TOFD超聲成像檢測技術在壓力容器檢驗中的應用

程康，李海明，徐海亮

淄博市特種設備檢驗研究院，山東淄博，255000

0 引言

壓力容器在很多行業都有廣泛的應用，而為了保證壓力容器的使用安全與穩定性，需要對壓力容器實施無損檢測，通過檢測知曉不同壓力容器的實際狀況，便于確定壓力容器是否還能正常使用[1]。壓力容器檢測中既要保證檢測方法的使用不會對壓力容器造成影響，又要較好地顯示壓力容器可能存在的缺陷，提高檢測的靈敏度與檢測效率[2]。TOFD超聲成像檢測技術作為一種無損檢測方法，其在壓力容器檢測方面有重要應用，本文結合自身工作經驗，對TOFD超聲成像檢測技術在壓力容器檢驗中的應用予以分析，旨在更好地指導壓力容器檢驗中TOFD超聲成像檢測技術的合理使用。

1 TOFD超聲成像檢測技術概述

TOFD是Time Of Flight Diffraction的簡稱，即超聲波衍射時差法，其屬于一種新型無損檢測技術，也是現代超聲檢測技術中的一種，是特種設備中缺陷檢測、定量、定位的重要方法之一。TOFD技術在應用期間，對待檢試件內部進行檢測，當設備結構中存在缺陷的情況下，將從其“端角”“端點”位置處獲取的衍射能量作為檢測缺陷的重要依據[3]。通俗地講，TOFD超聲成像檢測技術在對容器內部進行超聲檢測時，當容器內存在缺陷時，超聲波會在缺陷的尖端發生疊加，使得正常反射波中存在衍射波。檢測人員根據探頭探測到的衍射波具體情況，作為容器內部缺陷位置、大小、深度判斷的重要依據。盡管現階段壓力容器檢測中可使用的方法較多，但是TOFD超聲成像檢測技術在壓力容器檢測中具有重要的應用價值，使其得到重要應用。

TOFD超聲成像檢測技術在壓力容器檢驗中的應用存在一定的優勢，其在使用期間衍射波信號的靈敏度較高，有效地保證了壓力容器中缺陷的檢出；檢測過程中效率更高，通過合理布置一發一收探頭，可更快地獲取檢測信號，分析后，其可作為壓力容器檢測缺陷判斷的依據；通過衍射時差計算方法，可保證壓力容器中缺陷位置的精準定位；檢測過程中受到相關因素的影響較小，保證了檢測結果的可靠性與穩定性；衍射波較高的靈敏度也使得在壓力容器實際檢測中相關缺陷的漏診率更低，可以更好地對壓力容器做綜合評價。除此之外，TOFD超聲成像檢測技術還具有成本低、檢測方式更加靈活、檢測安全性高及對工作人員無傷害等優勢[4]。上述均為TOFD超聲成像檢測技術在壓力容器檢測中得到重要應用的原因。實際上TOFD超聲成像檢測技術在壓力容器檢測中也存在一定的局限性，該檢測技術具有較高的靈敏度，很容易在檢測中造成某些良性缺陷的夸大；同時該方法在具體應用中有檢測盲區的存在，這些可能會對實際檢測結果產生影響。

2 TOFD超聲成像檢測技術在壓力容器檢驗中的應用

TOFD超聲成像檢測技術在壓力容器檢驗中，需要滿足相關要求，同時在檢測期間需要按照流程進行操作，以保證壓力容器檢測的可靠性。

2.1 知曉待測壓力容器的相關要求

為保證TOFD超聲成像檢測技術在壓力容器檢測中應用的準確性，具體檢測之前需要對壓力容器實施預處理，即通過有效處理使其滿足檢測要求，保證檢測結果的可靠性。壓力容器檢測前需要保證清潔度，比如其內部表面不能殘留因為焊接而留下的飛濺物，外部不應有附著物，針對容器表層存在的雜物、土層等應有效消除，避免TOFD超聲成像檢測技術在高靈敏度下可能造成的缺陷夸大問題。根據壓力容器的具體情況，合理選擇介質作為耦合劑。壓力容器耦合劑選擇需要注意以下問題：介質材料應適合待檢壓力容器，同時介質材料不會因環境因素影響發生失效。滿足上述要求的介質材料方可達到耦合效果。根據實際應用情況，軟膏、水、油料等均屬于應用較廣的耦合劑。根據壓力容器實際情況，在某些情況下為了保證檢測效率，減小誤差，還可以加入其他材料。根據實際情況在檢測前應做好溫度控制，通常溫度需要控制在0～50℃，避免溫度對壓力容器產生影響[5]。如果超過上述溫度，在對壓力容器檢測中需要選擇特殊的耦合劑、探頭等。

2.2 準備好檢測儀器

TOFD超聲成像檢測技術在壓力容器檢驗中需要準備好相關的檢查儀器，發揮不同儀器設備的作用，以保證壓力容器檢測結果的可靠性。檢查儀器需要滿足超聲發射與接收要求，同時可自動完成數據采集、記錄、分析與顯示。準備好所需要使用的檢測儀器，能夠通過儀器保證檢測結果可靠性，同時提高檢測速度，節約人力成本。前期準備工作中也需要重視探頭的準備工作，即要求選擇合適的探頭，具體探頭的選擇應結合不同壓力容器的具體情況而定。如果壓力容器厚度≤7.5cm，檢測中可使用單探頭；如果壓力容器的厚度＞7.5cm，可通過設置多個檢測通道與組合探頭，便于多角度實施壓力容器檢測，提高檢測準確性。從壓力容器的實際應用方面分析，目前化工企業所使用的壓力容器厚度通常均超過7.5cm，所以在檢測中需要使用組合探頭，并根據具體的壓力容器，合理調整探頭的中心距[6]。

2.3 檢測儀校準與參數調整

檢測儀的準確性與性能在檢驗中發揮著重要作用，因而在使用前需要對檢測儀校準。探頭在使用期間也存在一定的參數要求，應對探頭的不同參數進行合理調整，如晶片規格、發射頻率、放置角度及探頭中心間距等。不同參數在調整期間應立足于壓力容器的實際情況，最大程度保證檢測參數同壓力容器檢測的有效匹配。結合TOFD超聲成像檢測技術在壓力容器檢驗中不同參數的研究分析，在晶片尺寸與探頭中心間距較小的情況下，橫向分辨力、擴散角均較大，而聲場能量較小；在晶片反射頻率較高的情況下，對應的反射波長較小，橫向、縱向分辨力較大，噪聲會下降，所能穿透的厚度較小；晶片放置角度較小，則探頭中心間距較小，此時對應誤差較小，分辨力較大；探頭中心間距較小對應的盲區也越小，因此能夠提高分辨力，提高測量精度。壓力容器檢測中，應具體問題具體分析，結合不同壓力容器特點，合理確定并調整相關參數，TOFD超聲成像檢測技術在壓力容器檢驗中通常采取小晶片、高頻率、大角度，保證探頭可更完整地對整個壓力容量內部予以掃描，以保證壓力容器檢測結果的準確性。

TOFD超聲成像檢測技術在壓力容器檢驗中還需要對其他參數予以調整，比如采樣率方面，針對壓力容器外部厚度不足50mm的情況，采樣間距可調整到1mm，反之，如果壓力容器外部厚度超過50mm，采樣間距則應調整到2mm。掃描距離設置方面，應綜合所使用檢測設備的具體規格情況、壓力容器大小等，對掃描距離予以調整；掃描速度的調整應考慮耦合劑的選擇，通常從壓力容器內部凹曲面開始檢測，并控制好檢測速度，避免太快，這樣可減少表面盲區，同時可保證壓力容器內部檢測的連續性。

2.4 檢測過程

TOFD超聲成像檢測技術在壓力容器檢驗應用期間，需要執行該檢測技術的有關標準，保證操作流程、操作步驟等的合理性與規范性，提高檢驗過程的科學性。檢測過程中對應的發射裝置、接收裝置、探頭均應正常運行。壓力容器檢測中耦合劑多選擇水，直通波波幅需要控制在滿屏的40.00%～80.00%。超聲波檢測期間需要順著壓力容器焊接處實施掃描，如果檢測后得到兩個完整的超聲波信號，則提示壓力容器焊接處不存在缺陷。如果檢測后接收到衍射波信號，可通過探頭再次進行檢測，通過檢測后可獲取參數，作為壓力容器缺陷信息獲取的依據[7]。

2.5 數據分析及其圖像處理

使用TOFD超聲成像檢測技術對壓力容器進行檢驗，檢測儀會自動采集并完成相關數據記錄，隨即通過計算機完成不同數據的分析與處理，并進行圖像重構，該圖像可作為壓力容器有無缺陷的憑證。壓力容器中的缺陷依據形態不同可分為開口缺陷、埋藏缺陷，其中上表面開口缺陷、下表面開口缺陷、貫穿性開口缺陷均屬于開口缺陷。點狀、線性以及平面型缺陷則均是埋藏缺陷的主要形態。如果檢測中出現直通波消失，有下尖端衍射存在，則壓力容器存在上表面開口缺陷；如果出現底波反射波消失，存在上尖端衍射，則為下表面開口缺陷；如果是直通波和底面反射波均斷開，則為貫穿性開口缺陷，此類缺陷在圖像分析中應重視其與圖像不連續性的有效區分，便于準確地做出判斷。如果是點狀埋藏缺陷，檢測中可見缺陷長度短、高度小，不存在明顯的上下尖端衍射信號，通過孔徑聚焦技術予以檢測，檢測圖像中有點狀缺陷存在。線狀埋藏缺陷的缺陷高度小、無明顯上下尖端衍射信號，但長度較大。而平面型埋藏缺陷的高度大，存在明顯的上下尖端衍射信號，且兩個信號相位具有反向表現。通常通過圖像處理可更好地指導壓力容器檢測，例如將圖像拉直縮小，有利于提高測量精度。為了提高壓力容器檢測中的圖像信噪比，可選擇孔徑聚焦技術，對上尖端衍射信號快速定位，明確壓力容器缺陷位置。通過對不同壓力容器中缺陷的分析，預測不同缺陷可能給壓力容器使用所產生的危害，便于針對性地采取干預措施。

3 影響檢驗結果的固有因素與處理

TOFD超聲成像檢測技術在壓力容器檢驗中的整體影響因素較少，但是也存在固有因素，通過對這些固有因素的分析，便于更好地指導實際壓力容器檢測，消除相關的安全隱患。

3.1 38°帶來的影響

TOFD超聲成像檢測技術的應用原理表明，其需要以衍射信號為基礎，即波在傳播過程中與界面作用而發生的不同于反射的物理現象。根據物理學知識，當波在穿過狹縫、小孔等障礙物后會發生不同程度的彎散傳播。衍射波能夠在不同方向傳播，同時沒有明確的指向，且較反射信號對應的衍射信號更弱，如果波傳播遇到的障礙物端點越尖銳，則衍射越明顯，反之衍射會不明顯。根據對不同角度下衍射信號波幅的研究分析，當折射角度為65°時，此時上尖端信號和下尖端信號對應的波幅均最大。如果是裂紋下尖端的信號，38°時波幅下降最大，這樣會使得裂紋下尖端信號波幅曲線有兩個峰。通過反復試驗證實，折射角度變化后會引起衍射信號幅度發生變化，其中45°～80°范圍內，衍射信號幅度同折射角度關系較小，因而要求TOFD超聲成像檢測技術探頭角度一般控制在45°～70°，這種角度會避開38°這種不利的角度，可確保檢測中衍射信號強度，同樣當角度超過75°后，會增加測量誤差。所以在使用TOFD超聲成像檢測技術進行壓力容器檢驗中，應避免38°，合理控制探頭角度，合理調整中心部位距離，以保證壓力容器實際檢測結果的可靠性。

3.2 檢測盲區問題

TOFD超聲成像檢測技術在壓力容器檢測中還存在檢測盲區問題。結合實際壓力容器檢測情況，TOFD超聲檢測技術存在上表面盲區與下表面盲區。其中探頭中心間隔距離、探頭帶寬、探頭掃射頻率等會影響上表面盲區，在保證檢測準確性的條件下，可將直通波脈沖帶寬縮小、探頭中心間距減小，同時增加掃射頻率，有利于消除上表面盲區。下表面盲區一方面與底面反射波信號寬度有關，另一方面則與軸偏離所引起的底面盲區有關，針對前者，可增加掃射頻率，同時適當擴大探頭中心間隔距離，以減小盲區。針對后者引起的盲區，需要考慮軸偏離的影響因素，比如壓力容器、探頭中心間距等，因而可適當增加探頭中心間距，同時在檢查中還可增加平行掃查方式，這些措施的使用有利于減小盲區范圍，更好地保證壓力容器檢測結果的可靠性。

3.3 測量誤差問題

在壓力容器檢驗應用TOFD超聲成像檢測技術，還需要考慮實際的誤差問題。從理論上分析，TOFD超聲成像檢測技術在檢測過程中的測量精度可達到0.1個波長，事實上在相關檢測過程中，還存在一定的客觀影響因素，使得實際檢測難以達到理想狀態。部分研究資料講述，TOFD超聲成像檢測技術在應用期間，不同位置、不同角度所產生的測量誤差不同，因此為了降低該技術在實際應用中的誤差，需要在具體應用中針對主要參數做調整與優化，比如調整探頭中心間隔距離進行、處理檢測面平整度、控制軸偏移度、調整入射點角度等，利用多種參數的優化，保證檢測結果的準確性，降低檢測誤差。

4 TOFD超聲成像檢測技術的創新測試

石油化工等行業所使用的壓力容器類型較多，需要遵循具體問題具體分析的原則，針對不同壓力容器應用TOFD超聲成像檢測技術采取的檢測方法不同。實際上因為壓力容器本身材料在更新，同時不同壓力容器的制造材料與工藝等也會有所不同，這就要求應用TOFD超聲成像檢測技術對壓力容器進行檢測應靈活調整方法，避免使用相同方法對不同壓力容器進行檢測。通過檢測技術檢測方法的創新，可更好地發揮TOFD超聲成像檢測技術優勢，保證檢測結果的可靠性，避免使用不合格的方法造成壓力容器檢測結果的不可靠。關于TOFD超聲成像檢測技術的創新測試，需要在具體工作中不斷總結經驗，分析不同缺陷的具體成像特點，整理使用不同方法與不同參數對應的檢測資料等，以便更靈活地開展壓力容器檢測工作。

5 結語

壓力容器檢測中，TOFD超聲成像檢測技術在檢測效率、檢測精度等方面均有優勢，檢測過程中的影響因素更少。TOFD超聲成像檢測技術在具體應用中應重視對固有因素的處理，提高檢測精準度。合理進行檢測參數調整與優化，可確保整體檢測結果的可靠性，從而更好地為壓力容器的安全應用提供參考。