TOFD缺陷圖譜分析

岳庚新，岳更暉，趙 遠(yuǎn)

（1.天津誠(chéng)信達(dá)金屬檢測(cè)技術(shù)有限公司，天津 300384；2.甘肅政法學(xué)院，蘭州730000）

TOFD缺陷圖譜分析

岳庚新1，岳更暉2，趙 遠(yuǎn)1

（1.天津誠(chéng)信達(dá)金屬檢測(cè)技術(shù)有限公司，天津 300384；2.甘肅政法學(xué)院，蘭州730000）

為了能準(zhǔn)確檢測(cè)鍋爐、壓力容器和壓力管道焊縫的缺陷，并對(duì)缺陷進(jìn)行定位、定量和定型評(píng)價(jià)，采用了超聲波衍射時(shí)差法TOFD（time of flight diffraction），該方法是一種基于衍射回波信號(hào)進(jìn)行缺陷判別的非常有效的超聲無(wú)損檢測(cè)方法，具有檢測(cè)速度快、精度高、缺陷檢出率高、定位準(zhǔn)確、可獲得缺陷尺寸、經(jīng)濟(jì)方便等優(yōu)勢(shì)。TOFD法首先通過(guò)觀察缺陷衍射波的相位和直通波的相位關(guān)系，確定缺陷是哪類缺陷（上表面開(kāi)口型、下表面開(kāi)口型、埋藏型）。不同類型的缺陷圖譜具有不同的測(cè)量方式，然后通過(guò)坐標(biāo)的移動(dòng)來(lái)確定缺陷的深度、寬度和長(zhǎng)度。

超聲波衍射時(shí)差法；衍射回波；缺陷圖譜

Abstract:In order to accurately detect,locate,quantify and finalize the design evaluation weld defects of boiler,pressure vessel and pressure pipe,it adopted the method of TOFD（time of flight diffraction）.This method is a kind of effective ultrasonic nondestructive method based on diffraction echo signal to discriminate defect,it possesses some advantages,such as fast detection speed,high precision,high defect detection rate,accurate positioning,defect size can be obtained,economical and convenient and so on.Using TOFD method,by observing the phase relationship of defect diffraction wave phase and direct wave firstly,it determined the defect kind（open rack on upper surface,open rack on lower surface,buried type）,different types of defect map possessed different measurement ways,then by moving coordinates to determine the defect depth,width and length.

Key words:time of flight diffraction(TOFD);diffraction signals;defect map

超聲衍射時(shí)差技術(shù)TOFD（time of flight diffraction）是20世紀(jì)70年代末由英國(guó)Harwell實(shí)驗(yàn)室的Silk和Lidington提出來(lái)的。隨后在英國(guó)的核工業(yè)領(lǐng)域中，為了減少缺陷高度測(cè)量的失誤，精確地進(jìn)行斷裂力學(xué)分析，TOFD技術(shù)得到了大力發(fā)展，為設(shè)備的可用性評(píng)估提供了精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。之后隨著對(duì)該技術(shù)的深入理解，憑借其檢測(cè)的快速性和尺寸測(cè)量的可靠性，TOFD技術(shù)在天然氣和石油化工等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)今TOFD技術(shù)也逐漸廣泛的應(yīng)用于鍋爐、壓力容器和壓力管道焊縫等缺陷檢測(cè)和定位、定量、定型評(píng)價(jià)。在核電、建筑、石化等工業(yè)后壁容器和管道方面諸多應(yīng)用，可以用TOFD技術(shù)來(lái)完成其他方法無(wú)法完成的檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)了在工件焊接和使用過(guò)程中的實(shí)時(shí)檢測(cè)，來(lái)監(jiān)視缺陷的生長(zhǎng)情況。

1 TOFD技術(shù)檢測(cè)原理及優(yōu)勢(shì)

TOFD檢測(cè)方法通常采用一發(fā)一收的一對(duì)縱波斜探頭，依靠發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波與缺陷端部的相互作用，使缺陷端部在較大角度范圍內(nèi)產(chǎn)生衍射波，接收探頭能夠接收衍射波，從而確定缺陷的存在，其原理如圖1所示。當(dāng)缺陷位于兩探頭中心，已知聲速C及缺陷下端點(diǎn)衍射信號(hào)傳播時(shí)間t，則可根據(jù)下式求出缺陷下端點(diǎn)位置d下。

圖1 TOFD檢測(cè)基本原理示意圖

以直通波信號(hào)為基準(zhǔn)，缺陷上端點(diǎn)的深度d上可由直通波與衍射脈沖的傳播時(shí)差tD算出，見(jiàn)公式（2），求出缺陷在上下端點(diǎn)的位置，則可求出缺陷的深度h=d上-d下。

由圖1可見(jiàn)，直通波和底波分別對(duì)應(yīng)于發(fā)射探頭與接收探頭之間的最短聲程及最長(zhǎng)聲程，在不考慮波形轉(zhuǎn)換的情況下，材料中產(chǎn)生的任何缺陷均在直通波與底波之間到達(dá)。TOFD檢測(cè)方法形成的灰色圖譜不同于以往的超聲波脈沖反射檢測(cè)形成的A掃顯示也不同于射線檢測(cè)中的底片。TOFD數(shù)據(jù)的二維顯示，是將掃查過(guò)程中采集的A掃信號(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，一般用灰色表示A掃描信號(hào)的幅度值，其中即包含了衍射波的傳播時(shí)間，又包含了整個(gè)掃查的長(zhǎng)度，以此對(duì)缺陷有了更精確的定位和定量依據(jù)。

與普通常規(guī)超聲檢測(cè)方法相比TOFD檢測(cè)技術(shù)具有較多的優(yōu)勢(shì)。TOFD檢測(cè)效率高，只需要做線性掃查就能完成焊縫的檢測(cè)，并且可以同時(shí)安裝不同角度的探頭，對(duì)于較厚的焊縫也可實(shí)現(xiàn)一次完成檢測(cè)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)；TOFD檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用聲波的衍生信號(hào)，通過(guò)計(jì)算衍射時(shí)差法確定缺陷的高度，具有高靈敏度、高精度，同時(shí)缺陷的圖譜記錄完整，可后續(xù)的應(yīng)用相應(yīng)的分析軟件進(jìn)行處理，重復(fù)性好，因此也就避免缺陷的漏檢和誤判。TOFD檢測(cè)技術(shù)不會(huì)因焊縫的結(jié)果和缺陷的方向而影響檢測(cè)結(jié)果，其檢測(cè)結(jié)果具有較高的穩(wěn)定性，幾乎不受其他因素影響，TOFD檢測(cè)技術(shù)更靈活，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇自動(dòng)檢測(cè)或手動(dòng)檢測(cè)。但是TOFD檢測(cè)技術(shù)也存在著一定的局限性，過(guò)高的靈敏度導(dǎo)致夸大焊縫中的良性缺陷，在工件表面1～3 mm的盲區(qū)，對(duì)檢測(cè)人員的素質(zhì)和能力要求很高，尤其是對(duì)圖譜分析最為關(guān)鍵，需要進(jìn)行專業(yè)的培訓(xùn)。

2 TOFD誤差標(biāo)定及圖譜分析

2.1 TOFD誤差標(biāo)定

為了驗(yàn)證TOFD檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性，利用TOFD設(shè)備對(duì)厚度為16 mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行9次試驗(yàn)，并與真實(shí)厚度標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖2。

圖2 TOFD圖譜標(biāo)定圖

TOFD分析軟件標(biāo)定值與真實(shí)厚度的標(biāo)準(zhǔn)差值為 0.16 mm，分析軟件測(cè)量厚度平均值為16.13 mm，總體數(shù)值要大于真實(shí)值，這主要是人為主觀因素的影響，及考慮檢測(cè)過(guò)程中試塊平整程度、耦合劑的厚度變化、探頭楔塊的磨損程度等因素對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響。此次采用的TOFD檢測(cè)分析誤差在合理的范圍之內(nèi)。

2.2 TOFD圖譜分析

在對(duì)于TOFD圖譜進(jìn)行缺陷分析和測(cè)量時(shí)，首先要對(duì)圖譜上的所有信號(hào)進(jìn)行臻別，觀察缺陷信號(hào)的相位、出現(xiàn)的位置和固有信號(hào)的變化等，從而判別缺陷的類型，根據(jù)不同類型的缺陷采用不同的測(cè)量方法和數(shù)據(jù)處理手段。

2.2.1 上表面開(kāi)口型缺陷

如圖3所示，上表面開(kāi)口型缺陷只有下端點(diǎn)信號(hào)，缺陷信號(hào)相位和直通波信號(hào)的相位一致，且直通波信號(hào)減弱、消失或變形。

圖3 上表面開(kāi)口型缺陷

通過(guò)測(cè)量缺陷高度7.5 mm，長(zhǎng)度19.4 mm。在測(cè)量高度時(shí)首先調(diào)校零點(diǎn)，通過(guò)直通波第一個(gè)波峰，將紅色坐標(biāo)水平移動(dòng)到缺陷上方，然后垂直移動(dòng)紅色坐標(biāo)到缺陷的第一個(gè)波峰位置，即高度7.5 mm。測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)將紅坐標(biāo)與缺陷的左側(cè)擬合，將藍(lán)色坐標(biāo)與缺陷的右側(cè)擬合，即長(zhǎng)度為19.4mm。由于是上開(kāi)口型缺陷，因此深度為0mm。

2.2.2 下表面開(kāi)口型缺陷

如圖4所示，下表面開(kāi)口型缺陷只有上端點(diǎn)，缺陷信號(hào)相位和直通波信號(hào)的相位相反，底面反射波減弱、延遲或變形。

圖4 下表面開(kāi)口型缺陷

通過(guò)測(cè)量缺陷高度 4.9 mm，長(zhǎng)度19 mm，深度12.8 mm。在測(cè)量高度時(shí)首先調(diào)校零點(diǎn)，通過(guò)直通波第一個(gè)波峰，將紅色坐標(biāo)水平移動(dòng)到缺陷上方，然后垂直移動(dòng)紅色坐標(biāo)到缺陷的第一個(gè)波谷位置，即高度7.4 mm。測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)將紅坐標(biāo)與缺陷的左側(cè)擬合，將藍(lán)色坐標(biāo)與缺陷的右側(cè)擬合，即長(zhǎng)度為19 mm。深度測(cè)量時(shí)先調(diào)零，然后將紅色左邊垂直移動(dòng)到底面反射波第一個(gè)波谷的位置，即深度為12.8 mm。

2.2.3 埋藏型缺陷

如圖5所示，點(diǎn)狀埋藏缺陷雙曲線弧狀，且與擬合弧形光標(biāo)重合，無(wú)可測(cè)量長(zhǎng)度和高度。

圖5 點(diǎn)狀埋藏型缺陷

如圖6所示，條狀埋藏缺陷顯示為長(zhǎng)條狀，可見(jiàn)上下兩個(gè)端點(diǎn)產(chǎn)生的衍射信號(hào)，且靠近底面處端點(diǎn)產(chǎn)生的衍射信號(hào)相位與直通波相位相同，靠近掃查面處端點(diǎn)長(zhǎng)生的衍射信號(hào)相位與直通波相位相反。

圖6 條狀埋藏型缺陷深度測(cè)量

由于此埋藏缺陷的上端點(diǎn)被直通波覆蓋，因此在進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候先通過(guò)軟件拉直直通波，再去直通波，把缺陷的上端點(diǎn)衍射波顯露出來(lái)，然后調(diào)校零點(diǎn)，再將紅色坐標(biāo)移動(dòng)到缺陷的上端點(diǎn)衍射波距離直通波最近的第一個(gè)波谷位置，圖像為黑色部分，此時(shí)為缺陷的深度值，即5.6 mm。

如圖7所示寬度測(cè)量，將藍(lán)色左邊移到下端點(diǎn)衍射波的最底的波谷處，用藍(lán)色坐標(biāo)值減去紅色坐標(biāo)值即為缺陷寬度，即3.4 mm。

圖7 條狀埋藏型缺陷高度測(cè)量

如圖8所示，長(zhǎng)度的測(cè)量較簡(jiǎn)單。將紅色坐標(biāo)和缺陷的最左端擬合，藍(lán)色坐標(biāo)和缺陷的最右端擬合，藍(lán)色坐標(biāo)值減去紅色坐標(biāo)值為缺陷的長(zhǎng)度，即34.2mm。

圖8 條狀埋藏型缺陷長(zhǎng)度測(cè)量

3 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)分析TOFD缺陷圖譜的時(shí)候，首先通過(guò)觀察缺陷衍射波的相位和直通波的相位關(guān)系，確定此缺陷是哪類缺陷（上表面開(kāi)口型、下表面開(kāi)口型、埋藏型），不同類型的缺陷圖譜具有不同的測(cè)量方式，然后通過(guò)坐標(biāo)的移動(dòng)來(lái)確定缺陷的深度、寬度和長(zhǎng)度。因?yàn)門(mén)OFD掃查方式采用大擴(kuò)散角探頭，所以接收到的信號(hào)比教多，而且雜，細(xì)小的合格缺陷也會(huì)檢測(cè)出來(lái)，超聲波在傳播的過(guò)程中不可預(yù)知性和狀態(tài)多樣性，所以分析缺陷的時(shí)候需非常謹(jǐn)慎小心，盡量根據(jù)合理的程序進(jìn)行整理和優(yōu)化圖譜，保持原始數(shù)據(jù)采集要清晰和完整。

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TOFD Defect Spectrum Analysis

YUE Gengxin1,YUE Genghui2,ZHAO Yuan1
（1.Tianjin Chengxinda Metal Detection Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China; 2.Gansu Institute of Political Science and Law,Lanzhou 730000,China）

TG441.7

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.03.011

2017-01-16

編輯：羅 剛

岳庚新（1988—），研發(fā)員，主要從事無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)及金屬材料組織及性能的研究。