TOFD技術(shù)在火箭推進(jìn)劑儲(chǔ)罐全面檢驗(yàn)中的應(yīng)用

馬學(xué)榮, 陳曉輝, 路　君

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心， 綿陽(yáng) 621000)

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TOFD技術(shù)在火箭推進(jìn)劑儲(chǔ)罐全面檢驗(yàn)中的應(yīng)用

馬學(xué)榮, 陳曉輝, 路君

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心， 綿陽(yáng) 621000)

隨著脈沖時(shí)差衍射法(TOFD)技術(shù)的發(fā)展，采用TOFD對(duì)缺陷進(jìn)行定位、定量的技術(shù)，越來越受到重視，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展。在用承壓設(shè)備的全面檢驗(yàn)，由于受工況和環(huán)境等因素的影響，開罐宏觀檢查的方法往往難于實(shí)現(xiàn)。采用TOFD技術(shù)，選用TOFDW方法及適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)奧氏體不銹鋼制薄壁火箭推進(jìn)劑儲(chǔ)罐內(nèi)壁及其近表面缺陷的檢測(cè)，為在用承壓設(shè)備的全面檢驗(yàn)提供了一個(gè)新思路。

薄壁；儲(chǔ)罐；全面檢驗(yàn)；脈沖時(shí)差衍射法

傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)主要是基于入射聲波在缺陷周圍形成的反射、折射以及透射行為產(chǎn)生的聲波信號(hào)規(guī)律進(jìn)行缺陷評(píng)估，這種檢測(cè)方法對(duì)于與垂直于入射面的缺陷 (例如焊縫中的裂紋)難以檢出和定量評(píng)估。在20世紀(jì)70年代，英國(guó)AEA無損檢測(cè)中心的SILK M G首先提出了一種利用缺陷產(chǎn)生的衍射波對(duì)缺陷進(jìn)行定量的檢測(cè)方法[1]， 被稱作脈沖時(shí)差衍射法(Time-of-Flight Diffraction，TOFD)。該方法通過裂紋端點(diǎn)產(chǎn)生的衍射波的時(shí)間而不受缺陷取向的限制，可更為準(zhǔn)確地計(jì)算出裂紋的高度、深度等信息。在隨后的幾十年里，TOFD 被廣泛應(yīng)用于核電、化工、石油、鐵路、電力、橋梁和壓力容器等工程檢測(cè)中，并逐漸形成了系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[2]。但目前世界上TOFD檢測(cè)主要用于檢測(cè)厚度為12～400 mm的工件，且厚度越大時(shí)檢測(cè)精度越高。對(duì)于壁厚12 mm以下的容器的檢測(cè)還存在一些問題,如：到達(dá)接收探頭的變形波信號(hào)，隨試件板厚減小而增多；試件厚度減小時(shí)，側(cè)向波與底波的間距減小,導(dǎo)致信號(hào)重疊等問題的出現(xiàn)。這些問題制約了TOFD技術(shù)在薄壁容器檢測(cè)中的應(yīng)用。在用承壓設(shè)備的全面檢驗(yàn)，由于受工況和環(huán)境等因素影響，開罐宏觀檢查的方法往往難于實(shí)現(xiàn)。筆者通過對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)奧氏體不銹鋼制薄壁火箭推進(jìn)劑儲(chǔ)罐內(nèi)壁及其近表面缺陷，采用TOFD技術(shù)進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)并取得了一定的效果，為在用承壓設(shè)備的全面檢驗(yàn)提供了一個(gè)新思路。

1　TOFD檢測(cè)原理

TOFD 檢測(cè)時(shí),使用一對(duì)(目前稱為一個(gè)通道)或多對(duì)寬聲束縱波探頭，每對(duì)探頭相對(duì)焊縫對(duì)稱分布 ,聲束覆蓋檢測(cè)區(qū)域，遇到缺陷時(shí)產(chǎn)生反射波和衍射波。TOFD檢測(cè)示意如圖1(a)所示,可見,檢測(cè)時(shí)主要超聲波束為:在檢測(cè)面上由發(fā)射探頭直接傳播到接收探頭的縱波(直通波或側(cè)向波)，焊縫中埋藏缺陷上下端點(diǎn)的衍射波，底面反射回波。圖1(b)為 TOFD 檢測(cè)時(shí)帶相位指示的A型掃描顯示，接收探頭接收到的是射頻波(RF波，即非檢波A掃描信號(hào)) 。探頭掃查的方向垂直于超聲波束稱為非平行掃查，探頭掃查的方向平行于超聲波束稱為平行掃查，由A掃描檢測(cè)數(shù)據(jù)疊加而成的斷面視圖為B掃描顯示(英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)稱非平行掃查為D掃描)，圖2為典型埋藏缺陷的 TOFD 非平行掃查檢測(cè)圖像。

圖1　TOFD檢測(cè)示意與波形圖

圖2　典型埋藏缺陷的TOFD非平行掃查檢測(cè)圖像

2　薄板TOFD 法檢測(cè)的問題與對(duì)策

2.1存在的問題

薄板TOFD檢測(cè)會(huì)碰到以下一些困難：① 到達(dá)接收探頭的變形波信號(hào)，隨試件板厚減小而增多。② 試件厚度減小時(shí)，側(cè)向波與底波的間距也減小。因裂紋端部回波(由縱波引起)總是位于側(cè)向波與底波之間, 故薄板檢測(cè)時(shí)的瞬時(shí)分辨力起著決定性作用。信號(hào)重疊會(huì)使傳播時(shí)間難以計(jì)算。③ 試件厚度減小時(shí),臨界缺陷尺寸會(huì)相應(yīng)減小,導(dǎo)致缺陷兩端部衍射回波之間的間距也減小，而容易使端部衍射信號(hào)重疊，以致無法計(jì)算信號(hào)傳播時(shí)間。

2.2解決的對(duì)策

為解決上述問題，可采用下列措施：① 選用最佳檢測(cè)參數(shù)( 如探頭間距，探頭角度，頻率等)。② 用變通的信號(hào)處理法——隱藏信號(hào)識(shí)別法測(cè)量重疊信號(hào)的傳播時(shí)間。

2.2.1TOFDW方法

TOFD在薄板焊縫檢測(cè)中經(jīng)常遇到表面盲區(qū)的問題。表面盲區(qū)是由直通波和底波的脈沖寬度造成的， 在實(shí)際檢測(cè)過程中，如果試件厚度較薄(厚度小于10 mm)或者缺陷位于盲區(qū)范圍內(nèi)(大約近表面5 mm范圍內(nèi))，缺陷波就容易與直通波或底波發(fā)生混疊，從而無法直觀地對(duì)缺陷進(jìn)行定量定位，這是TOFD在薄板焊縫應(yīng)用時(shí)必須考慮的問題。上表面盲區(qū)可近似表示為:

(1)

式中: tL為直通波持續(xù)時(shí)間; tP為直通波脈沖長(zhǎng)度;vL為超聲波速；S為1/2的探頭中心距。

改善上表面盲區(qū)帶來的影響， 通常有以下幾種方法：① 減小探頭中心距， 提高時(shí)間分辨率。② 增大探頭的角度 , 增大聲束的覆蓋范圍。③ 提高探頭的中心頻率， 減小單個(gè)脈沖寬度， 以減小脈沖長(zhǎng)度tP。

然而，余高的影響使得探頭中心距不能小于焊縫寬度，同時(shí)，側(cè)向波的幅度變強(qiáng)，回波寬度增加，反而會(huì)影響系統(tǒng)的分辨力。增大探頭角度易產(chǎn)生表面波，探頭頻率增大會(huì)帶來聲壓衰減，同時(shí)聲束覆蓋范圍也會(huì)減小。故需要綜合考慮各檢測(cè)參數(shù)的影響。

一般情況,下表面盲區(qū)要比上表面盲區(qū)小。

與傳統(tǒng)TOFD聲束直接入射在缺陷產(chǎn)生衍射波不同，TOFDW方法是基于聲波在試件底面產(chǎn)生的反射波來對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)示意如圖3(a)所示;由于其傳播路徑類似于‘W’型反射，故把這種檢測(cè)方法記作 TOFDW[3-4]。

這樣，直通波和底波相對(duì)于近表面缺陷產(chǎn)生的衍射波之間的時(shí)間軸上的距離將增大，從而避免了波形混疊的干擾現(xiàn)象。同時(shí)，近表面區(qū)域也可以得到聲場(chǎng)的覆蓋，擺脫了探頭聲束寬度的限制。如圖 3(b)所示，在試件中有5條縱波傳播的路徑:路徑1是直通波;路徑2是縱波直接入射在缺陷上產(chǎn)生的衍射波，當(dāng)缺陷為近表面缺陷時(shí)，路徑2將會(huì)與路徑1的波形發(fā)生重疊;路徑3是發(fā)生一次反射的底面回波; 路徑5是聲束與試件上下面發(fā)生‘W’型反射的回波;路徑4是缺陷回波，其首先與底面發(fā)生一次反射，再經(jīng)過缺陷產(chǎn)生衍射波，最后通過一次底面反射后達(dá)到接收探頭。各波出現(xiàn)的位置如圖 3(b)所示。

圖3　TOFDW檢測(cè)原理

圖4　TOFDW法中缺陷位置計(jì)算示意

如圖 4 所示， 缺陷的投影距離d′可表示為：

(2)

實(shí)際深度d為：

(3)

式中:tD為缺陷波與直通波之間的時(shí)間差；T為試件厚度;vL為超聲波速；S為1/2的探頭中心距。

TOFDW方法主要應(yīng)用于近表面缺陷的檢測(cè)。在鋁板上加工出長(zhǎng)15 mm,寬0.2 mm,距上表面1 mm的電子束焊缺陷面，采用TOFDW法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè),其缺陷埋深測(cè)量結(jié)果誤差在0.3 mm以內(nèi)。同時(shí)，使用TOFDW方法對(duì)焊縫實(shí)際缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，試驗(yàn)證明對(duì)于實(shí)際深度為2 mm的缺陷，測(cè)量誤差在0.5 mm以內(nèi)。以上所提到的聲波傳播均只表示縱波的單一聲程路徑，實(shí)際上，由于入射縱波和橫波的波型轉(zhuǎn)換，工件內(nèi)的波型成分復(fù)雜。試件內(nèi)發(fā)生的波型轉(zhuǎn)換如圖5所示。圖中LL表示入射縱波反射橫波;LLLL表示入射縱波三次反射縱波;LLLS表示入射縱波兩次反射縱波一次反射橫波;LSSL表示入射縱波兩次反射橫波一次反射縱波;LS表示入射縱波反射橫波。為了防止變形橫波成分的干擾，探頭間距至少是試件厚度的4倍， 這樣三次反射縱波 (即圖5中LLLL波)才會(huì)出現(xiàn)在變形橫波(LS)之前。由于TOFDW聲程要比傳統(tǒng)TOFD長(zhǎng)，故常使用較高的系統(tǒng)增益值，從而使得高頻噪聲明顯增加;加上近表面缺陷的聲波聲強(qiáng)較聲束中心線上的強(qiáng)度弱，又使得缺陷波幅值降低;盡管TOFD并不是以聲波幅值作為缺陷大小的判斷依據(jù)，但仍要求聲波幅值比噪聲大以便于辨別波形位置，通過小波變換降噪后的信號(hào)強(qiáng)度增大1倍。

圖5　試件內(nèi)可能發(fā)生的波型轉(zhuǎn)換示意

2.2.2希爾伯特-黃信號(hào)處理

Chen等人引入基于希爾伯特-黃變換(HHT)的信號(hào)處理方法來對(duì)薄板電子束焊垂直表面裂紋進(jìn)行定量定位。具體的方法是：首先，通過本征模態(tài)分解 (EMD)把信號(hào)分解成有限個(gè)頻率從高到低的固有模態(tài)分量和一個(gè)殘余分量；然后，排除噪聲信號(hào)，選取能量較高的信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)信號(hào)滿足信噪比要求 (不小于 6 dB)；最后，利用希爾伯特變換獲取重構(gòu)信號(hào)的包絡(luò)，包絡(luò)波峰反映出聲波信號(hào)到達(dá)探頭的時(shí)間。EMD對(duì)于模態(tài)的篩選條件及過程可參考文獻(xiàn)[5]。筆者將此處理方法應(yīng)用于火箭推進(jìn)劑儲(chǔ)罐內(nèi)壁及其近表面的檢測(cè)中，取得了較好的效果。

3　結(jié)語

對(duì)于試件厚度小于12 mm的薄板焊縫進(jìn)行TOFD檢測(cè)時(shí)， 由于直通波與底波之間傳播時(shí)間差變小， 容易出現(xiàn)缺陷波與直通波或底波發(fā)生波形混疊的現(xiàn)象，給缺陷的定量和定位帶來困難。對(duì)不銹鋼制薄壁火箭推進(jìn)劑儲(chǔ)罐內(nèi)壁及其近表面的超聲TOFD檢測(cè)中存在近表面檢測(cè)盲區(qū)的問題，可采用以下措施來解決:① 優(yōu)化檢測(cè)系統(tǒng)。② 改變聲波入射路徑，盡量擺脫直通波和底波盲區(qū)的限制(如TOFDW法)。③ 信號(hào)處理，達(dá)到識(shí)別波形混疊中的缺陷波位置 (如ESIT、希爾伯特-黃變換)。

④ 必要時(shí)輔以常規(guī)表面檢測(cè)、A超等手段的方法。

[1]SILK M G. Defect sizing using ultrasonic diffraction[J].British Journal of NDT, 1979, 21 (1):12-15.

[2]鄭暉，胡斌，林樹青,等.國(guó)外TOFD檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)分析和比較[J].無損檢測(cè)， 2007,29(3):150-154.

[3]CHI D Z, GANG T. Shallow buried defect testing method based on ultrasonic TOFD[J].Nondestruct Eval, 2013,32：164-171.

[4]遲大釗，剛鐵，姚英學(xué),等.一種基于超聲 TOFD 法的近表面缺陷檢測(cè)模式[J].焊接學(xué)報(bào)， 2011,32(2)： 25-28.

[5]WANG T, ZHANG M C， YU Q H， et al. Comparing the applications of EMD and EEMD on time-frequency analysis of seismic signal[J]. Journal of Applied Geophysics， 2012(83)： 29-34.

The Application of TOFD Technology in the Comprehensive Inspection of Rocket Propellant Tanks

MA Xue-rong, CHEN Xiao-hui, LU Jun

(China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang 621000, China)

With the development and improvement of TOFD technology, the defect location and quantitative evaluation by TOFD technology has received more and more attention, thus expanding the scope of its application. In a comprehensive inspection of pressure equipment, it is often difficult to perform macro inspection by opening the tank because of the conditions and environment factors. In this paper, attempts were made to use the TOFD technology to inspect the austenitic stainless steel thin-walled propellant tank wall and it′s near surface defects through the contrast experiment, and the comprehensive inspection of pressure equipment might provide a new approach for the overall inspection of the tank.

Thin wall; Tanks; Comprehensive inspection; TOFD

2015-05-28

馬學(xué)榮(1964-)，男，高級(jí)工程師,碩士，主要從事檢驗(yàn)檢測(cè)工作。

10.11973/wsjc201510003

TG115.28

A

1000-6656(2015)10-0010-03