TOFD缺陷圖譜分析

岳庚新，岳更暉，趙 遠

（1.天津誠信達金屬檢測技術(shù)有限公司，天津 300384；2.甘肅政法學院，蘭州730000）

TOFD缺陷圖譜分析

岳庚新1，岳更暉2，趙 遠1

（1.天津誠信達金屬檢測技術(shù)有限公司，天津 300384；2.甘肅政法學院，蘭州730000）

為了能準確檢測鍋爐、壓力容器和壓力管道焊縫的缺陷，并對缺陷進行定位、定量和定型評價，采用了超聲波衍射時差法TOFD（time of flight diffraction），該方法是一種基于衍射回波信號進行缺陷判別的非常有效的超聲無損檢測方法，具有檢測速度快、精度高、缺陷檢出率高、定位準確、可獲得缺陷尺寸、經(jīng)濟方便等優(yōu)勢。TOFD法首先通過觀察缺陷衍射波的相位和直通波的相位關(guān)系，確定缺陷是哪類缺陷（上表面開口型、下表面開口型、埋藏型）。不同類型的缺陷圖譜具有不同的測量方式，然后通過坐標的移動來確定缺陷的深度、寬度和長度。

超聲波衍射時差法；衍射回波；缺陷圖譜

Abstract:In order to accurately detect,locate,quantify and finalize the design evaluation weld defects of boiler,pressure vessel and pressure pipe,it adopted the method of TOFD（time of flight diffraction）.This method is a kind of effective ultrasonic nondestructive method based on diffraction echo signal to discriminate defect,it possesses some advantages,such as fast detection speed,high precision,high defect detection rate,accurate positioning,defect size can be obtained,economical and convenient and so on.Using TOFD method,by observing the phase relationship of defect diffraction wave phase and direct wave firstly,it determined the defect kind（open rack on upper surface,open rack on lower surface,buried type）,different types of defect map possessed different measurement ways,then by moving coordinates to determine the defect depth,width and length.

Key words:time of flight diffraction(TOFD);diffraction signals;defect map

超聲衍射時差技術(shù)TOFD（time of flight diffraction）是20世紀70年代末由英國Harwell實驗室的Silk和Lidington提出來的。隨后在英國的核工業(yè)領域中，為了減少缺陷高度測量的失誤，精確地進行斷裂力學分析，TOFD技術(shù)得到了大力發(fā)展，為設備的可用性評估提供了精確的實驗數(shù)據(jù)。之后隨著對該技術(shù)的深入理解，憑借其檢測的快速性和尺寸測量的可靠性，TOFD技術(shù)在天然氣和石油化工等工業(yè)領域得到了廣泛的應用?，F(xiàn)今TOFD技術(shù)也逐漸廣泛的應用于鍋爐、壓力容器和壓力管道焊縫等缺陷檢測和定位、定量、定型評價。在核電、建筑、石化等工業(yè)后壁容器和管道方面諸多應用，可以用TOFD技術(shù)來完成其他方法無法完成的檢測，并實現(xiàn)了在工件焊接和使用過程中的實時檢測，來監(jiān)視缺陷的生長情況。

1 TOFD技術(shù)檢測原理及優(yōu)勢

TOFD檢測方法通常采用一發(fā)一收的一對縱波斜探頭，依靠發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波與缺陷端部的相互作用，使缺陷端部在較大角度范圍內(nèi)產(chǎn)生衍射波，接收探頭能夠接收衍射波，從而確定缺陷的存在，其原理如圖1所示。當缺陷位于兩探頭中心，已知聲速C及缺陷下端點衍射信號傳播時間t，則可根據(jù)下式求出缺陷下端點位置d下。

圖1 TOFD檢測基本原理示意圖

以直通波信號為基準，缺陷上端點的深度d上可由直通波與衍射脈沖的傳播時差tD算出，見公式（2），求出缺陷在上下端點的位置，則可求出缺陷的深度h=d上-d下。

由圖1可見，直通波和底波分別對應于發(fā)射探頭與接收探頭之間的最短聲程及最長聲程，在不考慮波形轉(zhuǎn)換的情況下，材料中產(chǎn)生的任何缺陷均在直通波與底波之間到達。TOFD檢測方法形成的灰色圖譜不同于以往的超聲波脈沖反射檢測形成的A掃顯示也不同于射線檢測中的底片。TOFD數(shù)據(jù)的二維顯示，是將掃查過程中采集的A掃信號連續(xù)拼接而成，一個軸代表探頭移動距離，另一個軸代表深度，一般用灰色表示A掃描信號的幅度值，其中即包含了衍射波的傳播時間，又包含了整個掃查的長度，以此對缺陷有了更精確的定位和定量依據(jù)。

與普通常規(guī)超聲檢測方法相比TOFD檢測技術(shù)具有較多的優(yōu)勢。TOFD檢測效率高，只需要做線性掃查就能完成焊縫的檢測，并且可以同時安裝不同角度的探頭，對于較厚的焊縫也可實現(xiàn)一次完成檢測，遠遠超過傳統(tǒng)的超聲檢測；TOFD檢測技術(shù)應用聲波的衍生信號，通過計算衍射時差法確定缺陷的高度，具有高靈敏度、高精度，同時缺陷的圖譜記錄完整，可后續(xù)的應用相應的分析軟件進行處理，重復性好，因此也就避免缺陷的漏檢和誤判。TOFD檢測技術(shù)不會因焊縫的結(jié)果和缺陷的方向而影響檢測結(jié)果，其檢測結(jié)果具有較高的穩(wěn)定性，幾乎不受其他因素影響，TOFD檢測技術(shù)更靈活，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇自動檢測或手動檢測。但是TOFD檢測技術(shù)也存在著一定的局限性，過高的靈敏度導致夸大焊縫中的良性缺陷，在工件表面1～3 mm的盲區(qū)，對檢測人員的素質(zhì)和能力要求很高，尤其是對圖譜分析最為關(guān)鍵，需要進行專業(yè)的培訓。

2 TOFD誤差標定及圖譜分析

2.1 TOFD誤差標定

為了驗證TOFD檢測的準確性和可靠性，利用TOFD設備對厚度為16 mm的標準試塊進行9次試驗，并與真實厚度標定結(jié)果進行對比，見圖2。

圖2 TOFD圖譜標定圖

TOFD分析軟件標定值與真實厚度的標準差值為 0.16 mm，分析軟件測量厚度平均值為16.13 mm，總體數(shù)值要大于真實值，這主要是人為主觀因素的影響，及考慮檢測過程中試塊平整程度、耦合劑的厚度變化、探頭楔塊的磨損程度等因素對檢測數(shù)據(jù)的影響。此次采用的TOFD檢測分析誤差在合理的范圍之內(nèi)。

2.2 TOFD圖譜分析

在對于TOFD圖譜進行缺陷分析和測量時，首先要對圖譜上的所有信號進行臻別，觀察缺陷信號的相位、出現(xiàn)的位置和固有信號的變化等，從而判別缺陷的類型，根據(jù)不同類型的缺陷采用不同的測量方法和數(shù)據(jù)處理手段。

2.2.1 上表面開口型缺陷

如圖3所示，上表面開口型缺陷只有下端點信號，缺陷信號相位和直通波信號的相位一致，且直通波信號減弱、消失或變形。

圖3 上表面開口型缺陷

通過測量缺陷高度7.5 mm，長度19.4 mm。在測量高度時首先調(diào)校零點，通過直通波第一個波峰，將紅色坐標水平移動到缺陷上方，然后垂直移動紅色坐標到缺陷的第一個波峰位置，即高度7.5 mm。測量長度時將紅坐標與缺陷的左側(cè)擬合，將藍色坐標與缺陷的右側(cè)擬合，即長度為19.4mm。由于是上開口型缺陷，因此深度為0mm。

2.2.2 下表面開口型缺陷

如圖4所示，下表面開口型缺陷只有上端點，缺陷信號相位和直通波信號的相位相反，底面反射波減弱、延遲或變形。

圖4 下表面開口型缺陷

通過測量缺陷高度 4.9 mm，長度19 mm，深度12.8 mm。在測量高度時首先調(diào)校零點，通過直通波第一個波峰，將紅色坐標水平移動到缺陷上方，然后垂直移動紅色坐標到缺陷的第一個波谷位置，即高度7.4 mm。測量長度時將紅坐標與缺陷的左側(cè)擬合，將藍色坐標與缺陷的右側(cè)擬合，即長度為19 mm。深度測量時先調(diào)零，然后將紅色左邊垂直移動到底面反射波第一個波谷的位置，即深度為12.8 mm。

2.2.3 埋藏型缺陷

如圖5所示，點狀埋藏缺陷雙曲線弧狀，且與擬合弧形光標重合，無可測量長度和高度。

圖5 點狀埋藏型缺陷

如圖6所示，條狀埋藏缺陷顯示為長條狀，可見上下兩個端點產(chǎn)生的衍射信號，且靠近底面處端點產(chǎn)生的衍射信號相位與直通波相位相同，靠近掃查面處端點長生的衍射信號相位與直通波相位相反。

圖6 條狀埋藏型缺陷深度測量

由于此埋藏缺陷的上端點被直通波覆蓋，因此在進行測量的時候先通過軟件拉直直通波，再去直通波，把缺陷的上端點衍射波顯露出來，然后調(diào)校零點，再將紅色坐標移動到缺陷的上端點衍射波距離直通波最近的第一個波谷位置，圖像為黑色部分，此時為缺陷的深度值，即5.6 mm。

如圖7所示寬度測量，將藍色左邊移到下端點衍射波的最底的波谷處，用藍色坐標值減去紅色坐標值即為缺陷寬度，即3.4 mm。

圖7 條狀埋藏型缺陷高度測量

如圖8所示，長度的測量較簡單。將紅色坐標和缺陷的最左端擬合，藍色坐標和缺陷的最右端擬合，藍色坐標值減去紅色坐標值為缺陷的長度，即34.2mm。

圖8 條狀埋藏型缺陷長度測量

3 結(jié)束語

當分析TOFD缺陷圖譜的時候，首先通過觀察缺陷衍射波的相位和直通波的相位關(guān)系，確定此缺陷是哪類缺陷（上表面開口型、下表面開口型、埋藏型），不同類型的缺陷圖譜具有不同的測量方式，然后通過坐標的移動來確定缺陷的深度、寬度和長度。因為TOFD掃查方式采用大擴散角探頭，所以接收到的信號比教多，而且雜，細小的合格缺陷也會檢測出來，超聲波在傳播的過程中不可預知性和狀態(tài)多樣性，所以分析缺陷的時候需非常謹慎小心，盡量根據(jù)合理的程序進行整理和優(yōu)化圖譜，保持原始數(shù)據(jù)采集要清晰和完整。

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TOFD Defect Spectrum Analysis

YUE Gengxin1,YUE Genghui2,ZHAO Yuan1
（1.Tianjin Chengxinda Metal Detection Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China; 2.Gansu Institute of Political Science and Law,Lanzhou 730000,China）

TG441.7

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.03.011

2017-01-16

編輯：羅 剛

岳庚新（1988—），研發(fā)員，主要從事無損檢測新技術(shù)及金屬材料組織及性能的研究。