TOFD檢測中變形波信號和非相關信號的識別

陳業漢,范 良,孫小兵,張曉斌

(廣西特種設備監督檢驗院,南寧 530219)

TOFD技術是一種基于超聲波信號傳輸時差實現缺陷檢測的無損檢測技術。由于其具有比常規脈沖回波超聲檢測技術更大的優越性,近年來隨著計算機技術的發展和無損檢測市場的需求迅速發展。新的《壓力容器安全技術監察規程》已經把TOFD技術列入正式條文,成為與常規UT和 RT并重的無損檢測方法之一。可以預料,在未來的幾年中,TOFD技術將會大規模應用于特種設備的檢驗檢測中。由于這是一門嶄新的檢測技術,目前一些專業教材對 TOFD技術的介紹基本上以基礎理論為主,具有實際指導意義的文獻還很缺乏。TOFD技術的應用難點之一是圖像的識別判讀比較困難,需要有較深的理論基礎和豐富的實踐經驗,如果檢測參數的選擇不當和對圖譜的分析一知半解,非常容易造成誤判。筆者主要針對TOFD檢測圖像判讀中影響評定結果的一些非相關信號顯示和變形波信號顯示進行詳細的分析解讀,以希對初學者有所幫助。

1 TOFD檢測技術超聲波形分析

由于TOFD檢測是以超聲波信號傳輸時差來確定缺陷深度的,而超聲波的傳輸時間和其傳播的距離與聲速密切相關,因此聲速必須有唯一性才能正確計算缺陷深度。在鋼中,縱波聲速為5.93 mm/μs,橫波聲速為3.23 mm/μs,由于縱波的傳播速度幾乎是橫波的兩倍,通常情況下橫波信號總是遠遠落后于縱波信號,直通縱波和底面縱波之間的時間窗口只有縱波信號,聲速具有唯一性,可以正確計算深度,此窗口稱為縱波檢測窗口。由于探頭發出的縱波在鋼中會發生折射、反射和衍射,在折射、反射和衍射過程中會產生縱波變橫波或橫波變縱波的波型轉換,在某些特殊情況下,轉換出來的變形波信號有可能比底面縱波信號先到達接收探頭。這樣,在縱波檢測窗口內可能同時具有縱波和變形波信號,聲速不再具有唯一性,這對缺陷的識別和深度計算就會造成困難。

如圖1和2所示,為簡便起見,用C代表縱波,用S代表橫波。探頭A發射的縱波進入工件,一部分轉換為折射縱波C,另一部分轉換為折射變形橫波S。折射縱波可產生直通縱波CC,折射變形橫波可產生直通橫波SS;折射縱波在缺陷F處可產生反射縱波CCF和反射變形波CSF;折射變形橫波在缺陷F處可產生反射變形波SCF和反射變形波SSF;折射縱波在底面可產生底面縱波CCD和底面變形波CSD;折射變形橫波在底面可產生底面變形波SCD和底面橫波SSD。通常的TOFD檢測,主要觀察的是縱波檢測窗口即CC和CCD之間的信號,以確定是否有缺陷并測定缺陷大小。在該窗口內變形波一般不會造成干擾。但是如果缺陷偏離兩探頭連線中點較遠或缺陷深度較淺時,如果探頭中心距P取較小值,各種波的位置就有可能發生變化,在縱波檢測窗口內出現變形波信號,導致圖像判讀困難。

2 各種超聲波信號的傳輸時間

2.1 傳輸時間的計算

各種超聲波信號中,CSD,SCD,SSF和SSD在時間軸上比較靠后,實際檢測中不會造成干擾,計算時可不必考慮。有可能影響檢測的各信號傳輸時間計算如下：

以下將討論哪些信號在什么情況下會出現在縱波檢測窗口內。由于h＜T,tCCF＜tCCD,因此CCF總是出現在縱波檢測窗口內,這對實現檢測目的是有利的。檢測過程中不希望除CCF以外的其它信號在縱波檢測窗口內出現,但是如果滿足tSS＜tCCD,tCSF＜tCCD或tSCF＜tCCD等條件,那就不可避免。

2.2 tSS＜tCCD

由2.1節可知：若tSS＜tCCD,則P/3.23＜2×[T2+(P/2)2]1/2/5.93,化簡為：

式(1)的意義是：當探頭中心距P＜1.3T時,直通橫波信號SS出現在縱波檢測窗口內。對一般規范推薦的最佳檢測設置,P取值是使波束中心聚焦在厚度的三分之二處,即P=2×(2T/3)tanβ=(4/3)Ttanβ,由于縱波折射角β取值通常≥45°,由此可計算得P≥1.33T,因此通常不會發生SS出現在縱波檢測窗口內。如果是某些特殊原因,例如為提高近表面缺陷的分辨率而取較小的探頭中心距P,則有可能發生SS落在縱波檢測窗口內的情況;另外,在厚板分區檢測中,由于相鄰分區厚度方向要有25%以上的覆蓋,即使探頭中心距P采用推薦的計算值,在檢測窗口內仍有可能出現直通橫波信號SS。當然SS是否出現還與探頭的入射角度和波束的擴散角范圍有關,由于橫波聲速較小,其折射角比縱波小,直通橫波信號SS要比直通縱波信號CC弱得多,甚至不能識別,分析時要注意考慮到這種情況。

2.3 tCSF或 tCSF＜tCCD

由2.1節可知：若tCSF＜tCCD,則(h2+L12)1/2/5.93+(h2+L22)1/2/3.23＜2×[T2+(P/2)2]1/2/5.93,即：

若tSCF＜tCCD,同樣可得：

由于L2=P-L1,式(2)和(3)實際上有T,h和L1三個可變參數,它們之中的任何兩個參數取值確定,就可以求出另外一個參數的值。該兩式的意義是：如果缺陷的深度和探頭中心距已知,則可求出探頭水平偏置多少時,變形波信號CSF或SCF會出現在縱波檢測窗口內;如果缺陷的水平位置和探頭中心距已知,則可求出缺陷多深時,CSF或SCF會出現在縱波檢測窗口內。這是一個相當復雜的數學關系式,當缺陷水平位置位于探頭連線中心點時,即L1=L2=P/2,兩式均可化簡為：

如果T和P取值確定,通過式(4)可以判斷缺陷深度為多少時變形波信號CSF或SCF會出現縱波檢測窗口內。或者,若缺陷深度已知,檢測厚度越大,探頭中心距越小,縱波檢測窗口內底越容易出現變形波信號。

3 實際計算

以折射角為60°的探頭檢測壁厚T=50 mm的試塊(圖3)為例,通過實際計算來說明上述問題。分三種情況討論：①探頭中心距取常規推薦值,缺陷位于兩探頭的中間位置進行掃查。②探頭中心距取常規推薦值,探頭偏置掃查(即讓缺陷偏離兩探頭連線中點一定距離)。③探頭中心距取比常規推薦值小,缺陷位于兩探頭連線的中間位置進行掃查。分別計算深4 mm和深12.5 mm兩個縱孔各種信號波的傳輸時間;對于深37.5 mm的縱孔,由于其深度較大,其變形波信號不會造成干擾,不必計算。

3.1 P取波束中心聚焦在厚度的處時

3.1.1 缺陷F水平位置處于探頭連線的中點時

對于深4 mm縱孔：

對于深12.5 mm縱孔：

由以上計算可見,深度分別為4和12.5 mm的兩個孔的各種信號只有 CCF(分別為 19.44和19.84μs)的傳輸時間小于CCD(25.70μs)的傳輸時間,它們的變形波CSF(或SCF)的傳輸時間均大于CCD的傳輸時間,即在縱波檢測窗口內只有縱波信號,無變形波信號,TOFD圖譜見圖4。

圖4 缺陷中置掃查TOFD圖譜(P=115 mm)

3.1.2 偏置掃查時,取L1=13.5 mm,探頭中心距仍取P=115 mm

對于深4 mm縱孔：

對于深12.5 mm縱孔：

由以上計算可見,除CCF外,深度分別為4和12.5 mm的兩個孔的變形波SCF的傳輸時間(分別為21.48和 22.94μs)也小于CCD的傳輸時間(25.70μs),其余信號的傳輸時間均大于在CCD的傳輸時間,此時在縱波檢測窗口內不僅有縱波信號,還有兩個孔的變形波信號。TOFD圖譜見圖5。

圖5 缺陷偏置掃查TOFD圖譜(P=115 mm)

3.2 當探頭中心距P=58 mm時(假定缺陷水平位于探頭連線中點)

對于深4 mm縱孔：

對于深12.5 mm縱孔：

由以上計算發現,除CCF外,深度分別為4和12.5 mm的兩個孔的變形波CSF(或SCF)的傳輸時間(分別為14.00和15.10μs)均小于CCD的傳輸時間(19.49μs),此時在縱波檢測窗口內除縱波信號外還出現兩個孔的變形波信號。此外,直通橫波SS的傳輸時間(17.96μs)也小于CCD的傳輸時間(19.49μs),即SS落在縱波檢測窗口內,但是由于聲束覆蓋范圍較小的原因,這個信號很微弱,只有在靈敏度足夠大的情況下才會看到,TOFD圖譜見圖6。

4 TOFD圖譜變形波檢測實例分析

以下是幾個TOFD檢測實例的圖譜,圖中所示的變形波信號時間位置可參照前面的公式計算確定,此不贅述。

圖6 缺陷中置掃查TOFD圖譜(P=58 mm)

(1)某石化公司儲罐(厚48 mm)定期檢驗發現的缺陷,同一位置采用不同的探頭中心距掃查的結果比較：

當P=128 mm時,變形波不出現,如圖 7(a)所示。

當P=58 mm時,出現變形波,圖中看似有兩條近平行的缺陷,實質是同一條缺陷的兩個影像,如圖7(b)所示。

(2)中海油海上平臺某儲罐 T字焊縫(厚46 mm)檢測,掃查示意圖如圖8。由于在T字縫位置聲束掃過的焊縫截面比其他位置大很多,出現缺陷的幾率也就大很多,而且在縱縫處的缺陷,其變形波傳輸時間很容易滿足前面3.3提到的條件,從而在縱波檢測窗口出現變形波信號,導致成像復雜,判讀困難,很容易把缺陷判嚴重。

圖8 T字焊縫掃查示意圖

圖9為探頭穿越處的縱縫下剛好有幾個小缺陷,這幾個缺陷基本在一個深度層,圖像中形成縱波和變形波兩組信號,這相當于3.1.2節中提到的缺陷偏離探頭連線中點較遠的情況。粗看似兩組緊靠的缺陷,這兩組信號實質是一組缺陷的兩個影像,他們的影像特征很像,結合簡單的計算就可以初步判斷。

圖9 中海油海上平臺某儲罐T字焊縫1TOFD檢測圖像

圖10是同一儲罐的另一 T字焊縫,粗看缺陷信號幾乎貫穿焊縫厚度,似乎很嚴重。實際情況是探頭穿越的那段縱縫下不同深度有幾缺陷。不同深度缺陷的縱波信號和變形波信號混雜在一起,造成復雜的影像信號。遇到這種情況須慎重,除要了解清楚掃查區段的焊縫結構特征外,還應盡可能結合其他無損檢測方法綜合判定。

圖10 中海油海上平臺某儲罐T字焊縫2TOFD檢測圖像

5 非相關顯示的識別

5.1 表面狀況不良引起的非相關顯示

檢測表面狀況對TOFD成像有重要影響,如果表面凹凸不平嚴重,甚至導致圖像無法判讀,檢測前必須對檢測面進行處理,其粗糙度應≤6.3μm。下面是兩個表面狀況不良檢測的典型例子

圖11為探頭覆蓋的地方有凹坑,凹坑里充滿機油,超聲波經過較厚的機油層(約1 mm)再進入工件,由于機油的聲速大約只有鋼的四分之一,聲波傳播被延遲,導致直通波和底波下沉。

圖12為探頭被焊縫邊沿抬起,探頭被抬起的地方,直通波有的地方下沉,有的地方不一定下沉,主要是探頭發射的一部分波直接接觸工件,一部分通過較厚的油層再傳到工件,且不同位置探頭被抬起的程度不同,導致了直通波下面出現波浪狀的影像信號。

5.2 電磁干擾導致的非相關顯示

電磁干擾導致編碼器跑偏,這是由于編碼器受到干擾,掃查距離、缺陷測長和水平定位都受影響,見圖 13。

圖13 TOFD檢測電磁干擾類型例子

6 總結

TOFD檢測采用縱波而不用橫波,主要目的是由于縱波速度大大快于橫波,使深度計算有唯一的結果,避免回波信號難以識別的困難。如果探頭中心距按聲束聚焦在工件厚度的2/3處進行計算取值時,變形波通常不會造成干擾;但是,對于深度較小并且較靠近探頭一側的缺陷,其變形波信號有可能出現在底波之前,造成圖像判讀困難。如果采用較小的探頭中心距進行掃查,對于深度較小的缺陷,即使其居于探頭連線的中間位置,其變形波也可能出現在底波之前,也會導致圖像判讀困難。總的來說,缺陷深度越淺,缺陷偏離兩探頭連線中間越遠,缺陷變形波越容易對缺陷的識別和評定造成干擾。在檢測一些特殊結構的焊縫(如 T字縫)或采取非常規參數檢測普通焊縫時,縱波檢測窗口出現變形波的可能性很大,非常容易造成誤判。因此,對 TOFD圖譜上的一些可疑信號,必須結合焊縫結構和檢測設置進行計算分析,盡可能排除變形波的影響,避免誤讀誤判。對掃查時探頭通過的表面,應盡可能進行修磨平整,如果圖譜中直通波、底波出現下凹或直通波、底波發生其它變形,不能輕易作缺陷判斷,此時應檢查探頭掃過的焊縫表面,觀察掃查時探頭與表面的接觸狀況,或改變探頭中心距進行補充掃查,看是否有同樣的情況出現,并且盡可能結合其它無損檢測方法綜合判斷。現場的電磁干擾和震動,有時會出現虛假信號,編碼器也會受影響,在比較嘈雜的場所檢測,應注意排除干擾,避免定位誤差。