TOFD檢測技術應用和發展

呂磊

摘要：本文主要介紹了TOFD檢測技術在承壓設備中的應用和發展，系統闡述TOFD檢測技術的發展概況，TOFD檢測技術基本原理，TOFD檢測技術圖譜分析，TOFD檢測技術盲區問題及解決方法，并結合TOFD檢測技術特點對其在承壓設備檢測中的發展及應用前景進行展望。

Abstract： This paper mainly introduces the application and development of TOFD detection technology in pressure equipment， systematically expounds the development of TOFD detection technology， the basic principle of TOFD detection technology， TOFD detection technology map analysis， blind area of TOFD detection technology and solutions， and prospects its development and application prospect in pressure equipment detection combined with the characteristics of TOFD detection technology.

關鍵詞：承壓設備;無損檢測;TOFD

Key words： pressure equipment;nondestructive testing;TOFD

0 ?引言

隨著超臨界，超超臨界電站鍋爐相繼投入使用，解決了國內電力緊缺的現狀，但由于其承壓設備壓力大溫度高的特點，一旦發生爆炸泄漏等失效問題將會對人身及財產安全造成不可彌補的損失，因此對承壓設備的制造工藝有著十分嚴格的工藝標準，特別是對焊縫產品質量有著嚴格的控制標準。超臨界及超超臨界機組主蒸汽管道材質為P91，壁厚往往能達到80mm，P91屬于高合金耐熱鋼其焊接難度大，造成其在焊接過程中容易產生氣孔、夾渣、未熔合、未焊透、裂紋等焊接缺陷。因此對大壁厚特別是P91等焊接性較差的材質焊縫進行有效的無損檢測顯得十分必要。TOFD檢測技術憑借其在大壁厚部件焊縫中缺陷檢出率高、漏檢率低、現場條件易滿足、靈敏度高、缺陷定位定量準確率高的特點被廣泛應用于大壁厚部件焊縫質量評價[1-3]。

1 ?TOFD檢測技術發展概況

TOFD檢測技術首先由英國國家NDT中心Mauric Silk博士于上世紀70年代首先提出，是能夠精確測量缺陷尺寸的超聲波檢測技術，并廣泛應用于石油、天然氣和石油化工等工業領域。為規范TOFD檢測技術應用，美國、英國、歐盟和日本相繼制定了行業內TOFD檢測標準，其中BS7706-1993、ENV583-6-2000、CEN/TS-14715-2004、ASTM E2373-2004和NDIS 2423-2001是方法標準，ASME cc 2235-9為驗收標準。

20世紀90年代，我國引進并研究TOFD檢測技術。2001年中國第一機械集團公司利用TOFD檢測技術代替射線檢測技術對14條壓力容器70余條焊縫進行無損檢測，并在2004年與中國特種設備檢測研究院合作，制訂頒布了我國第一個TOFD檢測標準。2007年以后，TOFD檢測技術在我國特種設備的應用迎來了高潮;我國參考國外多個TOFD檢測標準，并結合我國研究成果及現場應用經驗，制訂了NB/T 47013.10-2010《承壓設備無損檢測第10部分：衍射時差法超聲檢測》，并在2010年12月15日正式實施[4-6]。

2 ?TOFD檢測技術

2.1 TOFD檢測技術原理

TOFD檢測技術（超聲衍射時差法）是基于惠更斯原理檢測缺陷。波有遇到障礙物繼續通行的現象，稱為衍射。當缺陷尺寸小于超聲波的波長時，超聲波會繞過缺陷處繼續傳播，衍射波沒有明顯方向性，并且衍射信號比反射信號要小的多，因此TOFD能檢測出較小缺陷，具有良好的靈敏度。檢測過程中采用雙探頭一發一收模式，探頭具有相同頻率、角度及晶片尺寸，將探頭橫跨焊縫兩側進行非平行及平行掃查。當發射縱波遇到缺陷后，會在缺陷上下端點產生衍射波，儀器在接收A掃描信號的同時，同步產生相對應D掃面圖像，圖像中會在直通波和底面反射波之間出現缺陷波，如圖1。

2.2 TOFD檢測設備

TOFD檢測設備主要包括TOFD檢測儀、掃查架、探頭、試塊等。TOFD檢測儀激發超聲波并接收缺陷衍射波，對所接收衍射信號進行分析成像，同時記錄探頭移動路徑，并對掃描結果進行存儲，實現檢驗結果的可追溯性，完成對缺陷的檢驗。TOFD檢測通常采用小晶片、窄脈沖、寬頻帶、大擴散角、高靈敏度的縱波探頭，從而提高精度和分辨力。

2.3 TOFD檢測圖像顯示

TOFD掃描圖像可分為A掃描圖像、B掃描圖像以及D掃描圖像，TOFD檢測技術圖像顯示并非缺陷真實圖像，而是接收衍射波A掃信號經過處理形成灰度圖。利用灰階度表示波幅大小，例如當波形向正半周期變化時，灰度向白色漸變;當波形向負半周期變化時，灰度向黑色漸變。通過一系列A掃描信號構成一幅TOFD檢測圖像，如圖2。

2.4 TOFD掃查方式

TOFD掃查方式可分為非平行掃查、偏置非平行掃查、平行掃查三種方式，如圖3。

當探頭對稱放置在焊縫兩側，沿著焊縫長度方向進行掃查，即探頭移動方向與超聲波傳播方向垂直，稱為非平行掃查，所得到圖譜為D掃描圖像。非平行掃查能夠實現大范圍檢測，焊縫余高不影響掃查，效率高，速度快，因此作為TOFD檢測初始掃查方式。但其無法有效檢測橫向缺陷，并且無法檢測出缺陷偏離焊縫中心的具體位置。

當探頭不對稱放置在焊縫兩側，沿著焊縫長度方向進行掃查，稱為偏置非平行掃查。偏置非平行掃查可以有效解決軸偏離盲區問題，增大某一側的檢測范圍。例如當焊縫寬度較大，需要相對于焊縫中心偏置一定距離，以保證聲束能夠有效覆蓋焊縫熔合線，保證缺陷不漏檢。

當探頭放置焊縫兩側，垂直于焊縫長度方向進行掃查，即掃查方向與聲束傳播方向平行，稱為平行掃查。平行掃查需要去除焊縫余高，能夠有效檢測焊縫中橫向缺陷，并能夠精確定位缺陷橫向位置。平行掃查往往能夠對非平行掃查中的點狀缺陷進行補充檢測，判斷缺陷是否為橫向缺陷。

3 ?TOFD圖譜分析

TOFD圖譜相關顯示分為表面開口型缺陷及埋藏性缺陷，其中表面開口型缺陷分為掃查面開口型缺陷，底面開口缺陷和貫穿性缺陷;埋藏缺陷主要包括氣孔、條渣、未焊透、未熔合以及裂紋，如圖4。

掃查面開口型缺陷直通波斷開，只能觀察到缺陷下端點衍射圖像及底面圖像;底面開口型缺陷底面反射波斷開，只能觀察到缺陷上端點衍射圖像及直通波圖像;貫穿性缺陷導致部件在厚度方向上的斷裂，因此缺陷位置處的直通波及底波被斷開，形成斷續圖譜。

氣孔是點狀缺陷，由于氣孔缺陷很小，無高度，因此其缺陷圖譜無明顯上下端點衍射信號，信號呈現弧形;條渣在長度方向有一段平直信號，時斷時續，頭尾呈現弧形;對于X型坡口結構，未焊透缺陷圖譜往往出現在中間位置，缺陷圖譜較平直但不相互平行，類似鋸齒狀;對于V型坡口結構，未焊透往往出現在底波位置，但與底面開口缺陷不同，未焊透底波不斷開，能夠發現下端點衍射信號;未熔合分為坡口未熔合與層間未熔合，其圖譜與未焊透相似，但由于自身高度低，無法有效辨認上下端點，表現為黑度不均勻一定長度黑線;裂紋缺陷圖像上下端點不規則，信號不連續，信號端部有許多小的端角，裂紋的危害性最高，檢驗時要引起重視。

4 ?展望

無損檢測技術主要為滲透檢測、磁粉檢測、常規超聲檢測、射線檢測。滲透及磁粉檢測只能檢測近表面缺陷，無法檢測焊縫中的埋藏缺陷;射線檢測雖然能夠通過底片直觀反映出缺陷形態及性質，但是檢測大壁厚部件時需要管電壓較大、受輻射影響其使用條件苛刻、效率低，特別是由于射線角度影響對一些未熔合缺陷漏檢率大，無法滿足大壁厚部件焊縫探傷應用。

常規超聲檢測適用于埋藏性缺陷，但其對缺陷定位定量都是基于缺陷反射波幅，對于大壁厚部件，其缺陷波幅勢必降低，提高增益同時，噪聲信號也會提高，信噪比降低，特別是其無法記錄超聲具體路徑，單純使用常規超聲檢測，無法滿足規程TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程中》關于“壓力容器的對接接頭應當采用射線檢測、超聲檢測（包括衍射時差法超聲檢測（TOFD）、可記錄的脈沖反射法超聲檢測和不可記錄的脈沖反射法超聲檢測）;當采用不可記錄的脈沖反射法超聲檢測時，應當采用射線檢測或者衍射時差法超聲檢測進行附加局部檢測。”的規定。TOFD檢測技術在大壁厚部件上定位定量準，尤其能準確測量出缺陷自身高度，工作效率高的特點，已被廣泛應用到國內大型壓力容器制造質量檢測中，大大降低了壓力容器制造成本及周期，提高了我國制造業競爭水平[7-8]。但TOFD檢測技術也存在一定局限性，TOFD檢測技在上下表面盲區的問題，需要在檢測過程中增加滲透檢測或磁粉檢測，對底面缺陷增加常規超聲檢測，以保證盲區缺陷被有效檢測。隨著科學技術的發展，國內一些研究團隊通過實驗已大大降低了TOFD檢測技術表面盲區問題，相信TOFD檢測技術表面盲區問題一定會得到有效解決。

參考文獻：

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