TOFD技术在三峡蜗壳焊缝检测中的应用
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摘要：本文详述了三峡工程左岸电站、右岸电站、地下电站蜗壳现场焊缝质量检测方法及tofd无损检测与传统射线检测的比对试验， 提出了TOFD+UT的检测方案。
关键词：三峡工程蜗壳 现场焊接 无损检测 TOFD 比对试验
中图分类号： P755.1 文献标识码： A 文章编号：
1：TOFD技术的应用情况介绍
1.1、TOFD技术简介
TOFD是Time of Flight Diffraction（衍射时差法）的缩写，也叫“裂纹端点衍射时差法”或“尖端反射法”。它是上世纪70年代由英国哈威尔无损检测中心首先提出的。它是依靠超声波与缺陷端部的相互作用发出的衍射波来检出缺陷并对其进行定量的。所记录的衍射信号传播时差就是缺陷高度的量值，从理论上讲，超声TOFD法克服了常规超声波探伤的一些缺点，缺陷的检出和定量不受声束角度、探测方向、缺陷表面粗糙度、试件表面状态及探头压力等因素的影响。
1.2、我国TOFD标准及法规介绍
2007年6月国家质量监督检验检疫总局国质检特函（2007）402号文《关于进一步完善锅炉压力容器压力管道安全监察工作的通知》第六条“关于衍射波时差法超声波检测（TOFD）方法的应用”，这是国内政府管理部门第一份有关TOFD检测的规定，为TOFD检测的应用提供了法律依据。但应用范围仅限于现场制造厚度60mm以上的压力容器，60mm以下的不允许。2007年10月，国家质检总局以（2007）质检特便字第3077号文批复中国特检院在新山子石化公司炼油和乙烯改扩建工程中现场组装的压力容器（壁厚最小为18mm）采用手工超声波检测加TOFD检测相结合方式代替射线检测。2006年9月，我国特种设备行业JB/T4730《承压设备无损检测：衍射时差法超声检测》起草组于北京成立，成员来自中国特设局、中国特检院、全国锅容标委、全国特种设备无损检测考委会、省市检验检测机构、承压设备制造单位、国内外设备生产厂家、电力系统和石油系统。与此同时，国内很多行业和企业也都在编制自己的TOFD标准，如郑州机械研究所编的电力行业标准、中国长江三峡开发总公司金属结构设备质量监督检测中心编的企业标准《水电金属结构及机电设备超声衍射时差法检测标准》等，都已在各项工程中得到广泛应用。目前，《蒸汽锅炉安全技术监察规程》和《压力容器安全技术监察规程》修订本中，也将TOFD检测方法纳入正式条文。
2、TOFD技术在三峡工程中的应用
2.1、三峡左岸电站蜗壳无损检测情况
三峡左岸电站共安装额定容量700MW的14台机组，通过国际公开招标，分别由两个集团负责供货和技术指导。其中VGS联营体（德国Voith，加拿大GE Hydro，德国Siemens）获得了1#，2#，3#，7#，8#，9#六台机组的合同，法国ALSTOM集团获得了其余八台机组的合同。厂家技术文件规定：蜗壳所有焊缝100％超声波检测，蜗壳与座环过渡板连接焊缝、蜗壳与钢管合拢焊缝、凑合节纵缝及丁字缝、大舌板焊缝可拍片部位均应进行100％射线拍片，蜗壳所有环缝进行20％射线拍片，20％射线抽检中如发现超标缺陷则对该环缝进行20％的增加拍片，如再次发现超标准缺陷，则对整条环缝进行100％射线拍片。射线检测用的射线源是Ir192，胶片采用利维那（爱克发）。在1、2号机，VGS厂家文件规定，蜗壳两个凑合节四条环缝也应进行100％射线拍片。经过两台机后，厂家根据安装焊缝质量较好和费时较多，工期太长才取消了这一规定。同ALSTOM一样的要求，除原100％射线拍片部位外，对所有环缝均进行20％射线检测。
2.1.1、我国对蜗壳安装焊缝无损检测有关规程规范要求
DL/T5070-97《水轮机金属蜗壳安装焊接工艺导则》规定：焊缝内部质量可选用射线探伤或超声波探伤，重要焊缝按设计要求可以增加磁粉探伤或着色探伤，选用超声波探伤时所有焊缝100%检查，对怀疑部位酌情用射线探伤复核。
GB/T 8564 -2003《水轮机安装技术规程》规定：采用射线探伤时，环缝10%，不低于GB3323BⅡ级；纵缝、蜗壳与座环对接缝20% ，不低于GB3323BⅡ级；采用超声波探伤时，环缝100%，不低于GB11345BⅡ级要求；纵缝、蜗壳与座环对接缝100%，不低于GB11345BⅠ级要求，对怀疑部位用射线探伤复核。
2.1.2、三峡左岸机组蜗壳探伤情况简介
三峡总公司机电安装项目部2000.07.19《关于明确三峡左岸电站蜗壳超声波和射线探伤方案的函》（机电（2000）第031号）明确要求：所有焊缝进行100%UT；蜗壳与座环连接缝、蜗壳与钢管合拢缝、凑合节纵缝以及所有丁字缝部位在100%UT探伤的基础上进行100%RT；蜗壳所有环缝在100%UT探伤的基础上进行20%RT抽检（不含丁字缝)。
（1）射线检测工艺
探伤设备：Ir192 γ射线探伤机；
透照方式：γ源放在蜗壳内进行透照，蜗壳与钢管合拢缝采用周向曝光，其余单张透照。
（2）UT检测工艺
探伤设备：常规数字式超声波探伤仪
探测方式：40mm以下单面双侧，用45度和60度的斜探头；40mm以上双面双侧，用45度和60度的斜探头。
（3）检测结果
UT----共检测安装焊缝12462.91m；发现超标缺陷（未熔合、气孔、夹渣等，未发现裂纹）627处，返修长度46.275m。 UT检测合格后采用γ射线拍片，ALSTOM每台约1300张片，VGS每台约1200张片，安装焊缝共透片18456张，发现有超标缺陷（密集气孔和夹渣等，个别处未熔合，未发现裂纹）需返修的底片241张，加拍底片226张。
（4）射线检测防护方案
射线探伤最大难题是防护问题。射线有生物效应和化学效应，会损伤人体的正常组织，超辐射剂量就可能引起放射性损伤。三峡总公司有关部门一开始就非常重视射线防护工作，多次召开防护专题会议，研究部署射线防护工作，多次组织射线剂量现场实际测量，并邀请宜昌市防疫站放射防护科专家来工地监测。三峡总公司还花巨资制作了厚度5毫米、13米×13米两块、38米×22米两块铅屏风防护墙，分别放在射线拍片的压力钢管管口处和蜗壳左右侧 。射线拍片安排在晚班进行，透照时相邻蜗壳停止施工，相邻蜗壳之间放入5mm铅板防护墙，隔离区为60m。即使如此，每晚射线拍片时，相邻工段的工人闻风而逃，严重影响了其他工种施工。各级领导都不同程度在半夜三更接到告状电话。为此探伤监理到各施工单位给工人讲述射线防护知识，讲解射线防护三原则（屏蔽防护、距离防护、时间防护），并建立了蜗壳“射线探伤工作联系单”制度，左岸施工各单位安全负责人及生产调度，会签“射线探伤工作联系单”后才准许当晚进行射线拍片。机电安装项目部还制作了射线探伤警示牌、警示灯、警示绳，并在厂房门口张贴安全距离测试报告和探伤部位通告。可以说，三峡左岸电站蜗壳射线探伤辐射防护是影响施工进度的主要因素，也是左岸电站施工中最为费神的事。
2.2、三峡右岸电站蜗壳无损检测情况
《三峡右岸水轮发电机组合同文件》 2.2.10.2规定：蜗壳纵缝、蜗壳与座环连接缝100%射线检查，不能用RT拍片处进行100%超声波检查；蜗壳所有焊缝100%超声波检查，对有怀疑的地方用射线进行复查；对所有焊缝打磨平整并进行着色渗透或磁粉探伤检查。
右岸机组蜗壳安装施工工期紧，将有数台蜗壳同时施工，射线拍片会干扰相邻工作面施工，直接影响右岸机组直线工期。为解决此问题，2005.07.20三峡总公司工程建设部组织召开专题会，外邀了有关探伤专家和各有关单位，讨论会上确定的右岸蜗壳焊缝探伤方案如下：
取消左岸蜗壳焊缝20％的RT检测，建议在右岸蜗壳焊缝进行UT＋TOFD＋RT的检测对比试验，验证其适用性、缺陷检出率、定量定性的准确性。根据试验情况决定是否进一步减少RT比例或替代RT检测。所有焊缝100% UT（常规超声波检测）；蜗壳与座环过渡板连接缝 100%RT；蜗壳与钢管合拢缝100%RT；凑合节纵缝及丁字缝100%RT；小舌板焊缝可检测部位进行100%RT。
在第一台蜗壳焊缝检测中附加进行智能超声检测：蜗壳与座环过渡板连接缝十字缝处100%；蜗壳与钢管合拢缝20%；凑合节纵缝及丁字缝100%；蜗壳小舌板焊缝100%；其它管节的丁字焊缝100%；
说明：此方案取消了环缝20%RT检测，调整后RT检测工作量相当于左岸的67%左右，拍片量约890张，根据经验估计比左岸缩短探伤工期10~20天（左岸蜗壳单台RT 历时32~58天不等）。
2.3、对比试验
2005年7月20日三峡总公司工程建设部组织召开了专题会，外邀有关探伤专家和各有关单位，确定右岸蜗壳焊缝探伤方案：所有焊缝100％脉冲反射式超声波检测（A扫描UT）；对蜗壳与座环过渡板连接焊缝、蜗壳与钢管合拢焊缝、凑合节纵缝及丁字缝、大舌板焊缝可拍片部位进行100％RT，取消了左岸电站蜗壳环缝20％RT检测，只对环缝超声波检测有疑问处进行RT复检。建议在右岸蜗壳焊缝进行TOFD和RT、手工超声波（UT）的检测对比试验，验证其适用性、缺陷检出率、定量定性的准确性。根据试验情况决定是否进一步减少RT比例或逐步替代RT。
2.3.1、第一阶段比对试验
2005年8月由三峡总公司机电安装项目部牵头，金結检测中心具体负责实施，总公司科技、环保、质量总监办等部门，设计、制造、安装、监理等相关单位参加。先在水电八局制造厂制作人工缺陷试块19块，用常规超声UT、射线检测RT、TOFD检测三种方法对同一块试块焊缝进行检测比对；在八局制造厂对25号机蜗壳制作焊缝26个管节101条纵缝进行检测比对；又在右岸厂房22号机蜗壳安装焊缝凑合节纵缝、蜗壳与座环过渡板连接焊缝、按常规超声UT+TOFD检测+射线检测RT的顺序进行比对，并对三种检测方法在检测中发现的超标缺陷部位，当场进行解剖验证。结果表明：常规超声UT检测和TOFD检测两种方法对缺陷定位、测长比较准确，定性有一定偏差；TOFD较全面的反映了试板中的缺陷情况，有少量RT发现的缺陷TOFD检测未检出（经分析这与现场条件、仪器设备、操作水平等因素有关，如经验不足对扫描图谱中的显示也会出现错判、漏判、误判）；RT检测由于受到板厚、透照条件等因素影响对面积型缺陷（裂纹、未熔合等）检出率明显低于常规超声UT检测和TOFD检测。
2.3.2、第二阶段比对试验
2005年11月30日～2006年1月19日又进行了第二阶段试验比对情况，试验与施工同时进行，为了不影响工程进度，对上过渡板与蜗壳连接焊缝UT、RT检测发现的超标缺陷，先不返修，在同一位置用TOFD检测后，再对缺陷返修解剖验证。在制造厂对7块试板按常规超声检测UT＋TOFD＋RT的顺序试验，对三种方法各自发现的缺陷解剖验证。
2.3.3、试验结果分析：
根据现场比对试验的结果，考虑相关检测技术的发展及在相关行业的应用情况，根据三峡工程实际情况，分析认为，可以初步得出以下结论：
（1）缺陷检出率
试验结果表明在三峡蜗壳焊缝的壁厚范围内TOFD技术具备快速发现缺陷能力及对缺陷的高检出率，特别是对面积型危害缺陷（裂纹、未熔合）的检出能力明显高于RT。
（2）对缺陷的定量、定位及定性
TOFD技术对缺陷的定深、测长比较准确。在对缺陷的定性判断上，TOFD需要进行图谱分析,受操作人员的技术水平和经验影响。从试验的结果看，其准确性较高。
2.3.4、试验结论
（1）在蜗壳焊缝中采用TOFD技术：可以快速发现缺陷；特别对面积型危害缺陷（裂纹、未熔合）的检出率明显高于RT；对缺陷的定量、定位准确性高；在对缺陷的定性判断上误判率较低；能够全过程自动记录检测过程及永久保存焊缝图谱，有利于对缺陷的追溯及监控；检测有国际标准可以引用；并能够适应现场复杂环境条件的检测要求。
（2）在蜗壳安装焊缝探伤中采用TOFD+UT的检测方案：可以满足对危害性缺陷不漏检的要求；存在少量对缺陷的误判现象（包括缺陷性质的误判、定量误差引起的超标误判等）；对图谱的判读依赖于操作员的经验和水平，其检测质量受到较多条件的制约。
2.4、三峡地下电站电站蜗壳无损检测情况
三峡右岸地下电站，装机六台700MW的水轮发电机组，其中27#28#为东方电机厂供货，29#30#为天津ALSTOM供货，31#32#为哈尔滨电机厂供货。通过前期的检测对比实验，验证了TOFD的检出率，并多次组织专家论证其可行性。在地下电站蜗壳安装中，全面推行了TOFD技术代替γ射线技术，最终确定无损检测方法为：所有焊缝100%UT，纵缝、上蝶形边、下蝶形边100%UT +100%TOFD探伤，不小于20%TOFD探伤抽查，发现超标缺陷的部位进行RT复查。检测实践证明，TOFD工艺对缺陷判断准确，能够保证焊缝质量，而且生产组织得当，一台蜗壳节省工期约2个月左右，收到了明显的效果。
3 、结束语
三峡工程蜗壳焊缝质量检测经历了UT＋RTUT＋TOFD＋RTUT＋TOFD 的检测过程，其中在三峡左岸、右岸机组蜗壳射线探伤均采用X射线和γ射线方法进行，受设备限制，超过50mm以上厚板和现场焊缝，大多采用γ射线探伤.无论是X射线还是γ射线，一是都对人体有伤害，γ射线尤胜；二是都要拍摄大量的底片.实际施工要采取屏蔽措施、安排其他工作面避让，对工期和人体影响很大，协调难度大。而TOFD（Time-of-flight-diffraction technique）检测技术在国外已有15年成功应用经验，TOFD的优点表现在：缺陷检出能力强，缺陷定位精度高，检测速度快，对人体生理没有影响，可以在不中断生产的情况下安全检测，节省设备的制造时间，检测数据可以用数字形式永久保存等.与X射线和γ射线比较，它最大的优点是人性化，对工期和生产组织十分有利。建议在其它类似工程焊缝无损检测全部取消射线检测（RT），采用常规超声波（UT）＋TOFD技术。
【作者简介】
李波：葛洲坝集团机电建设有限公司通航工程设备安装处 1963.7月出生，高级工程师，湖北宜昌，从事水电工程施工管理工作。
卫书满：葛洲坝集团机电建设有限公司通航工程设备安装处 1972.9月出生，高级工程师，湖北宜昌，从事水电工程机电金结制造安装技术质量管理工作。