基于覆材侧的不锈钢复合板球罐超声波衍射时差法检测

毛国均，张子健，柴军辉，，张小龙，吕钟杰，吴家喜，胡 健，李泽鑫

(1.宁波市特种设备检验研究院，宁波 315048；2.宁波市劳动安全技术服务公司，宁波 315048；3.宁波明峰检验检测研究院股份有限公司，宁波 315200)

不锈钢复合板球罐作为一种典型的复合板制承压设备，经常在石油化工行业中使用，超声衍射时差法(TOFD)检测是球罐对接焊缝的有效无损检测方法之一，但使用TOFD检测技术对不锈钢复合板球罐检测还存在以下问题：① NB/T 47013.10-2015《承压设备无损检测 第10部分：衍射时差法超声检测》中规定，若从基材侧对基材对接接头进行TOFD检测，可参照该部分使用，但对于总厚度为2030 mm的球罐对接焊缝，在TOFD检测验证后发现，直通波盲区和基材-过渡层的结合面信号回波会造成检测有效可视区域较小，总体盲区偏大，且信噪比低，检测效果较差；② NB/T 47013.10-2015对基于覆材侧的TOFD检测也进行了说明，若从覆材侧对基材对接接头进行TOFD检测，也可参照该标准执行，但未对具体检测工艺参数进行规定，需要进一步研究，相关文献资料也未对该问题进行有效研究。笔者采用CIVA软件仿真不锈钢复合板TOFD检测工艺，用对比试块验证了该检测工艺的可靠性，最后对一台在役的体积为500 m3的不锈钢复合板球罐进行现场检测，为开展基于覆材侧不锈钢复合板球罐的TOFD检测打下一定的基础。

1 CIVA软件仿真

1.1 CIVA模型

采用平板对接焊缝模型进行模拟仿真，工件尺寸为250 mm×150 mm×20 mm(长×宽×高)，其中基材为Q345R钢，厚度为17 mm，覆材侧为316L钢，厚度为3 mm。对接焊缝CIVA模型分为3层，基材为Q345R钢+过渡层焊条E309Mo-16+覆材316L钢，其中焊缝坡口形式参照标准GB/T 13148-2008《不锈钢复合钢板焊接技术要求》选取6.3节中的对接2号X型坡口(见图1)，为与后续对比试块检测数据进行比对，在CIVA模型中添加长横孔和矩形槽缺陷，分别验证TOFD检测工艺表面盲区和焊缝中下部的灵敏度，CIVA三维模型如图2所示。

图1 对接2号X型坡口尺寸示意

图2 对接焊缝的CIVA三维模型

1.2 声场计算

TOFD检测的主要工艺参数有：PCS(探头中心间距)、探头频率、折射角度与晶片尺寸等[1-2]，结合所研究的内容，还需设置检测面对声场的影响，研究采用CIVA软件中超声检测(UT)模块的Beam Computation(声场计算)功能进行计算，对-12 dB和-6 dB的声束覆盖范围进行分析，比对各种情况下声束对工件的覆盖情况能否满足检测要求，选取出最佳检测工艺参数。从PCS、探头频率、折射角度、晶片尺寸和检测面等5个因素进行模拟计算，相关设置根据NB/T 47013.10-2015的推荐值进行排列。

1.2.1 改变探头频率对声场的影响

选取PCS为75 mm，折射角为70°，晶片尺寸为φ6 mm，检测面为覆材侧，对探头频率为5，7.5，10 MHz的情况进行仿真，不同探头频率对TOFD声场影响的仿真结果如图3所示。

图3 不同探头频率对TOFD声场影响的仿真结果

探头频率对声场的影响分析结果如表1所示(pts为CIVA软件在不同工艺条件下波高能量大小比较的特殊单位，pts值越大，质点能量越大)。

从表1可以看出，探头频率选取7.5 MHz时，综合比较各项参数具有最优结果。

1.2.2 改变PCS和折射角对声场的影响

模拟计算选取探头频率为7.5 MHz，晶片尺寸为φ6 mm，检测面为覆材侧不变，折射角选取60°，65°，70°，分别计算PCS在70，75，80 mm下的声场情况，计算结果如图4所示。

表1 不同探头频率对声场的影响分析结果

从图4可以看出，TOFD纵波声场大体呈圆锥形，声场能量主要集中在一定的区域内，通过比较聚焦深度、声场能量、-6 dB和-12 dB声束水平和深度方向覆盖范围来确定最佳PCS和折射角度，其中声场能量取聚焦范围最高点的振幅作为代表，不同PCS、不同折射角度对声场的影响分析结果如表2所示。

图4 不同PCS和折射角度对TOFD声场影响的仿真结果

表2 不同PCS、不同折射角度对声场的影响分析结果

根据表2，计算区域内能量最大点位置，将-6 dB和-12 dB覆盖范围进行综合比较，得出PCS为75 mm，折射角度为70°时，声场覆盖具有最优结果。

1.2.3 改变晶片尺寸对声场的影响

选取PCS为75 mm，折射角为70°，探头频率为7.5 MHz，检测面为覆材侧不变，在晶片尺寸分别为φ2，φ4，φ6 mm的情况下进行仿真，不同晶片尺寸对TOFD声场影响的仿真结果如图5所示。

晶片尺寸对声场的影响分析结果如表3所示。

从图5和表3可以看出，晶片尺寸为φ2 mm时，纵波声场未形成明显聚焦；晶片尺寸为φ4 mm时，仅存在微弱的聚焦效果；晶片尺寸选取φ6 mm时，综合比较各项参数具有最优结果。

图5 不同晶片尺寸对TOFD声场影响的仿真结果

表3 晶片尺寸对声场的影响分析结果

1.2.4 改变检测面对声场的影响

选取PCS为75 mm，折射角为70°，探头频率为7.5 MHz，晶片尺寸为φ6 mm，对检测面设置为基材侧和覆材侧的情况进行仿真，结果如图6所示。检测面对声场的影响分析结果如表4所示。从图6和表4可以看出，若从基材侧检测，由于对接焊缝由3层不同材料组成，且焊态不锈钢对纵波较碳钢对纵波存在明显衰减，TOFD纵波未形成能量聚焦，且存在多个波幅极值点，这对检测来讲是极为不利的，因此仅基于声场能量这一角度来讲，从覆材侧进行检测相对于从基材侧进行检测具有明显的优势。

图6 不同检测面对TOFD声场影响的仿真结果

表4 检测面对声场的影响分析结果

综上所述，针对20 mm(17 mm+3 mm)厚不锈钢复合板基于覆材侧的检测工艺定为：PCS为75 mm，探头频率为7.5 MHz，折射角度为70°，晶片尺寸为φ6 mm。

1.3 缺陷响应

根据上节所选取的TOFD检测工艺参数，在CIVA模型中添加长横孔和矩形槽缺陷，进行缺陷响应的模拟计算，所添加的缺陷参数如表5所示。

表5 CIVA模型中所添加的缺陷参数

分别采用CIVA软件中的长横孔和矩形面状缺陷进行设置，长横孔的设置主要考虑验证检测工艺的表面盲区深度和焊缝中部的检测灵敏度，覆材侧矩形槽的设置主要考虑验证检测工艺的表面盲区，基材面矩形槽是为了验证检测工艺在焊缝根部的检测灵敏度。CIVA 三维模型缺陷设置如图7所示。

采用声场计算得出的检测工艺参数，分别基于覆材侧和基材侧对试块进行非平行扫查，从缺陷响应的角度来验证基于覆材侧检测工艺的可靠性。

图7 CIVA 三维模型缺陷设置

1.3.1 基于覆材侧检测

对于长横孔的缺陷算法选择基尔霍夫衍射理论模型，矩形面状缺陷的算法选择几何衍射理论(GTD)模型。GTD模型是几何光学理论的延伸，解决了非连续场的计算问题，主要用于TOFD缺陷响应里的面状缺陷计算[3]，在整个非平行扫查过程中，仅计算纵波响应，不考虑横波和波形转换，基于覆材侧的仿真结果如图8所示。

图8 基于覆材侧的TOFD检测仿真结果

由图8可知，在该检测工艺参数下，1#，3#，5#，7#，9#缺陷能很好地检出，其中3#～5#图像符合典型下表面开口缺陷的形貌，2#，4#，6#，8#缺陷由于埋深为1～4 mm，且根据理论计算直通波盲区为6.6 mm，因此无法检出缺陷，均淹没在直通波盲区里，但是1号长横孔在D扫图和A扫图中能明显发现，直通波处信号幅度有明显加强，其次整个D扫图中未见异种钢结合面处的回波信号。

1.3.2 基于基材侧检测

基于基材侧的TOFD检测仿真结果如图9所示。

图9 基于基材侧的TOFD检测仿真结果

由图9可知，基于基材侧的TOFD检测可以发现1#，2#，4#，6#，8#，9#缺陷，但3#，5#，7#缺陷淹没在直通波盲区内，值得注意的是，在整个D扫图中有明显的异种钢结合面处的回波信号，这个回波信号对检测来讲是不利的，理论模型结合面是光滑平整的，实际模型是粗糙不平整的，界面回波信号影响会变大，现将两种检测方法对缺陷的检出结果进行比较(见表6)。

表6 两种检测方法缺陷响应结果

从表6可以看出，采用覆材侧或基材侧TOFD检测时，对于缺陷的几何尺寸测量均具有较高的精度，误差在1 mm以内，但基于覆材侧检测缺陷信号回波强度明显强于基于基材侧检测缺陷信号回波强度，部分数据相差一个数量级，原因在于基于覆材侧的TOFD检测具有聚焦声场，能量较为集中。

1.3.3 TOFD-D扫图有效可视区域的比对

NB/T 47013.10-2015中关于复合板TOFD检测主要关注的是基材对接接头部分，因此有必要对两种检测方法的有效可视区域进行对比分析(见表7)。

从表7可以看出，覆材侧检测有效可视区域范围明显大于基材侧检测的，异种钢结合面信号和焊缝不锈钢部分信号均被直通波盲区所覆盖，基材侧检测3处非有效区域不相互重叠，占据了D扫图中大部分面积，其次TOFD-D扫图在工件厚度方向上不是按比例设置的，进一步造成了基材焊接接头可视部分的压缩。

1.4 小结

采用CIVA仿真技术对覆材侧和基材侧两种检测工艺进行了研究，结果表明：从声场能量、缺陷响应、D扫图有效可视区域等3个方面来讲，覆材侧检测较基材侧检测具有明显的优势。

表7 两种检测方法有效可视区域对比

2 对比试块验证

图10 20 mm(17 mm+3 mm)厚不锈钢复合板对比试块尺寸示意

基于上述CIVA仿真结果与结论，采用20 mm(17 mm+3 mm)厚不锈钢复合板对比试块进行实际TOFD检测验证，分别从覆材侧和基材侧进行扫查，并对结果进行比对分析。比对试块尺寸示意如图10所示，检测设备为：南通友联PXUT-920 TOFD检测仪，7.5 MHz、φ6 mm探头一对，70°楔块一对，编码器一个。20 mm(17 mm+3 mm)厚对比试块检测结果如图11所示。

图11 20 mm(17 mm+3 mm)对比试块检测结果

从图11(a)可以看出，基于覆材侧检测可以明显发现9#长横孔(埋深10 mm)，覆材侧6#，8#矩形槽(埋深3，4 mm)，基材侧3#，5#，7#矩形槽(埋深2，3，4 mm)，未检测出1#长横孔，因此可以得出表面盲区为3 mm，小于理论计算表面盲区6.6 mm，未发现异种钢界面回波信号，整个图谱具有较高的信噪比。

从图11(b)可以看出，缺陷检出率明显偏小，仅检出5#，7#，9#缺陷，同时9#长横孔易受杂波信号干扰，基材侧5#，7#矩形槽(3，4 mm)可见，表面盲区同样为3 mm，覆材侧矩形槽未见明显回波信号，同时整个图谱中存在明显的连续异种钢界面回波信号，相比于CIVA仿真，信号更为强烈，且存在多层界面波，这是由于焊接过程中异种钢的结合面不像仿真中的光滑、平整、无缺陷和无杂质，这类界面回波信号会影响整个图谱的信噪比，且有效可视区域较小，对缺陷的定量、定性都极为不利。

对比试块的验证结果表明：基于覆材侧的复合板TOFD检测具有明显的优势，与CIVA仿真结果具有较高的吻合性。

3 现场检测应用

根据CIVA仿真优化和对比试块验证的TOFD检测工艺，对某化工企业一台500 m3环氧丙烷不锈钢复合板球罐进行开罐后基于覆材侧的TOFD检测，该球罐规格为Di9900×(17+3) mm，材料为Q345R+304不锈钢，TOFD检测抽查45 m，对于扫查面盲区采用手工超声检测(UT)和渗透检测(PT)进行补充检测，对于底部盲区采用两侧偏置非平行扫查进行补充检测，TOFD检测结果如表8所示，球罐的TOFD检测D扫图如图12所示。

表8 TOFD现场检测结果

图12 500 m3球罐的TOFD检测D扫图

根据表8和图12可以看出:TOFD检测共发现4处超标缺陷，根据NB/T 47013.10—2015评定为Ⅲ级，需要进行返修处理；采用基于覆材侧的复合板TOFD检测工艺，异种钢界面回波与直通波相互叠加，有效可视区域范围增大，盲区减小，缺陷图谱清晰，具有较高的信噪比。

4 结语

针对不锈钢复合板球罐基材侧TOFD检测存在的问题，提出了基于覆材侧的TOFD检测技术。采用CIVA仿真检测工艺，进行了对比试块验证和现场检测应用，结果表明：基于覆材侧的检测工艺具有声场能量集中、缺陷检测灵敏度高、信噪比高、有效可视区域大等优势，检测工艺是复合板球罐对接焊缝有效且重要的检测手段之一，对于广泛地开展不锈钢复合板球罐覆材侧TOFD检测具有一定的指导意义。