TOFD技術在火箭推進劑儲罐全面檢驗中的應用

馬學榮, 陳曉輝, 路　君

(中國空氣動力研究與發展中心， 綿陽 621000)

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TOFD技術在火箭推進劑儲罐全面檢驗中的應用

馬學榮, 陳曉輝, 路君

(中國空氣動力研究與發展中心， 綿陽 621000)

隨著脈沖時差衍射法(TOFD)技術的發展，采用TOFD對缺陷進行定位、定量的技術，越來越受到重視，應用范圍不斷擴展。在用承壓設備的全面檢驗，由于受工況和環境等因素的影響，開罐宏觀檢查的方法往往難于實現。采用TOFD技術，選用TOFDW方法及適當的信號處理方法，可實現對奧氏體不銹鋼制薄壁火箭推進劑儲罐內壁及其近表面缺陷的檢測，為在用承壓設備的全面檢驗提供了一個新思路。

薄壁；儲罐；全面檢驗；脈沖時差衍射法

傳統的超聲檢測主要是基于入射聲波在缺陷周圍形成的反射、折射以及透射行為產生的聲波信號規律進行缺陷評估，這種檢測方法對于與垂直于入射面的缺陷 (例如焊縫中的裂紋)難以檢出和定量評估。在20世紀70年代，英國AEA無損檢測中心的SILK M G首先提出了一種利用缺陷產生的衍射波對缺陷進行定量的檢測方法[1]， 被稱作脈沖時差衍射法(Time-of-Flight Diffraction，TOFD)。該方法通過裂紋端點產生的衍射波的時間而不受缺陷取向的限制，可更為準確地計算出裂紋的高度、深度等信息。在隨后的幾十年里，TOFD 被廣泛應用于核電、化工、石油、鐵路、電力、橋梁和壓力容器等工程檢測中，并逐漸形成了系列標準規范[2]。但目前世界上TOFD檢測主要用于檢測厚度為12～400 mm的工件，且厚度越大時檢測精度越高。對于壁厚12 mm以下的容器的檢測還存在一些問題,如：到達接收探頭的變形波信號，隨試件板厚減小而增多；試件厚度減小時，側向波與底波的間距減小,導致信號重疊等問題的出現。這些問題制約了TOFD技術在薄壁容器檢測中的應用。在用承壓設備的全面檢驗，由于受工況和環境等因素影響，開罐宏觀檢查的方法往往難于實現。筆者通過對比試驗，對奧氏體不銹鋼制薄壁火箭推進劑儲罐內壁及其近表面缺陷，采用TOFD技術進行了檢測試驗并取得了一定的效果，為在用承壓設備的全面檢驗提供了一個新思路。

1　TOFD檢測原理

TOFD 檢測時,使用一對(目前稱為一個通道)或多對寬聲束縱波探頭，每對探頭相對焊縫對稱分布 ,聲束覆蓋檢測區域，遇到缺陷時產生反射波和衍射波。TOFD檢測示意如圖1(a)所示,可見,檢測時主要超聲波束為:在檢測面上由發射探頭直接傳播到接收探頭的縱波(直通波或側向波)，焊縫中埋藏缺陷上下端點的衍射波，底面反射回波。圖1(b)為 TOFD 檢測時帶相位指示的A型掃描顯示，接收探頭接收到的是射頻波(RF波，即非檢波A掃描信號) 。探頭掃查的方向垂直于超聲波束稱為非平行掃查，探頭掃查的方向平行于超聲波束稱為平行掃查，由A掃描檢測數據疊加而成的斷面視圖為B掃描顯示(英國標準稱非平行掃查為D掃描)，圖2為典型埋藏缺陷的 TOFD 非平行掃查檢測圖像。

圖1　TOFD檢測示意與波形圖

圖2　典型埋藏缺陷的TOFD非平行掃查檢測圖像

2　薄板TOFD 法檢測的問題與對策

2.1存在的問題

薄板TOFD檢測會碰到以下一些困難：① 到達接收探頭的變形波信號，隨試件板厚減小而增多。② 試件厚度減小時，側向波與底波的間距也減小。因裂紋端部回波(由縱波引起)總是位于側向波與底波之間, 故薄板檢測時的瞬時分辨力起著決定性作用。信號重疊會使傳播時間難以計算。③ 試件厚度減小時,臨界缺陷尺寸會相應減小,導致缺陷兩端部衍射回波之間的間距也減小，而容易使端部衍射信號重疊，以致無法計算信號傳播時間。

2.2解決的對策

為解決上述問題，可采用下列措施：① 選用最佳檢測參數( 如探頭間距，探頭角度，頻率等)。② 用變通的信號處理法——隱藏信號識別法測量重疊信號的傳播時間。

2.2.1TOFDW方法

TOFD在薄板焊縫檢測中經常遇到表面盲區的問題。表面盲區是由直通波和底波的脈沖寬度造成的， 在實際檢測過程中，如果試件厚度較薄(厚度小于10 mm)或者缺陷位于盲區范圍內(大約近表面5 mm范圍內)，缺陷波就容易與直通波或底波發生混疊，從而無法直觀地對缺陷進行定量定位，這是TOFD在薄板焊縫應用時必須考慮的問題。上表面盲區可近似表示為:

(1)

式中: tL為直通波持續時間; tP為直通波脈沖長度;vL為超聲波速；S為1/2的探頭中心距。

改善上表面盲區帶來的影響， 通常有以下幾種方法：① 減小探頭中心距， 提高時間分辨率。② 增大探頭的角度 , 增大聲束的覆蓋范圍。③ 提高探頭的中心頻率， 減小單個脈沖寬度， 以減小脈沖長度tP。

然而，余高的影響使得探頭中心距不能小于焊縫寬度，同時，側向波的幅度變強，回波寬度增加，反而會影響系統的分辨力。增大探頭角度易產生表面波，探頭頻率增大會帶來聲壓衰減，同時聲束覆蓋范圍也會減小。故需要綜合考慮各檢測參數的影響。

一般情況,下表面盲區要比上表面盲區小。

與傳統TOFD聲束直接入射在缺陷產生衍射波不同，TOFDW方法是基于聲波在試件底面產生的反射波來對缺陷進行檢測,檢測示意如圖3(a)所示;由于其傳播路徑類似于‘W’型反射，故把這種檢測方法記作 TOFDW[3-4]。

這樣，直通波和底波相對于近表面缺陷產生的衍射波之間的時間軸上的距離將增大，從而避免了波形混疊的干擾現象。同時，近表面區域也可以得到聲場的覆蓋，擺脫了探頭聲束寬度的限制。如圖 3(b)所示，在試件中有5條縱波傳播的路徑:路徑1是直通波;路徑2是縱波直接入射在缺陷上產生的衍射波，當缺陷為近表面缺陷時，路徑2將會與路徑1的波形發生重疊;路徑3是發生一次反射的底面回波; 路徑5是聲束與試件上下面發生‘W’型反射的回波;路徑4是缺陷回波，其首先與底面發生一次反射，再經過缺陷產生衍射波，最后通過一次底面反射后達到接收探頭。各波出現的位置如圖 3(b)所示。

圖3　TOFDW檢測原理

圖4　TOFDW法中缺陷位置計算示意

如圖 4 所示， 缺陷的投影距離d′可表示為：

(2)

實際深度d為：

(3)

式中:tD為缺陷波與直通波之間的時間差；T為試件厚度;vL為超聲波速；S為1/2的探頭中心距。

TOFDW方法主要應用于近表面缺陷的檢測。在鋁板上加工出長15 mm,寬0.2 mm,距上表面1 mm的電子束焊缺陷面，采用TOFDW法對其進行檢測,其缺陷埋深測量結果誤差在0.3 mm以內。同時，使用TOFDW方法對焊縫實際缺陷進行了檢測，試驗證明對于實際深度為2 mm的缺陷，測量誤差在0.5 mm以內。以上所提到的聲波傳播均只表示縱波的單一聲程路徑，實際上，由于入射縱波和橫波的波型轉換，工件內的波型成分復雜。試件內發生的波型轉換如圖5所示。圖中LL表示入射縱波反射橫波;LLLL表示入射縱波三次反射縱波;LLLS表示入射縱波兩次反射縱波一次反射橫波;LSSL表示入射縱波兩次反射橫波一次反射縱波;LS表示入射縱波反射橫波。為了防止變形橫波成分的干擾，探頭間距至少是試件厚度的4倍， 這樣三次反射縱波 (即圖5中LLLL波)才會出現在變形橫波(LS)之前。由于TOFDW聲程要比傳統TOFD長，故常使用較高的系統增益值，從而使得高頻噪聲明顯增加;加上近表面缺陷的聲波聲強較聲束中心線上的強度弱，又使得缺陷波幅值降低;盡管TOFD并不是以聲波幅值作為缺陷大小的判斷依據，但仍要求聲波幅值比噪聲大以便于辨別波形位置，通過小波變換降噪后的信號強度增大1倍。

圖5　試件內可能發生的波型轉換示意

2.2.2希爾伯特-黃信號處理

Chen等人引入基于希爾伯特-黃變換(HHT)的信號處理方法來對薄板電子束焊垂直表面裂紋進行定量定位。具體的方法是：首先，通過本征模態分解 (EMD)把信號分解成有限個頻率從高到低的固有模態分量和一個殘余分量；然后，排除噪聲信號，選取能量較高的信號進行重構，重構信號滿足信噪比要求 (不小于 6 dB)；最后，利用希爾伯特變換獲取重構信號的包絡，包絡波峰反映出聲波信號到達探頭的時間。EMD對于模態的篩選條件及過程可參考文獻[5]。筆者將此處理方法應用于火箭推進劑儲罐內壁及其近表面的檢測中，取得了較好的效果。

3　結語

對于試件厚度小于12 mm的薄板焊縫進行TOFD檢測時， 由于直通波與底波之間傳播時間差變小， 容易出現缺陷波與直通波或底波發生波形混疊的現象，給缺陷的定量和定位帶來困難。對不銹鋼制薄壁火箭推進劑儲罐內壁及其近表面的超聲TOFD檢測中存在近表面檢測盲區的問題，可采用以下措施來解決:① 優化檢測系統。② 改變聲波入射路徑，盡量擺脫直通波和底波盲區的限制(如TOFDW法)。③ 信號處理，達到識別波形混疊中的缺陷波位置 (如ESIT、希爾伯特-黃變換)。

④ 必要時輔以常規表面檢測、A超等手段的方法。

[1]SILK M G. Defect sizing using ultrasonic diffraction[J].British Journal of NDT, 1979, 21 (1):12-15.

[2]鄭暉，胡斌，林樹青,等.國外TOFD檢測標準分析和比較[J].無損檢測， 2007,29(3):150-154.

[3]CHI D Z, GANG T. Shallow buried defect testing method based on ultrasonic TOFD[J].Nondestruct Eval, 2013,32：164-171.

[4]遲大釗，剛鐵，姚英學,等.一種基于超聲 TOFD 法的近表面缺陷檢測模式[J].焊接學報， 2011,32(2)： 25-28.

[5]WANG T, ZHANG M C， YU Q H， et al. Comparing the applications of EMD and EEMD on time-frequency analysis of seismic signal[J]. Journal of Applied Geophysics， 2012(83)： 29-34.

The Application of TOFD Technology in the Comprehensive Inspection of Rocket Propellant Tanks

MA Xue-rong, CHEN Xiao-hui, LU Jun

(China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang 621000, China)

With the development and improvement of TOFD technology, the defect location and quantitative evaluation by TOFD technology has received more and more attention, thus expanding the scope of its application. In a comprehensive inspection of pressure equipment, it is often difficult to perform macro inspection by opening the tank because of the conditions and environment factors. In this paper, attempts were made to use the TOFD technology to inspect the austenitic stainless steel thin-walled propellant tank wall and it′s near surface defects through the contrast experiment, and the comprehensive inspection of pressure equipment might provide a new approach for the overall inspection of the tank.

Thin wall; Tanks; Comprehensive inspection; TOFD

2015-05-28

馬學榮(1964-)，男，高級工程師,碩士，主要從事檢驗檢測工作。

10.11973/wsjc201510003

TG115.28

A

1000-6656(2015)10-0010-03