在后續的監督檢驗、在役檢測中往往會產生意見分歧。PAUT可圖譜記錄。

（2）RT/DR

帶余高焊縫RT/DR檢測：

帶余高的焊縫，底片和圖譜一般能夠完整的以黑度和灰度差的方式顯示出焊縫表面輪廓，從而可直觀地識別出母材缺陷。

余高磨平焊縫RT/DR檢測：

余高磨平的焊縫，在檢測前，可在焊縫兩側各放置一個鉛點，從而在底片上以鉛點為基準來確定焊縫區域，直觀地識別出母材缺陷。

RT/DR局限性：

準確性低、重復性差：余高影響焊縫寬度；磨平焊縫邊界不易識別；透照角度不同，影像會發生偏移。

射線檢測對于母材分層類缺陷的檢出率幾乎為零；

RT膠片成本高；

射線透照會對操作人員有一定的輻射損傷風險，現場要求具備較高規格的安全防護措施，增加了操作環節和成本。

所以，母材缺陷常規判定方法一般不使用RT/DR技術。

（3）破壞性方法

除了UT/PAUT和RT/DR方法外，最直接的就是破壞性方法識別母材缺陷——在刨（磨）開的坡口面采用目視(VT)、滲透(PT)、磁粉(MT)、物理金相等檢測方法進行識別。但是，此方法已經破壞了母材，改變了母材原有的組織，并且造成了返修成本。

參考：球罐球片坡口的非金屬夾雜物，VT/PT無法檢出，MT可檢出；物理金相亦能觀察到。

4、母材缺陷TOFD識別方法的創新方案和成功應用

（1）標準推薦的TOFD檢測常用掃查方式

事實證明，常用的掃查方式都無法識別母材缺陷。經過長期的TOFD實際檢測及技術總結，我們找到了一種教材和標準之外，但又極具實際可操作性和意義的掃查方式（這里暫且命名為：橫向非平行掃查），可以準確識別母材缺陷的同時，保留圖譜、以供查閱。

對某處母材缺陷要確認，首先以該缺陷位置作為參考點，選擇探頭及楔塊并對稱布置PCS，使聲束軸線聚焦于該缺陷處，并按照圖示方向，探頭對橫跨焊縫做掃查。

①焊縫磨平時，探頭對可以順利行走；未磨平時，盡可能圓滑過渡；

②探頭對稱布置于缺陷兩側并平行于焊縫；

③探頭對沿焊縫橫向做掃查。

（2）應用一

某焊接接頭在TOFD檢測過程中，常規非平行掃查發現了大量缺陷顯示，該顯示深度60mm左右，從圖譜特征分析，可能為點狀夾渣。因缺陷斷續存在，長度超標，需要返修處理。下圖為該環向焊接接頭（Φ3400×95+3,Q345R/N08825）非平行掃查TOFD圖譜。

UT/PAUT定位發現，這些缺陷顯示一小部分為焊接缺陷，大部分來自于焊縫兩側10mm外的母材區域，這些母材缺陷按照板材驗收是允許存在的。因為TOFD橢圓效應，圖譜上的顯示無法區分是焊縫缺陷還是母材缺陷。

顯然，這些允許存在的不超標母材缺陷若是按照焊接缺陷來返修，會造成不必要的浪費，還會對質量帶來不利影響。

相比常規掃查方式，橫向非平行掃查可以在圖譜中得到以下信息：

①焊縫區域。如下圖所示，焊接接頭的晶粒度大于母材，而超聲波對粗晶材料有更明顯的散射、衍射效應，TOFD檢測靈敏度較UT/PAUT高20～30dB，從而在圖譜中出現明顯的焊縫信號。TOFD圖譜中母材區域無明顯材料噪音，從而形成鮮明的對比，直觀地把焊縫和母材區別了開來。

②焊縫表面打磨區域。由于焊縫表面打磨的不平整因素，直通波行走路徑相對于母材區域變得更長，從而使得直通波圖像下沉。

③焊縫缺陷。由上面一幅圖可知，該焊縫在149.5-193mm范圍內，焊縫實際寬度43.5mm，在右側有一點狀缺陷。由下面一幅圖可知，光標測量該缺陷位于191mm處，處于焊縫區域，非母材缺陷。

④母材缺陷。選取一處有母材缺陷的區域進行橫向非平行掃查。由下圖可知，該焊縫左側有一缺陷，該缺陷位于58mm處，距離焊縫左端121.5mm＞10mm的熱影響區范圍，故該缺陷是母材缺陷。對該母材缺陷進行UT/PAUT檢測，Ⅰ級合格。

（3）應用二

某焊接接頭在TOFD檢測過程中，常規非平行掃查發現了大量缺陷顯示，該顯示深度28mm左右，從圖譜特征分析，可能為點狀夾渣。因缺陷斷續存在，長度超標，需要返修處理。下圖為該環向焊接接頭（φ1200×42mm，Q345R）非平行掃查TOFD圖譜。

經UT/PAUT定位發現，這些缺陷顯示一小部分為焊接缺陷，大部分來自于焊縫兩側10mm外的母材區域，這些母材缺陷按照板材驗收是允許存在的。因為TOFD橢圓效應，圖譜上的顯示無法區分是焊縫缺陷還是兩側母材缺陷。

橫向非平行掃查識別母材缺陷。

選取距離區邊127mm母材缺陷的區域進行橫向非平行掃查。

①焊縫區域。該焊縫帶余高，采集的圖像中，焊縫寬度測量值為40mm，經現場直尺測量，余高寬度38mm，基本吻合，這一數值顯然比焊縫實際的寬度要大。

②焊縫余高區域。由于焊縫余高的存在，探頭楔塊經過母材、余高、母材區域，從而使得余高與母材交界處的直通波圖像下沉。

③焊縫缺陷。由圖可知，該焊縫在226-266mm范圍內，焊縫實際寬度40mm，在右側有一缺陷。經光標測量該缺陷位于254.5mm處，深度28.1mm，自身高度2mm，長度9mm處于焊縫區域，Ⅰ級合格。

④母材缺陷。焊縫右側有一缺陷，該缺陷位于276.5mm處，距離焊縫左端276.5-266mm＞10mm的熱影響區范圍，故該缺陷是檢測區寬度外的母材缺陷。對該母材缺陷進行UT/PAUT檢測，Ⅰ級合格。

此橫向非平行掃查方法經過多次TOFD檢測時的實際應用和驗證，已充分展現了新技術的獨特優勢。

☆能十分準確的得出焊接接頭的B-Scan圖像（顯示的圖像是跨越焊縫的橫截面），從而能夠測量母材缺陷至焊縫邊緣的水平距離、判斷缺陷是否在熱影響區10mm范圍內；

☆該掃查方式還可得到焊接接頭缺陷在不同深度位置的實際尺寸；

☆有圖譜記錄、重復性好、容易實現；

TOFD圖譜母材缺陷識別與判定創新方案------“橫向非平行掃查圖譜+UT/PAUT輔助檢測報告（應用PAUT時可圖譜記錄）”

5、創新方案的應用價值

（1）橫向非平行掃查圖譜+UT/PAUT輔助檢測報告（應用PAUT時可圖譜記錄）；

（2）無損識別和判定母材缺陷，不返修、不耽誤生產進度、節約成本；

（3）避免因返修母材的非超標缺陷而產生新的焊接缺陷，確保質量；

（4）圖譜作為有說服力的證據，供監督檢驗以及取換證等場合使用；

（5）充分挖掘新技術優勢，服務壓力容器、鍋爐和壓力管道的制造、安裝和在用檢測。