超聲波衍射時差法在焊接檢測中的應用

超聲波衍射時差法在焊接檢測中的應用

孟民岡

(中海油能源發展裝備技術有限公司 海管技術服務中心， 天津 300452)

摘要：考慮到超聲波衍射時差法在國外眾多行業的管道及壓力容器焊縫質量檢測中已得到廣泛運用，介紹該技術的可靠性好、檢出率高、定量精度高、檢測效率高、無污染和操作成本低等優點，希望促進此技術在國內的研究，認為相對TOFD檢測的操作而言，對檢測所得圖像的識別判讀是研究的重點與難點。

關鍵詞：TOFD；定量；定位；圖譜特征

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.014

中圖分類號：U671.99；P755.1

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0047-05

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一孟民岡(1990-)，男，學士，助理工程師

Abstract:The ultrasonic time-of-flight diffraction measurement technology (TOFD) has been adopted widely in many foreign industry pipeline and pressure vessel weld quality detection. The advantages of the TOFD technique, such as good reliability, detection rate, high quantitative precision, high detection efficiency, no pollution and low operating cost etc. the domestic research of the TOFD technology should be promoted and deepened. The relative TOFD detection operation and identification of the detected image is the focus and difficulty of research.

修回日期：2015-09-01

研究方向:海上石油平臺總體工藝

E-mail:987166417@qq.com

常規的無損檢測方法有射線、超聲波、磁粉、渦流和滲透5種。這些方法中,超聲波檢測所占的比例多達50%左右[1-2]。近年來,隨著傳感器技術、電子技術，以及計算機技術的發展和應用,超聲無損檢測領域又出現了許多熱點新技術。作為熱點新技術之一的超聲衍射時差法(time of flight diffraction,TOFD)與傳統的超聲波檢測法(如脈沖反射法和超聲穿透法)不同,它是一種依靠被測試件內部缺陷的端角和端點處得到的超聲波衍射能量來對缺陷測深定高的方法。 TOFD與常規超聲檢測有兩個重要不同；①缺陷衍射信號的角度幾乎是獨立的；②深度尺寸定位和相應的誤差取決于衍射時差，而與信號振幅無關。因此，相比傳統超聲檢測，TOFD技術有新優勢；①TOFD技術定量定位精度高，直通波的尺寸精度是±1 mm，裂紋增長檢測能力可達±0.3 mm；②能有效發現任何方向的缺陷；③檢測數據以視圖的形式持久保存[3]。

TOFD作為一種新型的焊接檢測技術,在國外眾多行業的管道及壓力容器焊縫質量檢測中已得到廣泛運用,國內核電、石油等行業的大型壓力容器及管道焊接檢測也正逐漸推廣[4]。

1TOFD檢測技術的基本原理

TOFD法通常采用雙探頭模式(一發射、一接收),檢測原理見圖1a)所示。在檢測缺陷時,由發射探頭發射的縱波將在缺陷的上下端點處產生出很大角度范圍內的衍射波,該衍射波能傳播到接收探頭處，形成缺陷上下端的衍射波信號：當被測件內部沒有缺陷時,接收探頭只收到兩種波形，即直通波和底面回波；當被測件內部有缺陷時,接收探頭收到4種波形,即:在上述兩波之間還有缺陷上下端處的衍射波,如圖1b)所示[5]。

圖1　超聲TOFD法的檢測原理及其典型A掃描信號

如果忽略縱波在傳播過程中的波形轉換,被測件中缺陷產生的信號均在直通波與底面回波之間到達。因此,直通波和底面回波這兩個接收波就被作為缺陷檢測的參考信號。直通波與缺陷上端產生的衍射波的傳播時間差與缺陷的位置有關,缺陷上下端產生的衍射波的傳播時間差與缺陷的自身高度有關。因此,關于缺陷高度和位置的測量,都是由接收到的聲波信號的傳播時間決定,與信號的波幅無關,進一步提高了檢測的精確度。

2TOFD檢測技術的基本布置

在TOFD檢測中，使用一對或多對探頭進行檢測。所需探頭的對數由被檢焊縫的厚度決定。

這里以使用一對探頭為例。一對探頭中，一個為發射探頭，另一個為接收探頭。發射探頭負責將儀器的發射電脈沖轉換成超聲波進入檢測工件，接收探頭將接收到的超聲信號轉換為電信號傳給檢測儀器。檢測時，首先測量工件的厚度，由于焊縫有余高，對母材厚度進行測量作為所需厚度(T)。利用工件厚度計算二探頭間距(PCS)。由式(1)計算PCS值。

(1)

式中：θ——探頭角度。

調好探頭間距后，將探頭對稱放置在焊縫兩側，使超聲波聲束覆蓋檢測區域。在非平行掃查時，要確保探頭走直線，兩探頭始終與焊縫軸線對稱，即聲束交點始終位于焊縫中心位置。

3掃查類型及其特點

TOFD檢測有兩種掃查方式，即D掃描和B掃描。

D掃描，探頭沿焊縫兩側，平行于焊縫移動，探頭的移動方向與超聲波的傳播方向垂直，又稱為縱向掃描或非平行掃描，所得檢測圖像為D掃描圖像(見圖2)。

圖2　TOFD法雙探頭移向(沿焊縫長度方向) 與相應的D掃描圖像

B掃描，探頭沿著垂直焊縫的方向移動，探頭的移動方向與超聲波傳播方向平行，又稱為橫向掃描或平行掃描，所得TOFD圖像為B掃描圖像(見圖3)。

圖3　TOFD法雙探頭移向(沿焊縫寬度方向) 與相應的B掃描圖像

D掃描是常用的一種焊縫檢測方式。所得TOFD圖像為焊縫的縱斷面顯示，由于檢測時探頭跨騎在焊縫上沿焊縫移動，焊縫余高不影響掃查。這種掃查方式效率高、速度快、成本低且操作方便，只需一個人便可以完成。利用這種掃查方式得到缺陷的高度、埋藏深度、沿焊縫方向的長度及距掃查零點的距離等信息。

B掃描可提供缺陷寬度和更精確的高度值。采用D掃描方式檢測到缺陷后，需要對其進行更加精確的定位和更加精確的測量時，可在缺陷處使用B掃描方式進行掃查。B掃描提供焊縫橫斷面顯示，可從B掃描結果中得到更精確的缺陷高度值以及缺陷寬度(即距離焊縫中心線的距離)值。但是，在這種掃查方式中，焊縫的余高會明顯阻礙探頭的移動，大多數情況下需將焊縫的余高磨平后再進行掃查，從而降低掃查效率。

大多數情況下，為了迅速完成檢測或減少成本，只進行D掃描。當D掃描無法得出滿意的結果時，對發現的缺陷進行B掃描。

無論是在平行還是在非平行掃查的圖形中，缺陷的兩端都顯示出弧形形狀。其原因是缺陷在焊縫中線或兩探頭連接線中點時聲程路徑最短，而在離開中線時聲程路徑又變長。因此需要用特殊的測量工具弧形光標來擬合缺陷端點的弧形，以便得出比較精確的缺陷相關數據。

4TOFD檢測儀器

TOFD檢測系統包括硬件系統和軟件系統。硬件系統包括：TOFD檢測儀(主機)、TOFD檢測掃查器、超聲波探頭及TOFD檢測校準試塊。TOFD檢測儀是一種由計算機控制的能夠滿足衍射時差法檢測工藝過程特殊要求的數字化超聲波檢測儀，包括脈沖發射電路、信號接收放大電路、模擬/數字轉換電路、數字邏輯控制電路、接口電路及探頭位置傳感器電路等6個單元和計算機終端。

由汕頭市超聲儀器研究所有限公司生產的SUPOR-2T型號的超聲TOFD檢測儀，見圖4。該檢測儀是結構緊湊、功能強、高性能且便攜，具備記錄、成像及數據處理能力的計算機智能化超聲檢測設備。在國內外同類產品中體積最小、重量最輕。具有較長的續航時間、較高的檢測效率及人性化的操作界面。

圖4　SUPOR-2T的超聲TOFD檢測儀

5主要檢測步驟

步驟1。為了設計出更好的檢測方案，應在檢測之前更多地了解工件情況、焊縫情況、以及欲檢出缺陷情況等信息。對在制工件，應了解其制造規范、制造工藝、裝備、環境條件等；對在用設備，應了解運行環境、故障情況和上次檢驗發現的問題等。對于材料，應了解其焊接性、焊接結構形式、焊接方法、焊接時現場條件及需要檢出的缺陷類型等。

步驟2。檢測區域應為焊縫本身寬度再加焊縫兩側各相當于母材厚度30%的區域；檢測焊縫外觀，余高寬度和高度，兩邊母材的厚度是否一致。檢測面應平整，表面粗糙度小于Ra6.3 μm，一般均需要打磨。由于TOFD采用一收一發2個探頭的工作模式，因此，對檢測面的平整性和光潔度要求均高于普通超聲檢測，否則將難以移動探頭或造成信號丟失。檢測前應確定掃查路徑并在被檢工件上予以標識包括掃查起始點和掃查方向。

步驟3。探頭的選擇包括型號和參數的選擇。探頭參數的選擇即探頭的角度、頻率及尺寸的選擇。

步驟4。使用2/3T準則(或其他)確定探頭間距。注意多通道時探頭間距的計算。

步驟5。根據規章要求確定探頭對數，以確保超聲波覆蓋深度范圍，如果需要使用一組以上的探頭，則應對每一組探頭按照各自檢測的區域進行參數優化，如探頭的頻率、晶片尺寸和探頭間距。

步驟6。進行通道設置，設置的參數包括通道選擇、工件厚度、增益(檢測靈敏度)、檢測范圍、平移、材料聲速、工作方式、檢波方式、脈沖寬度、阻抗匹配、探頭延遲、探頭角度、閘門起點、閘門寬度、閘門幅度及是否顯示、DAC(距離波幅曲線)等。

步驟7。編碼器校準。非常重要，影響對缺陷長度方向定位精度。

步驟8。一切準備就緒后，進入自動檢測，將所得TOFD圖像保存。

6檢測結果分析

6.1焊縫的5種常見缺陷

在焊接過程中，由于焊接選材不當、焊接工藝條件不合適或接頭設計不當，操作不規范等原因，缺陷的出現無法避免。常見的焊接缺陷主要有裂紋、未焊透、未熔合、氣孔及夾渣[6]。

6.2TOFD對缺陷定量定位的原理

缺陷的定位定量是指確定缺陷的位置和尺寸大小。要確定的位置包括：缺陷距離檢測面的深度(z)、缺陷在平行焊縫方向上距掃查起始點的距離(x)及缺陷在垂直焊縫方向上的橫向距離(y)。定量包括：缺陷的高度、長度和寬度。

圖5　定位坐標

圖6　缺陷自身高度和埋藏深度測量示意

6.2.1缺陷深度與高度測量原理

通過測量衍射波傳播時間和利用三角方程，確定出缺陷的尺寸和位置，見式(2)。缺陷自身高度和埋藏深度測量示意于圖6。

(2)

式中：L——超聲波到達缺陷上端點的聲程；

c——聲速；

T——超聲衍射波在工件中傳播的時間；

S——探頭中心間距的一半。

以直通波為參考起點，若缺陷上端點的衍射波與直通波間的傳播時間差為t1，由下式計算缺陷深度：

(3)

缺陷下端點與掃查面間的最大距離為d2，同理，由下式計算缺陷下端點的深度：

(4)

則缺陷的自身高度H為

(5)

6.2.2缺陷距掃查起始點的距離(x)和長度測量

魏某,女,55歲?？人圆∈方?年,每冬季發作,夏季自愈,發作時,晝輕夜重。不能入眠,痰多而稀,患者患病多年,經多處中西醫治療,不見效果。舌尖呈紅,苔薄白,脈弦較細。采取小柴胡湯加減方進行治療。處方:柴胡12克,黃芩9克,半夏12克,黨參10克,五味子9克,炙甘草9克,細辛4克,生姜12克,大棗6枚,水煎服,服上方3劑,即能人睡,連服7劑,咳嗽好轉,連服數劑。病愈。

在非平行掃查中，可以準確獲得缺陷距掃查起始點的距離，進而得出缺陷的長度。在掃查前，先確定掃查的起始點，并做標記。對編碼器進行校準后，開始非平行掃查，探頭移動時，儀器通過編碼器記錄下每一個A掃信號相對起始點的位置。掃查完畢后，對圖像進行在機分析，將光標分別停留在缺陷的最左端和最右端記下相對x值。則此時x值即為缺陷距掃查起始點的距離，結合起始點位置，可知缺陷在焊縫中的位置，進而實現缺陷定位。X的差值即為此缺陷地長度。

6.2.3缺陷在垂直焊縫方向上的橫向距離(y)和寬度測量

使用一對探頭進行非平行掃查無法測量橫向位置參數(y)，因為在非平行掃查中，以兩個探頭為焦點的橢圓軌跡上，有無數個點的聲束路徑長度相等或聲波傳輸時間相等。如果要確定缺陷信號的橫向位置(y)，就必須在缺陷的上方進行平行掃查。

進行平行掃查時應首先確定掃查的起始點，以掃查前兩探頭中間的對稱點為位置零點，使用編碼器記錄下探頭移動過程中每一個A掃信號相對起始點的位置。在平行掃查的記錄上用光標測量信號的聲程最小位置。該數值就是缺陷位于探頭中間的對稱位置的信號，即橫向距離y的值。測出缺陷兩端的y值，其差值即為缺陷的寬度值。

大多數情況下，為了迅速的完成檢測，或者為了減少成本，只進行非平行掃查。

7技術優勢

就檢測過程而言，TOFD檢測操作簡單，掃查速度快，檢測效率高；而射線檢測過程繁瑣，耗時長，效率低。

7.1與射線檢測法相比

隨著焊縫厚度的增加，TOFD檢測的優勢更加突出。

1)超聲穿透能力強，而射線穿透能力十分有限。X射線機的穿透厚度小于100 mm，目前穿透能力最強的γ源Co60對鋼的穿透厚度極限為200 mm。對于200 mm以上的大厚度工件射線照相，必須使用高能射線照相。高能射線照相的底片灰霧度大，易漏檢。超聲波的穿透能力強，在鋼中可以傳播數m的距離。TOFD檢測中，一臺儀器可以完成12～400 mm厚工件的檢測，而且不同厚度工件檢測時能保持一樣的速度。射線檢測時，隨著厚度增加，必須更改適當的射線源，厚度越大，所需要滿足的現場條件越多。

2)隨著檢測厚度增加，TOFD檢測效率依然很高，而射線檢測效率更低。

當檢測厚度增大時，TOFD法可以增加檢測通道數，掃查速度不受影響，一次完成掃查。而射線檢測，其曝光時間會增加，檢測效率底。而且TOFD檢測可以交叉作業，射線檢測不能。

3)隨著檢測厚度增加，TOFD檢測依然低成本，而射線檢測成本更高。

TOFD檢測只需要一些耦合劑，沒有其他費用，成本低廉。射線檢測則涉及到射線源費用、膠片費用、建造暗室費用、暗室設備器材費用、輔助設備器材費用等。隨著工件厚度增加，TOFD檢測費用不受影響，而射線檢測將對檢測設備、防護要求更高，以致成本顯著增加。

4)隨著檢測厚度增加，TOFD檢出率基本不受影響，而射線由于能量的損耗，檢出率會受影響。射線檢測的檢出率較TOFD法稍低。

5)隨著檢測厚度增加，TOFD檢測法依然對人體無傷害，而射線檢測，由于射線源能量更高，對人體傷害更大，更得注重安全防護。

綜上，在大壁厚檢測中，TOFD法相比射線照相法存在很大優勢。

7.2與傳統超聲(脈沖反射法)檢測相比

在大壁厚檢測中，TOFD法依舊占優勢。兩者都是利用超聲波進行檢測，不存在穿透能力方面的差異。TOFD法作為超聲檢測中的新技術，采用新的檢測原理，克服了傳統超聲檢測的固有缺點。相比傳統超聲檢測技術，TOFD法缺陷的檢出和定量不受聲束角度、缺陷方向、缺陷表面粗糙度、工件表面狀態及探頭壓力等因素的影響。所以具有更高的檢出率、定量定位精度[6]。

綜上所述，在大壁厚焊縫檢測中，TOFD法具有很大優勢。

8結論

1)通過對TOFD檢測技術的定性分析，得知TOFD法相比其他檢測方法定位精度高。

2)可以用TOFD法對缺陷初步定性。對含有常見焊接缺陷的試板進行TOFD、RT檢測，利用TOFD法對缺陷初步定性，利用RT驗證缺陷性質，分析缺陷的圖譜特征并與ASME標準中提供的各種缺陷的TOFD典型圖譜相比較，可知同一種缺陷的TOFD圖譜具有某些共性，可以利用TOFD法對缺陷初步定性。

3)在大壁厚設備檢測中，TOFD檢測法優勢顯著。對厚度為60 mm的焊縫進行TOFD、射線檢測，并分析、比較檢測結果。結合理論，可知在大壁厚檢測中，TOFD法獨具優勢。大壁厚設備選用TOFD法進行檢測將成為未來發展的趨勢。

參考文獻

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Application of Ultrasonic Diffraction Time

Difference Method in Welding Inspection

MENG Min-gang

(The Sea Pipe Technical Service Center of CNOOC Energy Development

Equipment Technology Co. Ltd., Tianjin 300452, China)

Key words: TOFD; quantitative; location; image features