厚壁壓力容器近表面TOFD檢測研究

劉 暢，張國福

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

厚壁壓力容器近表面TOFD檢測研究

劉 暢，張國福

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

從厚壁壓力容器近表面缺陷的檢出率和缺陷尺寸定位定量的精準性角度出發，開展205 mm厚壁試塊超聲波衍射時差法（TOFD）上分區檢測實驗，結合上分區的整體成像結果，驗證理論計算得出的通過改變探頭間距和入射角來減小上表面盲區的方法是否可靠。實驗結果表明，TOFD具有很強的獨立發現上表面盲區內缺陷的能力，但無法獲得缺陷自身深度和高度的精確定量，結合相控陣技術則可以有效提高近表面檢測效果。

TOFD；厚壁試塊；上分區；上表面盲區；相控陣

化工和核反應領域由于流體介質通常處于高溫高壓狀態，薄壁往往無法滿足工業要求，厚壁壓力容器得到越來越廣泛的應用，對厚壁壓力容器生產制造和在役過程中的無損檢測可靠性要求也越來越高［1］。

射線技術目前是化工機械企業采用較多的一種無損檢測方法，然而射線檢測圖像的信噪比會隨著工件厚度的增加而減少，對大厚度工件檢測效果較差。與射線檢測和傳統超聲檢測相比，TOFD具有缺陷檢出率高、缺陷高度測量精確，檢測過程安全快速等優點［2］。對于壁厚超過200 mm壓力容器，TOFD缺陷檢出率比RT高出40%左右，缺陷定量精度偏差在1～2 mm［3］。

然而TOFD自身存在的固有缺憾——表面盲區問題，嚴重削弱了該技術在近表面的檢測效果，不利于設備的安全穩定運行。筆者試圖結合理論計算和試塊試驗分析TOFD在200 mm厚壁壓力容器上分區的成像可靠性，結合相控陣技術完成缺陷的精確定量，從而提高檢測工藝。

1 TOFD檢測原理簡介

超聲衍射時差法（TOFD）是根據超聲波與缺陷端部相互作用產生衍射波的原理發現缺陷的，并基于衍射波時間差與缺陷自身高度的關系對缺陷尺寸精確定量［4］。TOFD不使用信號幅值作為判定缺陷的依據，從很大程度上消除了缺陷角度對檢測結果的影響，缺陷檢出率高，定量準確，彌補了傳統超聲檢測技術的不足［5］。

TOFD采用一發一收兩個探頭平行放置在工件表面兩側。超聲信號經發射探頭發出后在工件的上表面附近沿最短路徑到達接受探頭，形成直通波。發射信號經工件底面反射到達接受探頭形成與直通波相位相反的底面反射波。工件內部缺陷端部的衍射波在直通波和底面反射波之間出現，根據直通波和上端部衍射波信號的時間差可計算出缺陷深度，根據上下兩端部位衍射波之間的時間差可計算出缺陷高度。

2 上表面盲區的理論計算

由于直通波存在一定寬度，此寬度有可能覆蓋上表面附近缺陷的衍射圖像，影響缺陷的檢測，因此直通波寬度就代表上表面盲區寬度［6］。

直通波寬度計算公式如下：

式中,D為上表面盲區寬度，c為材料縱波聲速，s為探頭中心間距的一半，TP為直通波脈沖持續時間，通常用直通波周期的倍數來表示。如果使用頻率為5 MHz的探頭，配置入射角為70°的楔塊，檢測深度為40 mm，則PCS設定為146 mm，TP取2個周期即0.4μs，鋼中聲速取5 920 m/s（下同），根據上式直通波計算寬度為13.2 mm。同型探頭用入射角為60°的楔塊，PCS設定為92 mm，則直通波計算寬度為10.5mm。

通過計算看出縮小探頭間距（PCS）和采用高頻窄脈沖探頭可以減小上表面盲區。然而JB/T4730.10《承壓設備無損檢測第10部分：衍射時差法》推薦超聲聲束應聚焦在檢測深度的2/3處，如果聲束聚焦深度不變，PCS越小則相應采用的探頭角度也減小。根據與聲壓幅值有關的半擴散角公式和斯涅爾法則可以對鋼中聲束擴散角度做簡易計算，如果楔塊中聲速是2350 m/s，采用不同型號的探頭，聲束擴散角度計算值如表1所示。

以5 MHzФ6 mm，入射角60°的探頭結構為例，s取46 mm，則擴散聲束上邊緣距上表面4.9 mm，小于直通波寬度，由此可知聲束擴散角度不影響近表面缺陷的檢測。但遇到大寬度焊縫檢測時，小入射角的PCS值可能無法覆蓋熱影響區，造成缺陷漏檢。

表1 不同型號探頭的鋼中聲束擴散角度Table 1 Angles of beam in steel with different probe types

3 實驗分析

3.1 試驗方法

為探究PCS值和入射角度對厚壁壓力容器上表面分區檢測效果的實際影響，專門制作厚壁鋼制試塊對其進行檢測，試塊寬度為58 mm，具體尺寸如圖1所示。

圖1 試塊主視圖Fig.1 Front view of test block(mm)

在試塊上加工出深度為2 mm的Φ2橫孔（1號缺陷）和深度為37 mm的Φ2橫孔（2號缺陷），兩孔長度均為27 mm。當被檢工件厚度超過50 mm時需要對檢測工件在厚度方向上分成若干區域，對于本次實驗使用的工件要求上分區深度為40 mm。當入射角為70°時，PCS的值為146 mm；當入射角為60°時，PCS的值為92 mm。用常見的標稱頻率為5 MHz的Φ6 mmTOFD探頭分別配合60°和70 °楔塊對試塊上表面進行對稱非平行手動掃差，通過不斷減小PCS值得到不同的TOFD圖像。以5MHz Ф6 mm 70°探頭配置為例，得到如圖2所示的TOFD圖像；以5 MHzФ6 mm 60°探頭配置為例，掃查圖像如圖3所示。

圖2 PCS為146 mm時掃查圖像Fig.2 Scanning image of 146 mm PCS

圖3 PCS為92 mm時掃查圖像Fig.3 Scanning image of 92 mm PCS

對比圖2和圖3，可以發現60°探頭能夠發現表面盲區，而70°探頭成像盡管提高了增益，但盲區附近圖像很虛，影響判斷。以上圖像不僅顯示出了1號和2號缺陷，還在2號缺陷后顯示出了3號缺陷。3號A掃波形不僅因其與2號波形相鄰較近而影響了缺陷的測量，并且由于試塊寬度較窄，不能排除3號是側壁反射的縱波或橫波與直接傳播的縱波相遇產生的干涉信號。將3個缺陷信號圖像進行計算機軟件分析，測量結果如表2所示。

3.2 實驗結果分析

（1）隨著探頭間距的縮短直通波盲區深度明顯變小，但無法完全消除，且其深度可以將1號孔完全覆蓋。當PCS較大時1號孔無法定量，這是由于缺陷上端衍射波的正相位與直通波正相位相重疊，無法判斷缺陷上端衍射波的起始位置。注意缺陷雖不能測量但卻能夠檢出，事實上當PCS值為147 mm時就能觀察到直通波位置偏移伴隨顏色變暗，然而在實際檢測中由于被檢設備表面情況復雜，直通波的微小特征變化可能不會被認為是近表面缺陷導致的。

（2）PCS減小到一定程度時1號孔可以測量，但數值偏大。此時70°探頭的直通波脈沖寬度增加到3到4個周期，而60°探頭的直通波周期數沒有明顯變化。筆者分析這是由于大角度探頭中心間距的減小使得聲束能量更多地集中在上表面導致的。

（3）檢測前需要選擇2號孔對上分區進行深度標定，所以2號孔測深是精準的。隨著探頭間距減小，上表面盲區改善的同時上分區底部缺陷的檢測靈敏度也下降了，2號和3號圖像顏色變淺，尤其是2號和3號的A掃圖像相連，導致2號孔測高很勉強，不能保證數據準確，也無法排除3號是窄工件側壁干涉的結果。3號圖像很難測高，是由于3號圖像的高度超過了上分區，體現了分區檢測的合理性。

表2 上分區缺陷檢測結果Table 2 Detection result of the upper tier mm

4 結合相控陣技術

超聲相控陣是通過控制換能器陣列中各陣元發射（或接收）超聲波的相位延時，形成不同角度的波陣面，從而實現聲束聚焦偏轉的技術［7］。為了得到更精確的缺陷信息，采用M2M公司研發的Multi2000超聲相控陣檢測系統對工件進行扇掃，掃查圖像見圖4。

圖4 相控陣扇掃圖像Fig.4 Sector-scan image of phased array

可見3號確實是與2號孔相鄰的缺陷，經測量2號缺陷下端與3號缺陷上端的距離為2.13 mm，3號缺陷高度為1.98 mm。對1號孔測量顯示其深度為2.21 mm，高度為2.32 mm。相控陣技術的應用不僅提高了測量精度，還可以給出工件的主視圖角度，便于缺陷的分析，同時在此試驗中也避免了TOFD檢測窄工件時有側壁干涉的困擾。

5 結論和展望

（1）減小探頭間距可以有效改善工件上表面盲區問題。在探傷聲束聚焦深度相同時，對于厚壁試塊上分區檢測，小角度探頭要比大角度探頭有更好的成像效果，體現在小角度探頭能夠有效發現上表面盲區，而大角度探頭需要縮短探頭間距，這導致直通波周期數增多，不僅使檢測過程繁瑣，而且增加了測量難度。

但在實際檢測中，厚壁壓力容器通常焊縫寬度和焊縫余高較大，偏小入射角度的探頭設置可能不僅無法覆蓋熱影響區，而且能夠減小的探頭間距也十分有限，達不到理想的檢測效果。

（2）理想狀態下的TOFD檢測應當是用多對探頭組合的方式一次性完成工件的檢測，然而目前學界缺乏精準的理論計算分析當PCS減小到何種程度時才會有效檢出和定量近表面缺陷，這使得檢測中需要不斷調整PCS值，降低了檢測效率。

（3）實際檢測中被檢設備表面情況復雜，直通波極易出現波動，給近表面缺陷的檢出和測量帶來極大困擾。結合超聲相控陣技術不僅可以有效彌補TOFD表面盲區問題，而且能夠有效分辨厚壁壓力容器中分區附近的相鄰缺陷。相控陣相關標準的制定以及相控陣和TOFD結合的超聲自動檢測系統如何最優化設置都是很有研究價值的課題，但目前高精度相控陣檢測裝置大都源自國外公司，造價較高且技術支持不夠迅捷，國內相控陣探頭制造和相關控制系統的開發有很好的發展前景。

［1］ 夏智．對厚壁壓力容器超聲波周向檢測工藝的分析[J].壓力容器，2008，25(9): 61-62．

［2］ 鄭暉，林樹青．超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社, 2008，139-142．

［3］ 郭永良，鄭暉，劉禮良等．厚壁壓力容器TOFD檢測技術參數[J].無損檢測，2014，36（5）：31-33．

［4］ NF EN 583-6 Non-destructive testing Ultrasonic examination Part 6：Time of flight diffraction technique as a method for detection and sizing of discontinuities[S].

［5］ M.Riahi，M.R.Abolhasany. Substitution of the time-of-flight diffraction technique for nondestructive testing of welds and thick layers of steel: A comparative investigation[J]. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2006, 42(12): 794-801．

［6］ 強天鵬，肖雄，李智軍,等．TOFD技術的檢測盲區計算和分析[J].無損檢測，2008，30(10)：738-740．

［7］ 楊先明，王海濤，趙大丹,等．超聲相控陣高精度延時設計的FPGA實現[J].無損檢測，2014，36(5)：16-17．

Research on TOFD Detection of the Near-surface of Thick-walled Pressure Vessel

LIU Chang，ZHANG Guo-fu
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

From perspective of thick-walled pressure vessel near-surface defect detection rate and accuracy of defect size positioning and quantifying，upper tier detection experiment on 205mm thick-walled test block was carried out by using time of flight diffraction (TOFD) technology. The reliability of methods of changing probe centre separation and angle of incidence to decrease the dead zone in the upper surface was verified combined with whole-body imaging result of the upper tier. The experimental result shows that TOFD has strong ability to independently detect the defect in the upper surface dead zone, but it can not accurately determine flaw depth and height. However combined with the phased array technique, its near-surface detection effect can be effectively improved.

TOFD; Thick-walled test block; The first layer; Dead zone in lateral wave; Phased array technique

TQ 051

： A

： 1671-0460（2015）02-0285-03

2014-09-20

劉暢（1988-），男，遼寧葫蘆島人，碩士研究生，研究方向：壓力容器及管道失效風險及剩余壽命評估。E-mail：b17552289@163.com。