民用核钛合金设备焊接接头的目视检测

石养鑫，张 成，亢 浩，魏 侃

(西安优耐特容器制造有限公司，西安 710201)

钛材因在湿氯气、高温盐等工况中具有良好的耐蚀性，已被广泛应用于制造石油化工、化纤、精细化工、能源等行业使用的热交换器、塔器、反应器等设备。钛材具有较高的活性，在400 ℃时开始吸氧、600 ℃开始吸氮，当钛焊缝中含有这些气体成分时,其焊接接头的冲击性能、塑性和韧性甚至耐蚀性能都会不同程度的降低，因此钛材一般采用惰性气体保护焊进行焊接，且对焊接气氛要求极高。

目前，民用核钛合金设备应用相对较少，其目视检测无专用成熟的标准规范，而钛合金设备在制造过程中经常会出现焊缝外观缺陷或接头表面氧化等问题，目视检测时，由于缺少权威统一的评价标准，检测结果常判定不准确和存在争议。笔者结合多年钛合金焊接接头目视检测实际工作经验，并参照ASME规范 《锅炉及压力容器规范》 第Ⅴ卷第9章目视检测要求、JB/T 4745 《钛制焊接容器》-2002制定了钛合金焊接接头的目视检测工艺[1]，并以18 mm×2 mm(直径×壁厚，下同)的TA2合金管对接焊缝为例，介绍了目视检测工艺及工艺验证的方法，并确定了最佳检测工艺，可为同类设备的目视检测提供参考。

1 检测设备及仪器

焊缝目视检测应选择与被检测对象及环境等相匹配的设备和仪器，一般包括照度计、灵敏度灰卡、放大镜、粗糙度仪、焊缝检测尺、焊缝检测样板[2]、游标卡尺、人工照明光源(白炽灯、手电筒)、视频内窥镜及辅助工装等。仪器应处于良好状态并在标定合格有效期内，对于目前国家法定计量单位暂未开展鉴定工作的仪器，应自行采用适当的比对方法进行校验或校准，以保证检测数据的可信度以及精度在允许的误差范围内。

2 验证试样

为了保证检测过程中工艺系统的有效性，以及验证检测人员的能力，需制作目视检测的专用验证试样。

2.1 分辨力验证试样

目前核工业均采用18%的中性灰卡作为目视检测的参考背景，考虑到钛材表面呈银亮色，为了使参考背景更接近于钛材表面，将宽为0.2，0.4，0.6，0.8 mm的4种黑线或其他类似人工缺陷放在检测区域中最难以观察到的待检部位表面或相近似的表面，并根据产品要求的分辨力确定所需识别的线宽度，若产品技术文件无特殊要求，则核级钛合金设备焊接接头表面直接目视检测的分辨力至少应达0.6 mm线宽。

2.2 模拟对比试样

为了对目视检测人员的技能水平及工艺系统进行综合评价和验证，应制作模拟对比试样，试样与被检件具有相同或相近的材料、结构、表面状态，外表面缺陷、焊接接头颜色等。

3 目视检测方法

核级钛合金设备焊接接头目视检测方法包括直接目视检测技术和间接目视检测技术两种。

3.1 直接目视检测技术

直接目视检测技术利用肉眼直接进行检测，通常用于现场目视可达部位的检测。检测时眼睛应能充分靠近被检焊缝，与被检焊缝表面的距离不超过600 mm，眼睛与被检焊缝表面所成的夹角不小于30°；检测区域需有足够的照明条件，一般检测时至少要保证500 lx的光照强度，但不能有影响观察的刺眼反光。在进行核级钛合金设备金属表面检测时不应使用直射光，应选用具有漫散射特性的光源；对于必须仔细观察或发现异常情况需要做进一步观察和研究的焊缝区域，至少应保证1 000 lx的光照强度。直接目视检测技术应能保证在与检测环境相同的光源条件下，将分辨力验证试样放在被检区域中最难以观察到的部位时，至少能清晰分辨出一条规定宽度的线或其他类似人工缺陷。

3.2 间接目视检测技术

对于肉眼不易或无法进行直接目视检测的被检部位和区域，可借助于视频内窥镜、反光镜或其他合适的辅助设备进行检测，即进行间接目视检测[3]。间接目视检测应至少具有与直接目视检测相当的分辨能力。对于核级钛合金设备焊接接头的间接目视检测，还需进行适应环境的工艺性验证试验，保证目视检测系统能够满足检测工作的要求。

工艺性验证试验一般在分辨力验证试样和模拟对比试样上进行。验证环境应尽可能与检测环境相同或相近似，包括相似的表面条件或光照条件、表面结构、反射比、表面粗糙度等。

4 工艺试验

用φ18 mm×2 mm TA2合金核级管的对接环焊缝来验证该检测工艺的有效性。由于被检管管径较小，焊缝外表面可采用直接目视检测，焊缝背面(焊缝根部)需采用间接目视检测(视频内窥镜)。考虑到在实际目视检测时，焊缝背面的间接目视检测有一定技术难度，故试验主要对焊缝背部进行间接目视检测。

4.1 检测准备

检测前需准备照度计、视频内窥镜、分辨力验证试样、模拟对比试样、检测探头辅助工装等。

考虑到钛材本身具有金属光泽，在检测过程中可能会产生炫光，故要求所用视频内窥镜的光源亮度可调节，同时应选择对检测颜色还原性较好的彩色视频内窥镜。试验选用美柯MK-200型视频内窥镜。

为了保证检测的准确性，采用TA2合金材料作为参考背景，在该背景下应能识别出规定宽度的黑线。

制作与被检件材料、规格等一致的模拟对比试样，并采用相同的焊接工艺进行焊接，在焊缝根部制作不同程度的焊缝氧化、咬边、内凹等具有代表性的焊接表面缺陷。

被检管管径小，不能使用仪器上带旋转视向功能的探头调节最佳观察角度。为了保证观察效果，选用0°视向和90°视向专用探头，分别从管端两侧观察焊缝根部。利用光的反射原理，制作了一定角度的专用不锈钢反光镜片，加装在0°视向探头前端，通过光路转折实现90°视向观察，从而达到观察检测的目的。角度镜工装外观如图1所示。

图1 角度镜工装外观

为了保证内窥镜探头能够顺利到达被检部位，制作了辅助工装，该工装为数段10 mm×1.5 mm(直径×壁厚)，长为500～1 500 mm的不锈钢管，其两端加工螺纹，可根据实际需要进行拼接。辅助工装外观如图2所示。

图2 辅助工装外观

4.2 检测工艺

模拟被检部位环境做视频内窥镜检测光照度测试，移动视频探头逐渐接近照度计测量头，并记录测量照度值，光照度应大于1 000 lx。光照度测量现场如图3所示。

图3 光照度测量现场

模拟被检部位环境做视频内窥镜分辨力测试，移动视频探头逐渐接近分辨力验证试样至0.6 mm粗的黑线能清晰可见。分辨力测试现场如图4所示。

图4 分辨力测试现场

检查过程中，应平缓移动探头，速度不超过10 mm/s。检测焊缝及热影响区的氧化色时，采用直线进退式扫描方式，每次扫查宽度不超过20 mm；采用间接目视检测技术(即采用0°视向和90°视向的观察方向)，分别从管端两侧对焊缝根部进行观察检测。

4.3 检测结果及分析

检测完成后对试样进行解剖，进行评价及验证，检测情况如下所述。

(1) 根部焊缝及热影响区颜色检测。由管路两端侧0°视向， 90°视向观察可见，焊缝及热影响区均清晰可见蓝色氧化(见图5)。

图5 焊缝及热影响区表面颜色观察及解剖结果

(2) 咬边缺陷检测。从管路两端侧0°视向观察，发现咬边缺陷不明显；从管路两端侧90°视向观察，发现咬边缺陷较为明显(见图6)。

图6 咬边缺陷观察及解剖结果

(3) 内凹外观缺陷检测。从管路两端侧0°视向观察，发现轻微内凹缺陷显示；从管路两端侧90°视向观察，均发现明显的内凹缺陷(见图7)。

图7 根部内凹缺陷观察及解剖结果

(4) 焊瘤、内凹、成型不良、蓝色氧化缺陷检测。从管路两端侧0°视向观察，发现焊瘤缺陷；从管路两端侧90°视向观察，均发现明显的焊瘤、内凹、成型不良、蓝色氧化缺陷(见图8)。

图8 外观缺陷观察结果

(5) 无缺陷。从管路两端侧0°视向观察，未发现缺陷；从管路两端侧90°视向观察，未发现缺陷(见图9)。

图9 无缺陷表面的观察及解剖结果

以上间接目视检测试验结果表明，采用0°视向探头从管路两侧进行检测，可以发现焊缝及热影响区的氧化缺陷，而对于较小的外观缺陷，则不易发现或显示不明显；采用90°视向探头，无论从管路哪一侧对根部焊缝表面进行检测，均能得到各种外观缺陷较清晰的视频图像，缺陷形貌特征清晰可见，易于定性。对各模拟对比试样进行了解剖，解剖后所观察到的焊缝原始表面缺陷形貌，与间接目视检测90°视向探头观察到的缺陷图像形貌完全吻合，即证明在其他工艺参数不变的情况下，选择90°视向探头对该结构管路环向焊缝根部进行间接目视检测是合适的，检测结果也是可靠的。

试验确定了φ18 mm×2 mm TA2合金管根部焊缝间接目视检测的最佳工艺参数，并有效验证了检测系统的可靠性，说明该工艺评价及验证方法是可行的。

5 结语

(1) 控制照明光源条件以达到最佳检测观察效果，调整观察角度，避免表面炫光，使用与钛表面反射光相适应的照度级可更好地发现各种外观表面缺陷。

(2) 视频内窥镜应有自动智能光强调整及手动光强调整功能，并具有较好的色彩还原性，能够识别出氧化缺陷。

(3) 制作与被检材料背景相同或相近似的分辨力验证试样，以保证分辨力测试的真实性。

(4) 制作与被检对象材料、结构、状态相同或相近似，并含有代表性缺陷的专用模拟对比试样，以保证模拟试验的准确性。

(5) 民用核钛合金设备焊接接头在目视检测前，需进行必要的工艺性验证试验，以保证目视检测系统的可靠性。