焊缝TOFD检测时母材缺陷的无损识别与评价
2024-03-07 15:56:08
①压力容器、锅炉、压力管道等承压设备常见焊接接头的组成，包括焊缝、熔合区和热影响区三部分；②NB/T47013.10-2015标准规定：“焊接接头检测区宽度应是焊缝本身加上焊缝熔合线两侧各10mm确定”；③焊接接头五大类缺陷：裂纹、未熔合、未焊透、夹渣、气孔；④母材钢板中的缺陷主要是分层和非金属夹杂物，钢板的轧制是平面压下沿纵长方向轧制，轧制时有非常大的压下比，所以以形成平行于表面的平面状缺陷（分层）和集中在某一范围的缺陷（非金属夹杂物）较多。①完全剥离的层状裂缝或分层，属大缺陷，UT/PAUT可检出，RT/DR检不出，TOFD显示；②在某个小范围内的分层，属中缺陷，UT/PAUT可检出，RT/DR检不出，TOFD显示；③点状非金属夹杂物的集合，属小缺陷，UT/PAUT可检出，RT/DR可检出，TOFD显示；④焊接接头与母材存在性能差异，故前者缺陷采取严格的验收标准，但这并不意味着母材缺陷就可宽尺度放行；相反，如果把母材缺陷按照焊缝标准进行验收，势必会造成不必要的返修，对生产进度、成本、质量都是极为不利的。
（3）D扫描是从焊缝的一侧看过去形成的视图，显示的图像是沿着焊缝中心剖开的截面。常规非平行扫查（D扫）的数据采集包括一侧母材、焊缝以及另一侧母材；D扫描视图不能判断出缺陷在焊缝中的横向位置，亦无法识别母材缺陷距离焊缝的相对位置。
（4）母材缺陷和焊接缺陷叠加显示而难以区分，由于NB/T47013.10-2015检测及验收标准为焊缝的检测及验收标准，无母材钢板质量验收依据（据查资料，目前暂无原材料的TOFD检测及验收标准），故现在我们只能按相关标准的要求，确保焊缝本身宽度及两侧各10mm范围内，不存在超标缺陷即判定为焊缝合格。然而，焊缝两侧10mm外的母材缺陷出现在TOFD图谱上时干扰对焊缝缺陷的评定，其即便没有判定依据，出具检测报告时也要给出一个合理的解释。现行的TOFD教材和标准，没有记载可行的用来识别和判定母材缺陷的方案。TOFD标准对于母材检测的规定为：对重要工件或检测人员有怀疑时，应对超声波声束通过的母材区域按NB/T 47013.3中的有关规定，采用直探头进行检测或在TOFD检测的过程中进行。母材中影响检测结果的反射体，应予以记录。
（5）一直以来利用常规UT和RT技术对母材缺陷进行识别，但由于UT不可记录，RT拍片成本高、环境防护要求高且对面积性缺陷容易漏检，二者在可操作性、精确性和可靠性等方面也均存在一定问题，容易在监督检验、在役检测中发生意见分歧，故在实际的检测中仅作为辅助方法使用。后引入PAUT和DR检测方法，解决了PAUT为可记录超声的问题，但是DR的技术局限性依旧存在。经过长期的TOFD实际检测及技术总结，我们找到了一种教材和标准之外，但又极具实际可操作性和意义的扫查方式，能准确识别母材缺陷的同时，还能保留图谱。这样一来，“横向非平行扫查图谱+UT/PAUT辅助检测报告（应用PAUT时可图谱记录）”的方案，解决了TOFD图谱母材缺陷难以解释的问题。
（3）母材非金属夹杂物（点状夹杂物在同一深度的集合）
（4）母材非金属夹杂物（不同厚度散布的点状夹杂物）
（5）母材非金属夹杂物（不同厚度散布的点状夹杂物）
（6）母材非金属夹杂物（不同厚度散布的点状夹杂物）
常规UT检测，利用直探头在焊接接头两侧的母材区域做100%扫查；或者PAUT检测，利用0°纵波扇扫描在焊接接头两侧的母材区域做100%扫查；均可以对分层类缺陷和绝大多数的体积状夹杂物进行定位和定量，并且PAUT可实现图谱记录。作为直探头或0°纵波扇扫描检测的补充，可利用K1斜探头或角度扇扫描对母材非分层类缺陷进行定位和定量，检测方法和验收标准是NB/T47013.3-2015规范性附录D和NB/T47013.15-2021规范性附录G。
余高未磨平的焊缝，因盖面焊道宽于坡口对口宽度，且因为坡口型式的影响，通过目视确认的焊缝宽度往往大于实际焊缝宽度，其误差会使操作人员将焊缝两侧10mm外的母材缺陷当成焊缝缺陷来判定，造成不必要的返修。余高磨平焊缝的宽度和边界较难通过目视准确界定。尤其在役检测，更会变得难以准确识别，从而使得对母材缺陷识别的可操作性严重降低。常规UT不可记录，在后续的监督检验、在役检测中往往会产生意见分歧。PAUT可图谱记录。带余高的焊缝，底片和图谱一般能够完整的以黑度和灰度差的方式显示出焊缝表面轮廓，从而可直观地识别出母材缺陷。余高磨平的焊缝，在检测前，可在焊缝两侧各放置一个铅点，从而在底片上以铅点为基准来确定焊缝区域，直观地识别出母材缺陷。
准确性低、重复性差：余高影响焊缝宽度；磨平焊缝边界不易识别；透照角度不同，影像会发生偏移。射线透照会对操作人员有一定的辐射损伤风险，现场要求具备较高规格的安全防护措施，增加了操作环节和成本。所以，母材缺陷常规判定方法一般不使用RT/DR技术。除了UT/PAUT和RT/DR方法外，最直接的就是破坏性方法识别母材缺陷——在刨（磨）开的坡口面采用目视(VT)、渗透(PT)、磁粉(MT)、物理金相等检测方法进行识别。但是，此方法已经破坏了母材，改变了母材原有的组织，并且造成了返修成本。
参考：球罐球片坡口的非金属夹杂物，VT/PT无法检出，MT可检出；物理金相亦能观察到。
事实证明，常用的扫查方式都无法识别母材缺陷。经过长期的TOFD实际检测及技术总结，我们找到了一种教材和标准之外，但又极具实际可操作性和意义的扫查方式（这里暂且命名为：横向非平行扫查），可以准确识别母材缺陷的同时，保留图谱、以供查阅。对某处母材缺陷要确认，首先以该缺陷位置作为参考点，选择探头及楔块并对称布置PCS，使声束轴线聚焦于该缺陷处，并按照图示方向，探头对横跨焊缝做扫查。①焊缝磨平时，探头对可以顺利行走；未磨平时，尽可能圆滑过渡；
某焊接接头在TOFD检测过程中，常规非平行扫查发现了大量缺陷显示，该显示深度60mm左右，从图谱特征分析，可能为点状夹渣。因缺陷断续存在，长度超标，需要返修处理。下图为该环向焊接接头（Φ3400×95+3,Q345R/N08825）非平行扫查TOFD图谱。
UT/PAUT定位发现，这些缺陷显示一小部分为焊接缺陷，大部分来自于焊缝两侧10mm外的母材区域，这些母材缺陷按照板材验收是允许存在的。因为TOFD椭圆效应，图谱上的显示无法区分是焊缝缺陷还是母材缺陷。显然，这些允许存在的不超标母材缺陷若是按照焊接缺陷来返修，会造成不必要的浪费，还会对质量带来不利影响。相比常规扫查方式，横向非平行扫查可以在图谱中得到以下信息：①焊缝区域。如下图所示，焊接接头的晶粒度大于母材，而超声波对粗晶材料有更明显的散射、衍射效应，TOFD检测灵敏度较UT/PAUT高20～30dB，从而在图谱中出现明显的焊缝信号。TOFD图谱中母材区域无明显材料噪音，从而形成鲜明的对比，直观地把焊缝和母材区别了开来。
②焊缝表面打磨区域。由于焊缝表面打磨的不平整因素，直通波行走路径相对于母材区域变得更长，从而使得直通波图像下沉。
③焊缝缺陷。由上面一幅图可知，该焊缝在149.5-193mm范围内，焊缝实际宽度43.5mm，在右侧有一点状缺陷。由下面一幅图可知，光标测量该缺陷位于191mm处，处于焊缝区域，非母材缺陷。
④母材缺陷。选取一处有母材缺陷的区域进行横向非平行扫查。由下图可知，该焊缝左侧有一缺陷，该缺陷位于58mm处，距离焊缝左端121.5mm＞10mm的热影响区范围，故该缺陷是母材缺陷。对该母材缺陷进行UT/PAUT检测，Ⅰ级合格。
某焊接接头在TOFD检测过程中，常规非平行扫查发现了大量缺陷显示，该显示深度28mm左右，从图谱特征分析，可能为点状夹渣。因缺陷断续存在，长度超标，需要返修处理。下图为该环向焊接接头（φ1200×42mm，Q345R）非平行扫查TOFD图谱。
经UT/PAUT定位发现，这些缺陷显示一小部分为焊接缺陷，大部分来自于焊缝两侧10mm外的母材区域，这些母材缺陷按照板材验收是允许存在的。因为TOFD椭圆效应，图谱上的显示无法区分是焊缝缺陷还是两侧母材缺陷。选取距离区边127mm母材缺陷的区域进行横向非平行扫查。①焊缝区域。该焊缝带余高，采集的图像中，焊缝宽度测量值为40mm，经现场直尺测量，余高宽度38mm，基本吻合，这一数值显然比焊缝实际的宽度要大。
②焊缝余高区域。由于焊缝余高的存在，探头楔块经过母材、余高、母材区域，从而使得余高与母材交界处的直通波图像下沉。
③焊缝缺陷。由图可知，该焊缝在226-266mm范围内，焊缝实际宽度40mm，在右侧有一缺陷。经光标测量该缺陷位于254.5mm处，深度28.1mm，自身高度2mm，长度9mm处于焊缝区域，Ⅰ级合格。
④母材缺陷。焊缝右侧有一缺陷，该缺陷位于276.5mm处，距离焊缝左端276.5-266mm＞10mm的热影响区范围，故该缺陷是检测区宽度外的母材缺陷。对该母材缺陷进行UT/PAUT检测，Ⅰ级合格。
此横向非平行扫查方法经过多次TOFD检测时的实际应用和验证，已充分展现了新技术的独特优势。☆能十分准确的得出焊接接头的B-Scan图像（显示的图像是跨越焊缝的横截面），从而能够测量母材缺陷至焊缝边缘的水平距离、判断缺陷是否在热影响区10mm范围内；☆该扫查方式还可得到焊接接头缺陷在不同深度位置的实际尺寸；TOFD图谱母材缺陷识别与判定创新方案------“横向非平行扫查图谱+UT/PAUT辅助检测报告（应用PAUT时可图谱记录）”（1）横向非平行扫查图谱+UT/PAUT辅助检测报告（应用PAUT时可图谱记录）；（2）无损识别和判定母材缺陷，不返修、不耽误生产进度、节约成本；（3）避免因返修母材的非超标缺陷而产生新的焊接缺陷，确保质量；（4）图谱作为有说服力的证据，供监督检验以及取换证等场合使用；（5）充分挖掘新技术优势，服务压力容器、锅炉和压力管道的制造、安装和在用检测。
