球形封头环缝TOFD检测可行性试验及检测实施

余热锅炉2020.41
球形封头环缝TOFD 检测
可行性试验及检测实施
杭州锅炉集团股份有限公司无损检测中心 夏福明汪一鸣
摘要锅炉和压力容器球形封头环缝采用衍射时差法(T0FD)时，由于封 头侧有弧度影响，造成主声束角度不一致、聚焦点位置发生偏离和传播声程不
同等因素变化，检测人员通常认为该环缝无法检测。

目前封头环缝仍旧用射线 照相(RT)检测。

本文主要介绍了球形封头环缝用修正方法进行T0FD 检测的可 行性试验，通过试验获得检测数据及检测结果，并选择合适的方法用于检测实 施。

关键词球形封头环缝；仪器调校；T0FD 检测实施
0背景
锅炉和压力容器纵缝、环缝衍射时差法
超声波检测(TOFD)技术已广泛应用并逐渐 替代射线检测，它比射线照相(RT)和超声
波检测(UT)有更高的缺陷检出率，具有精
确测量焊缝中缺陷自身高度能力(达到 O.lnnn 精度)和比较直观的缺陷长度测定能
力，更特别的是，采用衍射波检测技术使得
图］平板对接焊缝TOFD
规范检测示意图
2余热锅炉2020.4
焊缝中面状缺陷如裂纹、未熔合等的检测几乎不受缺陷的倾斜角度影响，因此危险性缺陷检出率高、检测结果可靠、重复性好，是一种高效率、低成本、环保的良好检测手段。

T0FD检测采用探头组（一发、一收）横跨焊缝进行检测，大于50mm厚度则实施多通道检测，平板对接焊缝和环缝检测时两探头处在对称位置，如图1所示，所以探头主声束焦点都在焊缝中心线上，只要选用合适的仪器和探头并调试正确，就不存在检测深度误差超标和声场覆盖问题。

筒节纵缝T0FD检测却存在较多问题。

由图2可以看出，虽然主声束聚焦点在中心线同样方法检测纵缝内80mm处缺陷时，仪器图谱显示深度为（147.52-1382）1/2=52mm,使检测中缺陷深度和实际深度的误差达到80-52=28nmi,它包含直通波以上弦高仪器不能显示的深度误差10.6mm和弧度影响主声束向上位移误差17.4uuno该误差已经远远大于标准规定的厚度的3%。

如果T0FD检测人员没有注意到上述问题，仍旧用平板检测经验来检测和评定而疏忽了缺陷的深度误差，那么就会造成缺陷评定原始记录和报告数据不准确，进而造成深度定位不准，导致同一部位多次返修。

因此，在大厚度筒节纵缝和球罐拼接焊缝T0FD检测中，深度误差太大特别需要引起重视。

图2筒节纵缝一、二通道T0FD规范检测示意图
上但是一通道焦点会向上移2.7mm（PCS小影响不大）,而由于探头直通波以最短路径传播，直通波以上弦高3mm范围是无法检测的盲区，将产生仪器不能显示的3mm深度误差。

二通道PCS间距大，焦点向上位移17.4mm,声程传播距离比平板检测焦点深度2/3处的少24.8mm,底波的传播距离少12.6mm,这将导致深度评定误差的产生。

例如，检测平板对接焊缝80mm处有一缺陷，用
球形封头T0FD的检测情况比较特殊，焊缝左侧是普通环缝，右侧则是纵缝。

如果球形封头环缝需要检测，那么由于封头弧度的影响，将会导致两探头不在同一水平线上，右侧探头主声束不对称，焦点发生偏移，同样存在两探头连线直通波以上弦高部位盲区问题，如图3所示。

这就是检测人员认为球形封头环缝无法进行T0FD检测，该类环缝目前仍旧用射线（RT）照相进行检测的原因。

余热锅炉2020.43
1实施TOFD 检测的理论计算和实验准备
为了验证球形封头环缝是否能够实施
TOFD 检测，我们做了理论计算和一系列的实
际检测试验及数据验证前的准备。

检测设备：以色列ISONIC-2008、
IS0NIC-2010 TOFD 超声检测仪。

检测探头：加拿大JD Tech,频率
5MHz,直径0 6mm,纵波折射角70。

、
60°、55°、45° <>
对比试块：专门制作球形封头环缝对比
试块，人工缺陷的排列、位置与
NB/T47013. 10-2015 图11 TOFD-C 对比试块相
同，如图4所示。

探头扩散角：探头声束T2dB 扩散角是
一个重要参数，它关系到超声波检测声场覆
盖问题，我们仅以折射70°探头为例进行计
算。

已知；钢中纵波声速C=5950m/s (5. 95
mm /P s)；
楔块中纵波声速Cp=2400m/s (2.40nun
直径1800mm,板厚100mm 封头环缝TOFD 对比试块尺寸图(另外加配带弧度翼板)
注：孔径误差不大于土0.02=01,开孔垂直度偏差不大于±0・1。

，其他尺寸误差不大于±0・Q 向皿・
图4 0 1800mm, T=100nnn
封头环缝对比试块
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-12dB扩散因子F12=0.7；探头直径D=6mm；频率F=5MHz。

(a)光学公式计算楔块中的纵波入射角：
sin0p/Cp=sinS/C
sin0p=sin7O°X2.404-5.95=0.379
6p=22.27°
(b)探头楔块中纵波声束扩散角计算：波探头的钢中边界角为：/上=90。

,Ylt =54.05°o
由于探头品牌、型号、规格、频率的不同，扩散角参数也会有所区别，NB/T47013.10-2015标准要求每次检测前要测定-12dB声束扩散角。

按以上的计算方法对JD Tech探头T2dB声束扩散角各规格理论值进行了计算，并与实际测试值进行了对比，结果如表1所示。

表1T0FD探头-12dB扩散角测试数据
器探头直径
rrm 探头
频率
MHZ
蠶探头编号探头
出产地
理论计算
血边界
角度数
理论计算
Y l下边界
角度数
实测值
Y l上边界
角度数
实测值
Y l下边界
角度数
45°65JD Tech1015-6183加拿大45°57°35°63°26.5°45°65JD Tech1015-6184加拿大45°57°35。

63.5°27°60°65JD Tech1015-6187加拿大60°84°47°85°42.5°60°65JD Tech1015-6183加拿大60°84°47°87°38°70。

65JD Tech1015-6184加拿大70°90。

54°90°37°70。

65JD Tech1015-6183加拿大70°90。

54°90°37°以上测试采用NB/T47013.10-2015声束扩散角试块；测试仪器为ISONIC2010 sinY P=F_12C P/DF
siny P=0.7X2.44-(6X5)=0.056
6=3.21°
(c)楔块中纵波声束上、下边界角计算：
Y p±=©p+Y p=22.27°+3.21°=25.48°
丫吓=6厂Y p=22.27°-3.21°=19.06°
(d)钢中纵波的声束上、下边界角计算：
sinY L±=siny p±XC/Cp
=sin25.48°X5.95/2.4=1.066
Y吐=90。

sinY LT=siny PT XC/Cp
=sinl9.06°X5.95/2.4=0.8095
卧=54.05°
综上所述，通过理论计算可得到70°纵2球形封头环焊缝T0FD检测验证
从表1可以看出，由于上扩散角的理论计算值小于实测值而下扩散角的理论计算值大于实测值，因此按探头扩散角T2dB理论计算的声场覆盖小于实测声场覆盖。

以下按照实测值进行球形封头环焊缝T0FD检测验证。

2.1验证方法］
对0〜50mm厚度范围球形封头检测数据进行分析。

以检测球形封头环缝对比试块为例。

其直径为1800mm,厚度T=100nun,一通道检测工件厚度为0~40mm(标准规定)，向下覆盖lOnrni,PCS按照平板对接焊缝设置，如图5所示。

从图5可看出，因焊缝右侧方向受弧
余热锅炉2020.4
5
度的影响，70°探头不在同一直线，下沉距
离为3mm,纵波折射角上抬5。

，主声束不对 称，向上偏离距离为2.3mm,焦点向左偏移
6. 3mm,两聚焦点声程差1. 3mm 。

TOFD 检测数 据如表2所示。

本文缺陷深度均以两探头中
心部位（焊缝中心线）为准。

A 面一通道
PCS 不修正检测缺陷图谱如图6所示。

表2数据说明：
（1） _通道检测时PCS 跨距较小，声程
变化小，声束焦点偏差数值也较小。

经实际
检测对比，试块缺陷深度误差均没有超过
3%的标准规定要求，所以0〜50mm 球形封头
环缝单通道检测PCS 按照平板对接焊缝计算
即可，无需修正。

A 面
面
----B 001
73
73
一通道pcs /2 70
图5 A 面一通道PCS 不彳參•正检测示意图
表2封头环缝A 面第一通道70。

/70°检测数据（mm
工件规格
mm
检测面探头角度通道检测厚度 通道厚度显示 标准孔深 实测孔深 2
左佑HC5Tr * WPCS1覆盖范團呵/直径mm 上~下端点価 Z™*苗汪A
70770°
0-40/146
对接
01800
xlOO
0 - 52. 4
4/O2盲区
（见评定图1）
8/03
下端点9. 40.1mm
12/04下端点13.0
-1. Onini
25/0421.9-26. 3.一1・ 1mm
40/05
36. 4~42
-1. Oinm 见图 6
图6 A 面一通道PCS
不修血检测缺陷图谱
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（2）一通道TOFD检测时，焊缝上表面存在0〜13mm左右的盲区，为了避免上表面缺陷漏检，检测工艺规程和作业指导书必须明确规定A面和B面均需TOFD检测（如按NB/T47013.10-2015规定，则只需检测A面或B面）o
2.2验证方法2
对50mm〜100mm厚度范围球形封头的检测数据进行分析。

试验PCS=277mm按照平板焊缝计算，环缝A面二通道标准规定检测厚度40〜100mm（一通道省略），如图7所示。

从图7可看出，超声波声场能全部覆盖30〜100mm范围，焊缝右侧受封头弧度影响致使60。

探头下沉10.6mm,两探头主声束相差9°,主声束聚焦点声程比规范检测短13.7mm，焦点向左偏移量16.4mm、向上9.3mm,同平板对接相比，对比试块底部主声程传播距离减少6.6mm,可以看出仪器显示深度与实际相比变小。

T0FD检测数据如表3所示。

从表3可以看出，工件底波应该为100mm,但是实际显示在91.6mm；人工缺陷深度测量误差均大于厚度的3%,分别为-
表3封头环缝A面第二通道60。

/60°检测数据
工件规格埼涧面探头角度pcs通道检测厚通道厚度显示标准孔深实测孔深误差mu左/右计算度wn/PCS覆盖范围mn/直径mu上~下端点mn±nm/%
备注
01800 xlOO 70°/70°
按平扳
0-40/1460-51.540/0535.9-•41.1-1.6/<3%
读取1通道
数据评定60760°
对接
40-100/27730.4-91.6
6"5
80/05
44.2-
67.6
50.6
~73
-13.3/>3%
-9.9/>3%
下表面刻橹
显示H
=88.9mm
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13mm和-9.9mm,因此检测数据误差不符合标准要求。

A面二通道缺陷图谱（PCS不修正）如图8所示，图中显示检测区域清晰，但是孔深40mm的缺陷图像因为深度误差的原因几乎丢失，所以不建议用此方法。

0〜50mm,所以深度50mm范围内的缺陷深度评定以一通道为准。

60mm深度人工缺陷与仪器显示在60mm处的误差超过标准规定lmm,可以采用局部修正1~2mm的方法解决（此误差比纵缝检测要小很多），也可以用
2$0
横通孔深60mm.
横通孔深40mm.
无法评定"
记录点2
L=25mm
t=51.81|is.dt=0.83ps H=67.6mm.dH=5.4mm
记录点1
L=123.1mm
t=48.87|is t dt=0.7ps
H=44.2mm t dH=6.4mm
H S E 圈1.mii,ISIS2-ISONIC Office L
ETS3
2Q0
底部刻槽显示.
图8A面二通道缺陷图谱（PCS不修正）横通孔孔深80mm.
2.3验证方法3
对比试块A面检测时，釆用修正PCS距离、使仪器显示试块底部与试块实际厚度相对应的方法检测试验，当PCS=308mm时仪器显示试块底部深度为100.5mm。

从图9看出，由于焊缝右侧受封头弧度影响，60°探头下沉13.2mm,两探头主声束相差10°,主声束聚焦点声程比规范检测长19.lmm,主声束焦点向左偏移19.8mm、向上偏移3.4mm,T0FD检测数据如表4和图10所示。

从表4可以看出，随着PCS距离的增加，主声束的声程也增加，引起底波和人工缺陷深度增加；由于一通道检测的覆盖范围是A型超声波或者PAUT实测；其它深度能满足标准规定要求，无需修正。

上述方法经过数据分析和实践证明可行，检测效果好，对比试块扫查图谱显示清晰，缺陷图像清晰直观，检测区域覆盖能满足标准规定要求，底部刻槽显示清晰，底部盲区小于2mm。

可用于球形封头环缝T0FD检测。

在使用本方法进行T0FD检测时，由于一通道直通波宽度的原因，上表面盲区较大（13mm左右），而底部盲区较小（1mm左右）；为了不漏检又做了B面检测可行性试验，而标准通常只需对A或B面进行检测。

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图9 A 面二通道PCS 彳参正后检测示意图
表4封头环缝A 面第二通道60。

/60°检测数据
囲 3.mii, ISifi 2 - ISONIC Office L
工件规格
mm
检测面
探头角度 左/右PCS 计算通道检测厚 度 mm/PCS 通道厚度显示 覆盖范围mm 标准孔深 /直径mm 实测孔深 上~下端点ran 误差 ±mm/%备注
70770°
0-40/146
0-51.840/05
35.9-41.5
-1.6/ <3%
读取1通道
数据评定01800按平板
X 100
60760°对接
40-100/308
30. 4 - 100.5
60/05
80/0561. 5 ~ 6678. 8 -83. 9
+4/>3%+1.1/<3%
下表面刻槽
显示H=97. 4mm
口匹旳 甥豹曲
2Q0
2$0
记隶点5L= 121.1 mm
t=50.94 ps, dt=0.64 ps H=61.5 mm, dH=4.5 mm □
3
记录点3L = 70.1 mm
t=56.92 |is, dt=0.59 |is H=97.4 mm, dH=3 mm
[I S H
记录点4 L = 22 mm
t=49.02 |is, dt=0.46 |is H=45.7 mm. dH=4.2 mm
r®
记录点1 L = 28 mm
t=57.51 ps, dt=0.04 ps H=100.5 mm, dH=0.2 mm
图10二通道PCS
彳参正检测缺陷图谱
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9
2. 4验证方法4
对比试如面进行检测，PCS 按照平板，
当PCS=277时，仪器显示试块底部深度为
107. Snuno 检测示意如图11所示，检测数据
如表5所示，二通道缺陷图谱如图12所示。

可以看出，二通道的人工缺陷均能发现，但
是深度显示评定都超过3%标准要求，因此此
方法不合适。

表5封头环缝B 面第二通道60。

/60°检测数据（下表面刻槽显示H=105. lmm ）
囲 jgjg 2 - ISONIC Office L
ES1
工件规格nm
检测面
探头角度
右PCS 计算通道检测厚度MTI/PCS1通道厚度显示 覆盖范围mm 标准孔深/直径mn 实测孔深 上〜下端点価误差 ±mm/ %
B
60760°
按平板对接
40~100/277
30.4-107.8
20/05
40/0546.1-50.78. 5nm/>35i 0180060/05
64. 9- 69.87. 4 mm/>3%xlOO
75/O480.6-85.27. 6 mm/>3%
88/04915-99.1
7. 5 nm/>3%92/03
98. 7 ~ 102. 98. 2 nm/>3%960
102.5-106.1
7. 5 m/>3%
4采度75mm 横逋孔显示
深度92mm 横通孔显示"
深度40mm 横通孔显示
深度60mm 横通孔显示"
深度88mm 横通孔显示"
深度96mm 横通孔显示"
对比试块底部刻槽显示
2Q0
2"
图12
二通道•缺陷图谱
10
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2. 5验证方法5
对比试块B 面进行检测时，同样采用了 修正PCS 距离，使仪器显示试块底部与试块
实际厚度相对应的方法实施TOFD 检测，当
PCS=266mm 时仪器显示底波为100mm ；由于焊 缝右侧受封头弧度影响，60°探头上抬
11mm ；两探头主声束相差10° ；主声束聚焦 点声程比规范检测长5mm, t =0.84us ；主声
束焦点向右偏移量15.7mm 、向下6.9mm 。

检 测示意如图13所示，检测数据如表6所示， 二通道缺陷图谱如图14所示。

B 面检测主要是为了弥补A 面检测上的表
面盲区；从表6看出，75〜100mm 深度范围都
符合标准要求，所以底部25mm 范围检测深度
直接采用；其他深度发现的缺陷如60mm 处缺
陷误差5.5mm,该处深度可以用A 面40mm 的缺 陷显示信息，也可以用A 型超声波或者
PAUT 实测。

上述方法经过数据分析和实践证明可
行，检测效果非常好，可以看出从内表面扫 査的上表面盲区和下表面轴偏离盲区都比外
表面扫査的盲区小，完全可以弥补TOFD 检测
一通道上部盲区漏检的不足，探头扩散角覆 盖范围符合标准要求，缺陷图像清晰，底部
缺陷检测精度高，底部盲区lmm 左右。

此方
法高于只需A 或B 面检测的标准要求，可用于
表6封头环缝A 面第二通道60。

/60°检测数据（下表面刻槽显示H=97. 3mm ）
工件规格ran
检测面探头角度PCS 计算
通道检测厚度mm/PCS1通道厚度显示 覆盖范围mm 标准孔深/直径mm 实測孔深 上~下端点mm 误差 ±mm/ %
A
60°/60°
修正40~100/26630.4 700
20/05
40/05下端点33.2
0180060/0552-57.1 5.5mm/>3X
75"471. 3-76.1 1.7/<3%xlOO
88/04
84.2-89.4 1.8/<3%
92/0390.4-93.70. 1/<3%96/如
93.7-96.4
1.3/
<3%
余热锅炉2020.411
卜:廿jue I 为也出W
圈 4.mii F 2 ・ ISONIC Office L
图14 B 面二通道缺陷图谱
球形封头环缝TOFD 检测。

2. 6验证方法6除以上所述，还分别做了改变封头侧探
头角度（分别为45°、55°、70° ）以弥补
弧度造成的角度损失的试验。

为节省篇幅， 仅以在A 表面检测时右侧改变纵波折射角
55°探头试验为例，其检测示意如图15所
示，检测结果数据如表7所示，二通道缺陷
图谱如图16所示。

可以看出，仪器图谱评定
数据与试块中人工缺陷的深度误差均没有超
过3%厚度，且图像清晰。

因此，用改变探头
角度的形式进行修正是可行的。

也可以采用
改变探头角度+改变PCS 距离的组合修正方
式，使焊缝中各深度缺陷位置与屏幕图像解
图15 A 面二通道60。

和55。

PCS
不修正检测示意图
12余热锅炉2020.4
囲 6.mii,通道 2 ・ ISONIC Office L
曲1 !3总專刃亡也泅I gg?痂1
表7封头环缝A 面第二通道60。

/55°检测数据（下表面刻槽显示H=95mm ）
工件规格
mm
检测面
探头角度
知右
PCS 计算
通道检测厚度 nm/PCSI 通道厚度显示 覆盖范围mn 關孔深/宜径mn 实测孔深 上~下端点rm 误差±nm/ %
12/O4
下端点(P1800xlOO
一通道读数
25/0421.7-26
1.3/<3S A 60°/55°不修正40~100/27730.4-97.440/05
36.1-41.3
1. 4/<3%
60/0557.4-62.60.1/<3%80/05
76.3-81.3
0.8/ < 3S
深度80mm 横通孔显示“
_______________________崔
深度40mm 横通孔显示a
深度60mm 横通孔显示“
试块底部刻槽显示屮
2Q0
2”
图16二通道缺陷图谱
析数据误差控制在3%以内，其缺点就是每次 检测必须更换一次探头楔块。

3结论
（1）厚度大于50~200nun 球形封头环缝
T0FD 检测可用以下方法修正：
a 、 改变PCS 方法使仪器显示底部（工件 厚度）与实际试件厚度相对应和个别深度适 量修正技术，缺陷实际深度也可以用A 型超
声波或者PAUT 测定；此方法也适用于纵缝和
球罐拼缝T0FD 检测。

b 、 改变封头侧探头角度修正技术；
c 、 a+b 组合修正技术。

（2） 用本文方法3、方法5和方法6对球 形封头环缝实施A 和B 面检测，可避免检测盲
区，用于锅炉、压力容器球形封头环缝检
测。

（3） 修正方法操作简单、实用，适于
推广应用。

参考文献
[1] NB/T 47013.10-2015,承压设备无损检
测.
：2]强天鹏主编.衍射时差法（T0FD ）超声
检测技术（特种设备培训教材）• 2012。