超聲TOFD檢測(cè)方法

1、超聲TOFD檢測(cè)方法一 超聲TOFD檢測(cè)技術(shù)的起源和國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀TOFD（Time Of Flight Diffraction）技術(shù)是1972年國(guó)際原子能中心的哈韋爾（英國(guó)原子能權(quán)威人士UKKAEA）提議下發(fā)展而來。TOFD最初的發(fā)展僅僅是作為定量工具，最初的想法是：使用常規(guī)技術(shù)探測(cè)到缺陷后使用TOFD進(jìn)行精確的定量和監(jiān)測(cè)在線設(shè)備裂紋的擴(kuò)展（例如檢測(cè)壓力容器）。很多年以來TOFD一直在實(shí)驗(yàn)室里，各國(guó)做過大量實(shí)驗(yàn)直到八十年代才為業(yè)界所認(rèn)同；在這些實(shí)驗(yàn)中，用事實(shí)證明了TOFD在可靠性和精度方面都是非常好的技術(shù)。自上世紀(jì) 9O年代起，超聲TOFD檢測(cè)法在國(guó)外工業(yè)無損檢測(cè)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，歐、美、日

2、均已推出相應(yīng)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。1992年英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS7706問世，1996年美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)將其列入規(guī)范案例2235和第卷無損檢測(cè)附錄，2000年歐、日分別推出專用標(biāo)準(zhǔn)。用于不同壁厚的承壓設(shè)備焊接接頭的制造和在用檢測(cè)。二 超聲TOFD檢測(cè)技術(shù)國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀2.1 超聲TOFD檢測(cè)設(shè)備的研制武漢中科創(chuàng)新技術(shù)有限公司國(guó)產(chǎn)研制的國(guó)產(chǎn)第一臺(tái)便攜式TOFD超聲波檢測(cè)儀2005年研制成功,2006年HS800型產(chǎn)品在特檢行業(yè)應(yīng)用,2007年底HS800成型產(chǎn)品推出市場(chǎng), 2008年產(chǎn)品開始銷售,并逼迫進(jìn)口TOFD檢測(cè)儀器價(jià)格”跳水”2.2 超聲TOFD檢測(cè)人員的培訓(xùn)與考核二七年開始到目前國(guó)家特種設(shè)備無損檢測(cè)人員資

3、格考委會(huì)共組織了三次培訓(xùn)與考核，考核通過人員頒發(fā)了超聲TOFD級(jí)資格證書。2.3 國(guó)內(nèi)鍋爐壓力容器壓力管道中超聲TOFD檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用的規(guī)定二七年六月七日發(fā)布的關(guān)于進(jìn)一步完善鍋爐壓力容器壓力管道安全監(jiān)察工作的通知( 國(guó)質(zhì)檢特函2007402號(hào))對(duì)超聲TOFD檢測(cè)技術(shù)的在鍋爐壓力容器壓力管道中的應(yīng)用規(guī)定如下:第六條、關(guān)于衍射波時(shí)差法超聲波檢測(cè)（TOFD）方法的應(yīng)用對(duì)現(xiàn)場(chǎng)制造壁厚度60mm以上的壓力容器，可以采用TOFD檢測(cè)方法替代射線法進(jìn)行無損檢測(cè)。從事TOFD檢測(cè)的無損檢測(cè)機(jī)構(gòu)必須符合以下條件：（一）在我國(guó)TOFD無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)未公布前，應(yīng)當(dāng)參照國(guó)外成熟標(biāo)準(zhǔn)制訂相應(yīng)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)全國(guó)鍋爐壓力容器

4、標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)審核通過后，按照中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化法規(guī)定進(jìn)行備案。（二）從事TOFD檢測(cè)的無損檢測(cè)機(jī)構(gòu)至少應(yīng)具有超聲波無損檢測(cè)（UT）級(jí)人員1名，UT級(jí)資格4年以上（含4年，下同）人員2名，作為TOFD檢測(cè)責(zé)任人和操作復(fù)核人員。（三）從事TOFD檢測(cè)人員應(yīng)當(dāng)具有UT級(jí)資格4年以上（含4年），其TOFD操作技能經(jīng)全國(guó)無損檢測(cè)考核委員會(huì)2.4 國(guó)內(nèi)已制定TOFD檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)內(nèi)制定的TOFD檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為承壓設(shè)備無損檢測(cè)第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)JB/T 4730.102007,此標(biāo)準(zhǔn)在送審中。三 術(shù)語和定義GB/T 12604.1規(guī)定的以及下列術(shù)語和定義適用于本部分。ZXYO掃查面底面3.

5、1 坐標(biāo)定義(coordinate definition)：圖1 坐標(biāo)定義O：設(shè)定的檢測(cè)起始參考點(diǎn) X：沿焊縫長(zhǎng)度方向的坐標(biāo)Y：沿焊縫寬度方向的坐標(biāo) Z：沿焊縫厚度方向的坐標(biāo)3.2 TOFD（Time of Flight Diffraction）衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)或超聲波衍射時(shí)差法，是利用缺陷端點(diǎn)的衍射波信號(hào)探測(cè)和測(cè)定缺陷尺寸的一種自動(dòng)超聲檢測(cè)方法。3.3 掃查面(scanned surface)放置探頭的工件表面，超聲波聲束從該面進(jìn)入工件內(nèi)部。3.4 底面(back wall)與掃查面相對(duì)的工件另一側(cè)表面。3.5 直通波(lateral wave)從發(fā)射探頭沿工件以最短路徑到達(dá)接收探頭的超聲

6、波。3.6 底面反射波(back wall echo)經(jīng)底面反射到接收探頭的超聲波。3.7 探頭中心間距(probe centre separation)（PCS）發(fā)射探頭和接收探頭入射點(diǎn)之間的直線距離。3.8 缺陷深度(flaw depth)缺陷上端點(diǎn)與掃查面間的最短距離，見圖2中d1。3.9 缺陷高度(flaw height)缺陷沿X軸方向上、下端點(diǎn)在Z軸投影間的最大距離，見圖2中h。Od1hZ底面掃查面Y圖2 缺陷深度和缺陷高度3.10 平行掃查(parallel scan)探頭運(yùn)動(dòng)方向與聲束方向平行的掃查方式。3.11 非平行掃查(non-parallel scan)探頭運(yùn)動(dòng)方向與聲束

7、方向垂直的掃查方式，一般指探頭對(duì)稱布置于焊縫中心線兩側(cè)沿焊縫長(zhǎng)度方向（X軸）的掃查方式。3.12 偏置非平行掃查(offset-scan)偏移焊縫中心線一定距離的非平行掃查。3.13 A掃描信號(hào)(A-scan signal)超聲波信號(hào)的波形顯示圖，通常水平軸表示聲波的傳播時(shí)間，垂直軸表示波幅。3.14 TOFD圖像(TOFD image)TOFD數(shù)據(jù)的二維顯示，是將掃查過程中采集的A掃描信號(hào)連續(xù)拼接而成，一個(gè)軸代表探頭移動(dòng)距離，另一個(gè)軸代表深度，一般用灰度表示A掃描信號(hào)的幅度。四 超聲TOFD檢測(cè)原理4.1.1 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。通常使用縱波斜探頭

8、，采用一發(fā)一收模式。4.1.2 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，接收探頭還會(huì)接收到缺陷處產(chǎn)生的衍射波。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)遲于底面反射波到達(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：發(fā)射探頭接收探頭直通波底面反射波上端點(diǎn)衍射波下端點(diǎn)衍射波（1）平板工件接收探頭發(fā)射探頭直通波底面反射波上端點(diǎn)衍射波下端點(diǎn)衍射波（2）凸面工件發(fā)射探頭接收探頭直通波底面反射波上端點(diǎn)衍射波下端點(diǎn)衍射波（3）凹面工件圖3 不同形狀工件中超聲波傳播路徑底面反射波直通波下端點(diǎn)衍射波

9、上端點(diǎn)衍射波圖4 缺陷處A掃描信號(hào)4.1.3 TOFD檢測(cè)顯示4.1.3.1 TOFD檢測(cè)顯示應(yīng)至少包括A掃描信號(hào)和TOFD圖像。4.1.3.2 TOFD應(yīng)使用射頻波形式的A掃描信號(hào)。4.1.3.3 TOFD圖像的形成將每個(gè)A掃描信號(hào)顯示成一維線條圖像，位置對(duì)應(yīng)聲程，一般以灰度表示信號(hào)幅度，將掃查過程中采集到的連續(xù)的A掃描信號(hào)形成的圖像線條沿探頭的運(yùn)動(dòng)方向拼接成二維視圖，一個(gè)軸代表探頭移動(dòng)距離，另一個(gè)軸代表掃查面至底面的深度，形成TOFD圖像。圖5所示為含埋藏缺陷的平板對(duì)接焊接接頭的TOFD檢測(cè)顯示，圖中右下方為TOFD圖像，右上方為從TOFD圖像中缺陷部位提取的一個(gè)A掃描信號(hào)，其中包括直通波

10、、上端點(diǎn)衍射波、下端點(diǎn)衍射波和底面反射波。A掃描信號(hào)掃查面底面探頭移動(dòng)方向聲束方向圖5 TOFD檢測(cè)顯示4.2 缺陷深度與高度計(jì)算4.2.1 在平板工件中，假定探頭中心間距為2S，缺陷深度為d1，缺陷距焊縫中心線的偏移量為X，見圖6：圖6 缺陷深度計(jì)算圖根據(jù)幾何關(guān)系，有：（1）其中：c：聲速；T：超聲波傳播的總時(shí)間；t0：超聲波在探頭楔塊中傳播的時(shí)間假定缺陷位于焊縫中心線上，此時(shí)X=O，所得d1值最小：（2）4.2.2 若以直通波為參考起點(diǎn)，假定X=0，則缺陷深度為：（3）其中：t：缺陷上端點(diǎn)的衍射波與直通波間的傳播時(shí)間差c：聲速2S：探頭中心間距缺陷下端點(diǎn)與掃查面間的距離以d2表示，同理可計(jì)

11、算出缺陷下端點(diǎn)的深度d2。則缺陷的高度h=d2-d1。4.3 掃查方式4.3.1 掃查方式一般分為非平行掃查、平行掃查和偏置非平行掃查三種。掃查方式示意圖分別見圖7、圖8和圖9。發(fā)射探頭接收探頭探頭架移動(dòng)方向XY+Y焊縫發(fā)射探頭接收探頭探頭架移動(dòng)方向XY+Y焊縫圖7 非平行掃查 圖8 平行掃查發(fā)射探頭接收探頭探頭架移動(dòng)方向XY+Y焊縫圖9 偏置非平行掃查4.3.2 非平行掃查一般作為初始的掃查方式，用于缺陷的快速探測(cè)和缺陷長(zhǎng)度測(cè)定，可大致測(cè)定缺陷高度，但無法確定缺陷距焊縫中心線的偏移量。4.3.3 采用偏置非平行掃查可增大檢測(cè)范圍，提高缺陷高度測(cè)量的精度，改進(jìn)缺陷定位并有助于降低表面盲區(qū)高度。

12、4.3.4 對(duì)已發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行平行掃查，可改進(jìn)缺陷定位和缺陷高度測(cè)定的準(zhǔn)確性，并為缺陷定性提供更多信息。4.4 檢測(cè)程序TOFD檢測(cè)的一般程序?yàn)椋篴）原始資料查閱；b）編制檢測(cè)工藝作業(yè)指導(dǎo)書；c）人員、設(shè)備、試塊準(zhǔn)備；d）檢測(cè)準(zhǔn)備；e）檢測(cè)設(shè)置和校準(zhǔn)；f）檢測(cè)；g）數(shù)據(jù)分析和解釋；h）缺陷評(píng)定與驗(yàn)收。4.5 表面盲區(qū)4.5.1 TOFD檢測(cè)存在兩個(gè)表面盲區(qū)：a）掃查面盲區(qū)，其高度為： （4）其中c：聲速； ：直通波寬度； 2S：探頭中心間距；b）底面盲區(qū)。4.5.2 可以通過采用寬頻帶窄脈沖探頭、減少探頭中心間距或增加掃查方式等方法降低表面盲區(qū)高度。4.5.3 對(duì)于表面盲區(qū)應(yīng)采取其他有效的檢測(cè)

13、方法，可采用脈沖反射法超聲檢測(cè)或表面檢測(cè)方法進(jìn)行補(bǔ)充。五 TOFD技術(shù)的特點(diǎn)5.1 TOFD技術(shù)的可靠性好。由于其主要是利用衍射波進(jìn)行檢測(cè)，而衍射信號(hào)不受聲束影響，任何方向的缺陷都能有效的發(fā)現(xiàn)，使該技術(shù)具有很高的缺陷檢出率。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)的缺陷檢出率的試驗(yàn)得出的評(píng)價(jià)是：手工UT，50-70%；TOFD，70-90%；機(jī)械掃查UT+TOFD，80-95%。由此可見，TOFD檢測(cè)技術(shù)比常規(guī)手工UT的檢測(cè)可靠性要高得多。5.2 TOFD技術(shù)的定量精度高。采用衍射時(shí)差技術(shù)對(duì)缺陷定量，精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)手工超聲波檢測(cè)。一般認(rèn)為，對(duì)線性缺陷或面積型缺陷，TOFD定量誤差小于1mm。對(duì)裂紋和未熔合缺陷高度測(cè)量誤

14、差通常只有零點(diǎn)幾毫米。5.3 TOFD檢測(cè)簡(jiǎn)單快捷，最常用的非平行掃查只需一人即可以操作，探頭只需沿焊縫兩側(cè)移動(dòng)即可，不需做鋸齒掃查，檢測(cè)效率高，操作成本低5.4 TOFD檢測(cè)系統(tǒng)配有自動(dòng)或半自動(dòng)掃查裝置，能夠確定缺陷與探頭的相對(duì)位置，信號(hào)通過處理可以轉(zhuǎn)換為TOFD圖像。圖像的信息量顯示比A掃描顯示大得多，在A型顯示中，屏幕只能顯示一條A掃信號(hào)，而TOFD圖像顯示的是一條焊縫檢測(cè)的大量A掃信號(hào)的集合。與A型信號(hào)的波形顯示相比，包含豐富信息的TOFD圖像更有利于缺陷的識(shí)別和分析。 5.5 當(dāng)今使用的TOFD檢測(cè)系統(tǒng)都是高性能數(shù)字化儀器，完全克服了模擬超聲探傷儀和簡(jiǎn)單數(shù)字超聲波探傷儀記錄信號(hào)能力差

15、的特點(diǎn)，不僅能全過程記錄信號(hào)，長(zhǎng)久保存數(shù)據(jù)，而且能夠高速進(jìn)行大批量信號(hào)處理。 5.6 TOFD技術(shù)除了用于檢測(cè)外，還可用于缺陷擴(kuò)展的監(jiān)控，是有效且能精確測(cè)量出裂紋增長(zhǎng)的方法之一。六 TOFD技術(shù)與常規(guī)脈沖回波超聲檢測(cè)技術(shù)相比，重要的不同點(diǎn)6.1由于缺陷衍射信號(hào)與角度無關(guān)，檢測(cè)可靠性和精度不受角度影響。6.2根據(jù)衍射信號(hào)傳播時(shí)差確定衍射點(diǎn)位置，缺陷定量定位不依靠信號(hào)振幅。七 TOFD技術(shù)與常規(guī)X射線檢測(cè)技術(shù)相比，重要的不同點(diǎn)7.1 TOFD檢測(cè)結(jié)果與射線檢測(cè)結(jié)果都是以二維圖像顯示，不同的是TOFD能對(duì)缺陷的深度和自身高度進(jìn)行精確測(cè)量，而射線只能得到缺陷的俯視圖信息，對(duì)于判斷缺陷危害性程度的重要指

16、標(biāo)，厚度方向的長(zhǎng)度，射線是很困難的7.2 TOFD技術(shù)可探測(cè)的厚度大，對(duì)厚板探傷的效果比較明顯，但射線對(duì)厚板的穿透能力非常有限7.3 TOFD技術(shù)檢測(cè)缺陷的能力非常強(qiáng)，特殊的探傷方式使其具有相當(dāng)高的檢出率，約90%左右，而相比之下，射線檢測(cè)的檢出率稍低，大約75%，在實(shí)際工作中，我們也發(fā)現(xiàn)有TOFD檢測(cè)出來的缺陷，X射線未能發(fā)現(xiàn)的情況，這給質(zhì)量控制帶來了極大的隱患。7.4 TOFD技術(shù)所采集的是數(shù)據(jù)信息，能夠進(jìn)行多方位分析，甚至可以對(duì)缺陷進(jìn)行立體復(fù)原。這是因?yàn)門OFD技術(shù)是將掃查中所有的原始信號(hào)都進(jìn)行了保存，在脫機(jī)分析中我們可以利用計(jì)算機(jī)對(duì)這些原始信號(hào)進(jìn)行各種各樣的分析，以得出更加精確的缺陷判斷結(jié)果；而射線檢測(cè)只能將射線底片置于觀片燈前進(jìn)行分析，不可以再進(jìn)一步利用軟件對(duì)缺陷進(jìn)行更加