TOFD偏置非平行掃查缺陷檢出的有效性

錢立峰，梁孟軒

（1.海油發展安全環保分公司 工程監理公司，天津300345;2.西安科技大學，西安710054）

TOFD偏置非平行掃查缺陷檢出的有效性

錢立峰1，梁孟軒2

（1.海油發展安全環保分公司 工程監理公司，天津300345;2.西安科技大學，西安710054）

為研究TOFD偏置非平行掃查對缺陷檢出的有效性，制作了圓錐孔深分別為5 mm，8 mm，13 mm，20 mm和25 mm的人工缺陷對比試塊，并在試塊上進行了TOFD偏置非平行掃查檢測。檢測圖譜分析結果表明，移除底波后，TOFD偏置非平行掃查可以對所有圓錐孔有效檢出，但缺陷深度超過8 mm時，深度測量誤差迅速增大。針對現場的TOFD偏置非平行掃查檢測，當測量缺陷深度超過8 mm時，應輔以常規超聲檢測對缺陷進行定位。

無損檢測；TOFD；偏置非平行掃查；對比試塊；常規超聲檢測

1 概 述

目前TOFD檢測已在石油、化工、電力等行業得到了廣泛應用[1-2]，與傳統超聲檢測方法相比，TOFD檢測具有檢測速度快、定量精度高、定位準確（精度可達1 mm）等優點。用TOFD代替射線對厚壁焊縫進行檢驗，可明顯提高工作效率，降低安裝成本[3]。TOFD檢測的掃查方式分為非平行掃查、偏置非平行掃查及平行掃查[4]。在現場安裝及檢測過程中，由于結構條件限制，部分焊接接頭僅能夠進行偏置非平行掃查，且探頭緊靠焊縫熔合線[5]，如圖1所示，這就增加了缺陷的檢出率以及準確定位的難度。本研究通過試驗，對該情況下缺陷的檢出性及缺陷的定位進行了分析，以期能對現場檢測工藝的制定有所幫助。

圖1 彎頭與直管段對接TOFD檢測示意圖

2 試驗設備

2.1 檢測系統

試驗采用以色列ISONIC公司生產的八通道TOFD檢測系統，本試驗僅開通單通道進行檢測。

2.2 試驗用試塊

試驗材料采用45#鋼，試塊規格為300 mm×200mm×30mm。在試塊上等距離加工5個φ3 mm的圓錐底孔，編號分別為1#～5#，孔的深度分別為25 mm，20 mm，13 mm，8 mm和5 mm。試塊的規格及錐孔定位如圖2所示。

圖2 試塊的規格及錐孔定位示意圖

2.3 探頭及耦合劑

依據NB/T 47013.10—2015《承壓設備無損檢測第10部分：衍射時差法超聲檢測》[6]選擇探頭參數，采用楔塊角度60°、探頭頻率5 MHz、晶片尺寸φ12 mm的縱波斜探頭進行檢測，耦合劑選用化學漿糊。

3 試驗方法

掃查方式如圖3所示。依據工件厚度計算探頭間距P=69.28 mm。調節儀器，測定探頭延時5.46 μs，探頭前沿距離為8.5 mm，根據P值調節探頭間距，分別對試塊進行非平行掃查及偏置非平行掃查，偏置非平行掃查時探頭緊靠缺陷。

圖3 掃查方式示意圖

4 試驗結果

TOFD非平行掃查的掃描圖像如圖4所示。從圖4可以明顯看出1#～5#孔的缺陷圖像特征，其中1#～3#孔經過軟件濾除直通波處理后可明顯發現缺陷的上下端點，均呈拋物線特征，4#和5#孔的上下端點分辨度不高，在檢測圖譜中呈單個拋物線特征。利用軟件對1#～5#孔進行測量，結果見表1。由表1可見，孔深≥13 mm，深度測量的誤差小于0.2 mm；孔深5 mm和8 mm時，測量誤差較大，為1～2 mm。

圖4 TOFD非平行掃查圖像

表1 不同掃查方式下人工孔的測量深度

1#～5#孔的TOFD偏置非平行掃查的圖像如圖5所示。將圖5和圖4對比可以看出，1#～2#孔在底波以上不能看到下端點衍射信號，但仔細觀察發現，在與上端點信號垂直位置的底波下部產生拋物線狀變形。利用軟件移除底波后，可以發現其下端點衍射信號，1#～4#上下端點的拋物線信號特征均不如圖4明顯，但5#孔的信號特征強于圖4，利用軟件對偏置非平行掃查下孔的深度進行測量，測量結果見表1。

由表1可見，偏置非平行掃查時，1#～3#孔的測量誤差明顯增大，在一定深度范圍內（本試驗為≤13 mm），隨著缺陷深度增加，測量誤差增大，最大值為2.5 mm，但超過一定深度（本試驗≥20 mm），深度測量誤差沒有規律性。

圖5 TOFD偏置非平行掃查圖像

5 分析與討論

NB/T 47013.10—2015規定，探頭聲束在所檢測深度范圍內相對聲束軸線處的聲壓幅值下降不應超過12 dB，利用該標準實測探頭－12 dB時的下擴散角為47°，上擴散角為83°，探頭聲束的覆蓋范圍如圖6所示。由圖6可見，聲束僅能完成對深度8 mm以上的缺陷的覆蓋，理論上8 mm深度以下缺陷不能檢出，但實際13 mm深度缺陷仍能有效發現，只是衍射信號強度略微變弱。說明缺陷即使位于－12 dB下擴散角以外，其衍射信號仍能被接收探頭有效發現，又因為與底波相等的時間軌跡是以兩個探頭為焦點的橢圓（見圖6中藍色虛線），致使深度處于橢圓以下的缺陷波傳播時間要大于底波時間，造成缺陷被隱藏，深度測量誤差明顯增大[7-8]?，F場實際偏置非平行掃查檢測過程中，移除底波進行觀察，可大大提高缺陷的檢出率[9]。另外在本試驗條件下，對軟件測量深度8 mm以下的缺陷，深度測量誤差較大，應采用常規超聲進行輔助定位。

圖6 偏置非平行掃查－12 dB擴散角示意圖

由圖6可見，靠近TOFD探頭，－12 dB擴散角聲束對近表面的缺陷覆蓋范圍增大，因此近表面缺陷的衍射信號強度及深度測量誤差均優于非平行掃查模式下近表面缺陷的檢測。TOFD相關文獻中也指出，提高近表面缺陷檢出能力的方法之一為縮小探頭間距[10]，本試驗結論與其一致。

6 結 論

（1）TOFD偏置非平行掃查可以對－12 dB擴散角聲束覆蓋范圍以外的缺陷進行檢測，移除底波對檢測圖譜進行觀察，可明顯提高缺陷的檢出率。

（2）與非平行掃查相比，偏置非平行掃查對軟件測量深度超過8 mm的缺陷，其深度定位誤差較大，應輔以常規超聲進行深度定位，且該結論與探頭楔塊角度和探頭前沿等參數相關。

［1］余國民.超聲TOFD法在無損檢測領域中的應用[J].焊管， 2007， 30（6）： 39-40.

［2］袁濤，曹懷詳.TOFD超聲成像檢測技術在壓力容器檢驗中的應用[J].壓力容器，2008，25（2）：58-60.

［3］汪明輝，肖愛武.TOFD方法對焊接缺陷的檢測能力[J].無損檢測， 2014， 36（7）： 75-78.

［4］伊新.TOFD檢測技術基本原理及其應用探討[J].中國化工裝備， 2008（2）： 109-111.

［5］胡先龍，季昌國.衍射時差法超聲波檢測[M].北京：中國電力出版社，2015：95-97.

［6］NB/T 47013.10—2015，承壓設備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測[S].

［7］伍衛平，范欽紅.TOFD檢測中軸偏離缺陷方位參數的測量誤差[J].無損檢測，2014，28（9）：28-33.

［8］林乃昌，楊曉翔.基于拋物線擬合的TOFD圖像缺陷檢測[J].焊接學報， 2014， 35（6）： 35-39.

［9］劉衛海.石油管道焊縫TOFD檢測的缺陷分析及優化[J].文摘版： 工程技術，2015（22）：256-256.

［10］薛永盛，李玉軍.TOFD檢測上表面盲區的討論[J].無損檢測， 2014， 38（4）： 20-25.

Research on the Test Effectiveness of TOFD Offset-scan for Defects

QIAN Lifeng1，LIANG Mengxuan2
（1.CNOOC Energy Technology&Services QHSE Branch Company Project Supervision Company,Tianjin 300345,China;2.Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China）

In order to study the detection efficiency of the TOFD off-scan mode,the reference block with different depth conical holes as 5 mm，8 mm，13 mm，20 mm，25 mm were processed.TOFD offset-scan was implemented on the block and the tested graph was studied.The test result showed that the holes can be detected efficiently after the bottom wave removed.But the depth measurement deviation increase rapidly when the actual depth greater than 8 mm.The normal ultrasonic testing should be used to determine the defect depth for on-site TOFD offset-scan detecting.

nondestructive testing;TOFD；offset-scan；reference block；conventional ultrasound testing

TG441.7

B

1001－3938（2015）12-0055-03

錢立峰（1973—），男，天津塘沽人，石油大學石油工程研究生畢業，高級工程師，主要從事項目管理及工程質量控制研究。

2015-08-24

修改稿收稿日期：2015-10-30

謝淑霞