不等厚對接焊縫TOFD檢測中PCS的計算

肖元超++石勇

摘 要：TOFD（超聲波衍射時差法）現已廣泛用于特種設備制造的原材料和使用過程中缺陷的檢測、定量和定位，目前國家標準中對平面工件特別是平齊工件做了詳細的規定，而對非平面特別是非平齊工件并未涉及。本文針對實際工作中的非平面工件TOFD檢測特點進行了分析并對檢測過程中PCS的計算提出了自己的認識。

關鍵詞：不等厚；對接焊縫；TOFD檢測；PCS計算

中圖分類號：TG441.7 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）12-0045-02

1 前言

TOFD（Time of Flight Diffraction）檢測通常對于全焊透結構的母材為低碳鋼或低合金鋼的焊接接頭，且母材（工件）公稱厚度t在12mm-400mm的焊接接頭兩側母材公稱厚度相同或不同時的檢測。TOFD（Time of Flight Diffraction）檢測是采用一發一收探頭對工作模式、主要利用缺陷端點的衍射波信號探測和測定缺陷尺寸的一種超聲檢測方法。其基本原理是通常采用兩個分離的的寬帶窄脈沖縱波斜入射探頭相對排列在焊接接頭兩側，由發射探頭發射的超聲縱波在焊縫的截面較大范圍內擴散，一部分沿表面到達另一探頭接收，該路徑是一發一收兩只探頭的最短距離，也是第一個被接收到的脈沖；另一部分縱波脈沖到達焊縫的底部，被底面反射回來，到達另一接收探頭形成底面反射波；超聲縱波在焊縫中間如果遇到缺陷，在缺陷的入射正面產生反射波，在缺陷的邊緣則產生衍射波，而衍射波基本是沒有方向性，大多數都能被另一接收探頭接收到，所以超聲波的傳播基本上在直通波和底面反射波之間[1]。

2 工藝研究

在TOFD技術中，通常采用光標對信號位置或信號傳輸時間進行測量。所用的光標工具有兩種，一種是十字光標，用來測量A掃信號中的數據，另外一種是拋物線光標，用于從D掃圖中測量數據。對于平板焊縫之類幾何形狀比較簡單的工件，信號位置的測量通常包括三個參數：平行焊縫方向上距離掃查起始點的距離（X），以及垂直焊縫方向的橫向距離（Y），距離檢測面的深度（Z）、為保證測量的準確性，在非平行掃查中，需要確定掃查的起始點和掃查的基準線[2]。執行TOFD掃查最常見的方式叫做非平行掃查。這種掃查方式，探頭的移動方向是沿著焊縫方向，垂直于聲束的方向。它適用于焊縫的快速檢測，而且常常在單一通道時使用。非平行掃查的結果稱為D掃描（D-scan），它顯示的圖像是沿著焊縫中心剖開的截面。由于兩個探頭對稱布置于焊縫的兩側，掃查發現缺陷的位置信息（平行焊縫方向上距離掃查起始點的距離（X），以及垂直焊縫方向的橫向距離（Y），距離檢測面的深度（Z）、以及缺陷偏離焊縫中心線的位置信息）是采用探頭選取（角度、頻率、晶片尺寸），工件壁厚（分層掃查各層厚度不用）通過設置時間窗口及計算探頭中心距（PCS）通過儀器自帶軟件的計算得出的。多用在平面（板）焊縫等厚工件的檢測，而實際工作中常會遇見焊縫兩側不等厚工件的檢測情況，探頭中心間距 probe centre separation（PCS）的計算將有所不同，2015年9月1日執行的NB/T47013《承壓設備無損檢測》中第十部分《衍射時差法超聲檢測》NB/T47013.10-2015對不等厚焊縫的檢測只對底面平齊的對接接頭結構，分削邊處理和不削邊處理兩種結構的對比試塊和檢測方法進行闡述，對雙面不平齊的對接接頭結構的對比試塊要求制作相同厚度和結構形式的對比試塊，側孔的設置應滿足其他結構形式的對比試塊要求，對實際工作中常會遇見焊縫兩側不等厚工件的檢測情況，如不等厚焊縫的檢測包括非平面工件的對接、法蘭與筒節的對接、錐體與筒節的對接、以及筒節或管道的縱縫等探頭中心間距probe centre separation（PCS）的計算未有提及到，所以在實際操作工藝驗證中，探頭中心間距（PCS）需要實際檢測計算得到，并且該距離大小會影響缺陷定位[3]。

不等厚焊縫的檢測包括非平面工件的對接、法蘭與筒節的對接、錐體與筒節的對接、以及筒節或管道的縱縫等諸多情況（如下列圖1-4所示）。

通過檢測實踐，探頭（probe）置于平面，并且沿焊縫中心線對稱放置（類似于非平行掃查 non-parallel scan）時聲束焦點位置將不與焊縫中心線重合；探頭（probe）置于平面，其聲束焦點位于焊縫中心線時探頭（probe）的位置將發生變化[4]。同理，探頭（probe）置于坡口斜面，并且沿焊縫中心線對稱放置（類似于非平行掃查 non-parallel scan）時聲束焦點位置將不與焊縫中心線重合；探頭（probe）置于坡口斜面，其聲束焦點位于焊縫中心線時探頭（probe）的位置將發生變化。探頭（probe）放置不同的聲束焦點位置與焊縫中心線的相對位置仿真圖如圖5-6所示。

通過簡單的三角計算可知，圖7所示，探頭（probe）放置在較厚一側母材平面上，探頭中心間距 probe centre separation（PCS）的計算如下：

同理，圖8所示，探頭（probe）放置在較厚側母材削邊坡面上，探頭中心間距 probe centre separation（PCS）的計算如下：

3 結語

在不等厚工件進行TOFD檢測數據進行分析測量時，由于兩個探頭不在同一水平平面上，且實際PCS中心與焊縫中心線也不再重合，目前TOFD軟件還沒有此類變量的設置，直接利用軟件測量會存在一定的測量誤差。因此，實際測量此類數據時，一般可以采用直通波與底波兩點校準的方法，固定工件聲速和楔塊的延遲時間，重新計算一個虛擬的PCS值（參考值），以此來測量缺陷深度位置，可以減小部分誤差值，如果再能考慮實際PCS中心與焊縫中心線位置的偏移量，重新人工計算缺陷深度位置，還能減小部分誤差值，測量結果會更接近實際值。

參考文獻

[1]TSG 21-2016.固定式壓力容器安全技術監察規程[S].

[2]NB/T47013.10-2015.承壓設備無損檢測第10部分：衍射時差法超聲檢測[S].

[3]謝鐵軍，壽比南，王曉雷，李軍.《固定式壓力容器安全技術監察規程》釋義[Z].新華出版社，2010.12.

[4]強天鵬.衍射時差法TOFD超聲檢測技術（2012年版）[Z].2012.05.