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無損檢測(cè)新技術(shù)應(yīng)用1
特種設(shè)備無損檢測(cè)新技術(shù)應(yīng)用
摘 要 本文介紹了承壓類特種設(shè)備無損檢測(cè)新技術(shù)的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 M-RT TOFD 相控陣
近幾年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源、石油化工產(chǎn)品的需求量越來越大，石油化工裝置的建設(shè)項(xiàng)目越來越多，工程進(jìn)度要求越來越短，工程質(zhì)量要求越來越高。特種設(shè)備無損檢測(cè)技術(shù)和方法也層出不窮。
1 M-RT檢測(cè)技術(shù)
微小防護(hù)區(qū)安全射線探傷簡(jiǎn)稱M-RT，一種防護(hù)距離極小的射線探傷方法。
1.1設(shè)備特點(diǎn)
M-RT照相原理與常規(guī)射線檢測(cè)相同。微輻射射線檢測(cè)技術(shù)（M-RT技術(shù)）是對(duì)原有的γ源探傷機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，將γ源固化在γ源探傷機(jī)機(jī)體內(nèi)，在極短的封閉的腔體內(nèi)移動(dòng)，機(jī)器安全性方面獨(dú)特的方法，避免了射線源丟失或收不回來等事故發(fā)生。可以使用硒Se75或Ir192放射性同位素源，進(jìn)行γ射線檢測(cè)。在工件背部施以鉛板防護(hù)。
1.2檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)
目前石油化工裝置焊接質(zhì)量的檢測(cè)主要以射線檢測(cè)為主，現(xiàn)場(chǎng)射線探傷主要采用χ光射線和γ射線檢測(cè)，由于χ光射線和γ射線在現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)都有很強(qiáng)的電離輻射，射線探傷時(shí)要求劃定很大的安全距離，以避免對(duì)射線工作人員或非射線工作人員造成身體傷害，而且又要控制探傷時(shí)間，避免長(zhǎng)時(shí)間照射對(duì)射線工作人員造成身體傷害，這樣探傷時(shí)間和地點(diǎn)都受到了很大的限制，必須為射線檢測(cè)單獨(dú)預(yù)留時(shí)間，對(duì)工程進(jìn)度造成很大的影響。M-RT技術(shù)的適用性很廣，適用于透照厚度小于100mm的碳鋼、合金鋼、不銹鋼以及其他材質(zhì)的鍋爐壓力容器壓力管道及特種設(shè)備上的直管、彎頭、三通、法蘭的對(duì)接焊縫射線探傷。M-RT檢測(cè)設(shè)備還可以與常規(guī)射線檢測(cè)同時(shí)應(yīng)用，同一個(gè)機(jī)器既可以實(shí)現(xiàn)M-RT檢測(cè)，也可進(jìn)行常規(guī)檢測(cè)。該技術(shù)還可以縮短工期，由于M-RT在施工現(xiàn)場(chǎng)可以與其他人員同時(shí)工作，不需要清場(chǎng)進(jìn)行射線檢測(cè)，可以靈活安排施工時(shí)間，尤其是工程后期、維修檢修和老裝置不停產(chǎn)改造等作業(yè)面小、工期緊等場(chǎng)合。
1.3M-RT的應(yīng)用
M-RT檢測(cè)技術(shù)在中海殼牌南海石化惠州80萬噸/年乙烯項(xiàng)目、 茂名100萬噸/年乙烯改擴(kuò)建項(xiàng)目、大連西太平洋石油化工有限公司60000Nm3h制氫裝置項(xiàng)目和銀川寧煤煤基烯烴項(xiàng)目上實(shí)際應(yīng)用，得到了較好的效果。
圖1 M-RT微輻射探傷機(jī)
圖2 M-RT工藝管道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)
2 TOFD檢測(cè)技術(shù)
TOFD 技術(shù)（Time of Flight
Diffraction Technique）是一種利用缺陷端部
的衍射波傳播時(shí)間差來進(jìn)行缺陷檢測(cè)和定
量的方法，即衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)。。
2.1 檢測(cè)原理
（1）TOFD 是一種利用超聲波衍射現(xiàn)象、
非基于波幅的自動(dòng)超聲檢測(cè)方法，其基本特
點(diǎn)是采用一對(duì)或多對(duì)寬聲束探頭，每對(duì)探頭
相對(duì)焊縫對(duì)稱布置（一發(fā)一收）的工作模式。
（2）TOFD 通常使用縱波斜探頭，在工件無缺陷部位，發(fā)射超聲脈沖后，首先到達(dá)接收探頭的是直通波，然后是底面反射波。有缺陷存在時(shí)，在直通波和底面反射波之間，接收探頭會(huì)接收到缺陷處產(chǎn)生的衍射波或反射波。除上述波外，還有缺陷部位和底面因波型轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的橫波，一般會(huì)遲底面反射波到達(dá)接收探頭。工件中超聲波傳播路徑見圖3，缺陷處A 掃描信號(hào)見圖4：
圖3 工件中超聲波傳播路徑
圖4 缺陷處A 掃描信號(hào)
2.2適用范圍
《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》NB/T47013.10-2010標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定TOFD檢測(cè)技術(shù)適用于截面全焊透的對(duì)接接頭，材質(zhì)為低碳鋼或低合金鋼，工件厚度范圍為12mm ～400mm。
2.3 檢測(cè)設(shè)備
圖5 TOFD檢測(cè)設(shè)備
2.4 TOFD檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用
2001 年，中國第一重型機(jī)械集團(tuán)有限責(zé)任公司對(duì)14 臺(tái)壓力容器的70 余條焊縫進(jìn)行了TOFD檢測(cè)方法替代射線檢驗(yàn)的工作。2008 年廣西欽州1000 萬噸煉油廠23 臺(tái)球罐焊縫檢測(cè)項(xiàng)目中超過10000 米總長(zhǎng)焊縫采用了TOFD檢測(cè)技術(shù)代替射線檢測(cè)。TOFD技術(shù)被更多的應(yīng)用到各工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工程中，如新疆中國石油采油管道對(duì)接焊縫檢測(cè)項(xiàng)目、
鶴壁電廠鍋爐主蒸汽
管道對(duì)接環(huán)焊縫檢測(cè)項(xiàng)目、中海殼牌LOP罐區(qū)南海石化14臺(tái)球罐及蒸汽管道焊縫檢測(cè)項(xiàng)目、西氣東輸天然氣管線陜京段焊縫檢測(cè)項(xiàng)目、內(nèi)蒙神華煤液化裝置加氫反應(yīng)器、壓力管道、壓力容器等，大量的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例積累了寶貴的TOFD 技術(shù)使用經(jīng)驗(yàn)，也為今后進(jìn)一步發(fā)展完善這項(xiàng)技術(shù)和擴(kuò)展國內(nèi)各領(lǐng)域尤其是焊縫無損檢測(cè)項(xiàng)目提供了一個(gè)平臺(tái)。
2.5 TOFD 的優(yōu)缺點(diǎn)
（1）TOFD 的優(yōu)點(diǎn)
（a） 檢測(cè)數(shù)據(jù)可以用數(shù)字形式永久保存。取用、再分析、通訊傳輸方便。
（b） 同射線相比，TOFD 可以檢測(cè)出與檢測(cè)表面不相垂直的缺陷和裂紋。
（c） 可以精確的確定缺陷的高度。
（d） 在安全上，不需要一個(gè)安全的獨(dú)立的操作空間，因此可以在不中斷工藝生產(chǎn)的情況下進(jìn)行檢測(cè)，節(jié)約設(shè)備制造時(shí)間。
（e） 可以在線得到檢測(cè)結(jié)果，并且可以將結(jié)果用數(shù)字信號(hào)形式永久保存在光盤中，以便于以后在役檢驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析；
（f） 可以在線應(yīng)用相關(guān)的工程評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)定，僅將按標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定的缺陷進(jìn)行挖補(bǔ)修復(fù)，避免了破壞焊縫整體性的修補(bǔ)現(xiàn)象。
（g） 因?yàn)闄z測(cè)速度快，對(duì)于板厚超過25mm 的材料，成本比RT 少的多。
（h） 可以在200℃以上的表面進(jìn)行檢測(cè)（已有在400℃檢測(cè)的實(shí)例）。
（i） TOFD 檢測(cè)系統(tǒng)易于搬運(yùn)，可以在方便的任何地方進(jìn)行檢測(cè)。
（j） 由于可以在產(chǎn)品制造期間進(jìn)行檢測(cè)，由此可以節(jié)約大量的時(shí)間和修復(fù)成本。 （k） 檢測(cè)率高于常規(guī)的超聲UT。
（2）TOFD 的缺點(diǎn)
（a） 焊縫的兩邊必須有能夠安放用于TOFD 檢測(cè)的發(fā)射和接收探頭的位置。復(fù)雜幾何形狀的工件檢測(cè)比較困難。
（b） 檢測(cè)時(shí)，存在上下表面檢測(cè)不到的盲區(qū)，此盲區(qū)在2～10mm不等。
（c） 點(diǎn)狀缺陷的尺寸測(cè)量不夠準(zhǔn)確。對(duì)余高未磨平的焊縫橫向缺陷檢出有一定苦難，對(duì)于鑄鐵、奧氏體焊縫需做附加驗(yàn)證和附加處理。
（d）檢測(cè)人員必須經(jīng)過專門的訓(xùn)練，并積累相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)。
圖6 TOFD管道檢測(cè) 圖7 TOFD容器檢測(cè)
3 相控陣檢測(cè)技術(shù)
3.1檢測(cè)原理
超聲相控陣探頭的設(shè)計(jì)基于惠更斯原理。探頭由多個(gè)相互獨(dú)立的壓電晶片組成陣列,每個(gè)晶片稱為一個(gè)單元,按一定的規(guī)則和時(shí)序用電子系統(tǒng)控制激發(fā)各個(gè)單元,使陣列中各單元發(fā)射的超聲波疊加形成一個(gè)新的波陣面。同樣,在反射波的接收過程中,按一定規(guī)則和時(shí)序控制接收單元的接收并進(jìn)行信號(hào)合成,再將合成結(jié)果以適當(dāng)形式顯示。
圖8 超聲波相控陣換能器實(shí)現(xiàn)電子聚焦和波束偏轉(zhuǎn)的原理示意圖
3.2檢測(cè)設(shè)備及探頭
圖9 相控陣探傷儀 圖10探頭
3.3 相控陣檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用
超聲相控陣技術(shù)初期主要應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,超聲相控陣技術(shù)逐漸應(yīng)用于工業(yè)無損檢測(cè),特別是在核工業(yè)及航空工業(yè)等領(lǐng)域，也應(yīng)用道如壓力容器、高能管道焊縫和輸油管道焊縫的檢測(cè)。
3.3 超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
（1）實(shí)時(shí)彩色成像，包括A/B/C/D和S-掃描，便于缺陷判讀，不會(huì)誤判或漏判缺陷；
（2）相控陣技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)線性掃查、扇形掃查和動(dòng)態(tài)深度聚焦，從而同時(shí)具備寬波束和多焦點(diǎn)的特性，因此檢測(cè)速度可以更快更準(zhǔn)；
（3）相控陣具有更高的檢測(cè)靈活性，可以實(shí)現(xiàn)其它常規(guī)檢測(cè)技術(shù)所不能實(shí)現(xiàn)的功能，如對(duì)復(fù)雜工件檢測(cè)；
（4）容易檢測(cè)各種走向、不同位置的缺陷，缺陷檢出率高，檢測(cè)范圍廣，定量、定位精度高；
（5）掃查裝置簡(jiǎn)單，便于操作和維護(hù)；使用更便捷，對(duì)人體無傷害，對(duì)環(huán)境無污染；
（6）檢測(cè)結(jié)果受人為因素影響小，數(shù)據(jù)便于儲(chǔ)存、管理和調(diào)用，以及連接電腦打印查看。也可以直接連接鼠標(biāo)在儀器上操作。
（7）對(duì)管道環(huán)焊縫、球罐、儲(chǔ)罐等對(duì)接焊縫的檢測(cè)，效率高、效果好。
4）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用超聲相控陣還有一定的局限性：
（1）受客觀影響大，工件表面光滑度，焊縫工藝完整性，軌道安裝精度都會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。
（2）檢測(cè)不同壁厚，不同規(guī)格和材料的焊縫，需要不同的試塊來做校準(zhǔn)。
（3）儀器調(diào)節(jié)過程復(fù)雜，調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響大。
（4）對(duì)手工電弧焊的檢測(cè)效果低于自動(dòng)焊。
圖11 相控陣管道檢測(cè) 圖12 相控陣容器檢測(cè)
4 總結(jié)
M-RT檢測(cè)解決了多工種同區(qū)域同時(shí)工作的安全防護(hù)難題，做到全時(shí)制工作、提高工作效率。根據(jù)TOFD的原理和特點(diǎn)，在檢測(cè)厚壁容器（如球罐）和大管徑的管道方面進(jìn)行了應(yīng)用。目前，國內(nèi)超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)管道環(huán)焊縫、球罐、儲(chǔ)罐等對(duì)接焊縫的檢測(cè)，效率高、效果好，在國外已被廣泛應(yīng)用。
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