TOFD检测中变形波信号和非相关信号的识别

陈业汉,范 良,孙小兵,张晓斌

(广西特种设备监督检验院,南宁 530219)

TOFD技术是一种基于超声波信号传输时差实现缺陷检测的无损检测技术。由于其具有比常规脉冲回波超声检测技术更大的优越性,近年来随着计算机技术的发展和无损检测市场的需求迅速发展。新的《压力容器安全技术监察规程》已经把TOFD技术列入正式条文,成为与常规UT和 RT并重的无损检测方法之一。可以预料,在未来的几年中,TOFD技术将会大规模应用于特种设备的检验检测中。由于这是一门崭新的检测技术,目前一些专业教材对 TOFD技术的介绍基本上以基础理论为主,具有实际指导意义的文献还很缺乏。TOFD技术的应用难点之一是图像的识别判读比较困难,需要有较深的理论基础和丰富的实践经验,如果检测参数的选择不当和对图谱的分析一知半解,非常容易造成误判。笔者主要针对TOFD检测图像判读中影响评定结果的一些非相关信号显示和变形波信号显示进行详细的分析解读,以希对初学者有所帮助。

1 TOFD检测技术超声波形分析

由于TOFD检测是以超声波信号传输时差来确定缺陷深度的,而超声波的传输时间和其传播的距离与声速密切相关,因此声速必须有唯一性才能正确计算缺陷深度。在钢中,纵波声速为5.93 mm/μs,横波声速为3.23 mm/μs,由于纵波的传播速度几乎是横波的两倍,通常情况下横波信号总是远远落后于纵波信号,直通纵波和底面纵波之间的时间窗口只有纵波信号,声速具有唯一性,可以正确计算深度,此窗口称为纵波检测窗口。由于探头发出的纵波在钢中会发生折射、反射和衍射,在折射、反射和衍射过程中会产生纵波变横波或横波变纵波的波型转换,在某些特殊情况下,转换出来的变形波信号有可能比底面纵波信号先到达接收探头。这样,在纵波检测窗口内可能同时具有纵波和变形波信号,声速不再具有唯一性,这对缺陷的识别和深度计算就会造成困难。

如图1和2所示,为简便起见,用C代表纵波,用S代表横波。探头A发射的纵波进入工件,一部分转换为折射纵波C,另一部分转换为折射变形横波S。折射纵波可产生直通纵波CC,折射变形横波可产生直通横波SS;折射纵波在缺陷F处可产生反射纵波CCF和反射变形波CSF;折射变形横波在缺陷F处可产生反射变形波SCF和反射变形波SSF;折射纵波在底面可产生底面纵波CCD和底面变形波CSD;折射变形横波在底面可产生底面变形波SCD和底面横波SSD。通常的TOFD检测,主要观察的是纵波检测窗口即CC和CCD之间的信号,以确定是否有缺陷并测定缺陷大小。在该窗口内变形波一般不会造成干扰。但是如果缺陷偏离两探头连线中点较远或缺陷深度较浅时,如果探头中心距P取较小值,各种波的位置就有可能发生变化,在纵波检测窗口内出现变形波信号,导致图像判读困难。

2 各种超声波信号的传输时间

2.1 传输时间的计算

各种超声波信号中,CSD,SCD,SSF和SSD在时间轴上比较靠后,实际检测中不会造成干扰,计算时可不必考虑。有可能影响检测的各信号传输时间计算如下：

以下将讨论哪些信号在什么情况下会出现在纵波检测窗口内。由于h＜T,tCCF＜tCCD,因此CCF总是出现在纵波检测窗口内,这对实现检测目的是有利的。检测过程中不希望除CCF以外的其它信号在纵波检测窗口内出现,但是如果满足tSS＜tCCD,tCSF＜tCCD或tSCF＜tCCD等条件,那就不可避免。

2.2 tSS＜tCCD

由2.1节可知：若tSS＜tCCD,则P/3.23＜2×[T2+(P/2)2]1/2/5.93,化简为：

式(1)的意义是：当探头中心距P＜1.3T时,直通横波信号SS出现在纵波检测窗口内。对一般规范推荐的最佳检测设置,P取值是使波束中心聚焦在厚度的三分之二处,即P=2×(2T/3)tanβ=(4/3)Ttanβ,由于纵波折射角β取值通常≥45°,由此可计算得P≥1.33T,因此通常不会发生SS出现在纵波检测窗口内。如果是某些特殊原因,例如为提高近表面缺陷的分辨率而取较小的探头中心距P,则有可能发生SS落在纵波检测窗口内的情况;另外,在厚板分区检测中,由于相邻分区厚度方向要有25%以上的覆盖,即使探头中心距P采用推荐的计算值,在检测窗口内仍有可能出现直通横波信号SS。当然SS是否出现还与探头的入射角度和波束的扩散角范围有关,由于横波声速较小,其折射角比纵波小,直通横波信号SS要比直通纵波信号CC弱得多,甚至不能识别,分析时要注意考虑到这种情况。

2.3 tCSF或 tCSF＜tCCD

由2.1节可知：若tCSF＜tCCD,则(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,同样可得：

由于L2=P-L1,式(2)和(3)实际上有T,h和L1三个可变参数,它们之中的任何两个参数取值确定,就可以求出另外一个参数的值。该两式的意义是：如果缺陷的深度和探头中心距已知,则可求出探头水平偏置多少时,变形波信号CSF或SCF会出现在纵波检测窗口内;如果缺陷的水平位置和探头中心距已知,则可求出缺陷多深时,CSF或SCF会出现在纵波检测窗口内。这是一个相当复杂的数学关系式,当缺陷水平位置位于探头连线中心点时,即L1=L2=P/2,两式均可化简为：

如果T和P取值确定,通过式(4)可以判断缺陷深度为多少时变形波信号CSF或SCF会出现纵波检测窗口内。或者,若缺陷深度已知,检测厚度越大,探头中心距越小,纵波检测窗口内底越容易出现变形波信号。

3 实际计算

以折射角为60°的探头检测壁厚T=50 mm的试块(图3)为例,通过实际计算来说明上述问题。分三种情况讨论：①探头中心距取常规推荐值,缺陷位于两探头的中间位置进行扫查。②探头中心距取常规推荐值,探头偏置扫查(即让缺陷偏离两探头连线中点一定距离)。③探头中心距取比常规推荐值小,缺陷位于两探头连线的中间位置进行扫查。分别计算深4 mm和深12.5 mm两个纵孔各种信号波的传输时间;对于深37.5 mm的纵孔,由于其深度较大,其变形波信号不会造成干扰,不必计算。

3.1 P取波束中心聚焦在厚度的处时

3.1.1 缺陷F水平位置处于探头连线的中点时

对于深4 mm纵孔：

对于深12.5 mm纵孔：

由以上计算可见,深度分别为4和12.5 mm的两个孔的各种信号只有 CCF(分别为 19.44和19.84μs)的传输时间小于CCD(25.70μs)的传输时间,它们的变形波CSF(或SCF)的传输时间均大于CCD的传输时间,即在纵波检测窗口内只有纵波信号,无变形波信号,TOFD图谱见图4。

图4 缺陷中置扫查TOFD图谱(P=115 mm)

3.1.2 偏置扫查时,取L1=13.5 mm,探头中心距仍取P=115 mm

对于深4 mm纵孔：

对于深12.5 mm纵孔：

由以上计算可见,除CCF外,深度分别为4和12.5 mm的两个孔的变形波SCF的传输时间(分别为21.48和 22.94μs)也小于CCD的传输时间(25.70μs),其余信号的传输时间均大于在CCD的传输时间,此时在纵波检测窗口内不仅有纵波信号,还有两个孔的变形波信号。TOFD图谱见图5。

图5 缺陷偏置扫查TOFD图谱(P=115 mm)

3.2 当探头中心距P=58 mm时(假定缺陷水平位于探头连线中点)

对于深4 mm纵孔：

对于深12.5 mm纵孔：

由以上计算发现,除CCF外,深度分别为4和12.5 mm的两个孔的变形波CSF(或SCF)的传输时间(分别为14.00和15.10μs)均小于CCD的传输时间(19.49μs),此时在纵波检测窗口内除纵波信号外还出现两个孔的变形波信号。此外,直通横波SS的传输时间(17.96μs)也小于CCD的传输时间(19.49μs),即SS落在纵波检测窗口内,但是由于声束覆盖范围较小的原因,这个信号很微弱,只有在灵敏度足够大的情况下才会看到,TOFD图谱见图6。

4 TOFD图谱变形波检测实例分析

以下是几个TOFD检测实例的图谱,图中所示的变形波信号时间位置可参照前面的公式计算确定,此不赘述。

图6 缺陷中置扫查TOFD图谱(P=58 mm)

(1)某石化公司储罐(厚48 mm)定期检验发现的缺陷,同一位置采用不同的探头中心距扫查的结果比较：

当P=128 mm时,变形波不出现,如图 7(a)所示。

当P=58 mm时,出现变形波,图中看似有两条近平行的缺陷,实质是同一条缺陷的两个影像,如图7(b)所示。

(2)中海油海上平台某储罐 T字焊缝(厚46 mm)检测,扫查示意图如图8。由于在T字缝位置声束扫过的焊缝截面比其他位置大很多,出现缺陷的几率也就大很多,而且在纵缝处的缺陷,其变形波传输时间很容易满足前面3.3提到的条件,从而在纵波检测窗口出现变形波信号,导致成像复杂,判读困难,很容易把缺陷判严重。

图8 T字焊缝扫查示意图

图9为探头穿越处的纵缝下刚好有几个小缺陷,这几个缺陷基本在一个深度层,图像中形成纵波和变形波两组信号,这相当于3.1.2节中提到的缺陷偏离探头连线中点较远的情况。粗看似两组紧靠的缺陷,这两组信号实质是一组缺陷的两个影像,他们的影像特征很像,结合简单的计算就可以初步判断。

图9 中海油海上平台某储罐T字焊缝1TOFD检测图像

图10是同一储罐的另一 T字焊缝,粗看缺陷信号几乎贯穿焊缝厚度,似乎很严重。实际情况是探头穿越的那段纵缝下不同深度有几缺陷。不同深度缺陷的纵波信号和变形波信号混杂在一起,造成复杂的影像信号。遇到这种情况须慎重,除要了解清楚扫查区段的焊缝结构特征外,还应尽可能结合其他无损检测方法综合判定。

图10 中海油海上平台某储罐T字焊缝2TOFD检测图像

5 非相关显示的识别

5.1 表面状况不良引起的非相关显示

检测表面状况对TOFD成像有重要影响,如果表面凹凸不平严重,甚至导致图像无法判读,检测前必须对检测面进行处理,其粗糙度应≤6.3μm。下面是两个表面状况不良检测的典型例子

图11为探头覆盖的地方有凹坑,凹坑里充满机油,超声波经过较厚的机油层(约1 mm)再进入工件,由于机油的声速大约只有钢的四分之一,声波传播被延迟,导致直通波和底波下沉。

图12为探头被焊缝边沿抬起,探头被抬起的地方,直通波有的地方下沉,有的地方不一定下沉,主要是探头发射的一部分波直接接触工件,一部分通过较厚的油层再传到工件,且不同位置探头被抬起的程度不同,导致了直通波下面出现波浪状的影像信号。

5.2 电磁干扰导致的非相关显示

电磁干扰导致编码器跑偏,这是由于编码器受到干扰,扫查距离、缺陷测长和水平定位都受影响,见图 13。

图13 TOFD检测电磁干扰类型例子

6 总结

TOFD检测采用纵波而不用横波,主要目的是由于纵波速度大大快于横波,使深度计算有唯一的结果,避免回波信号难以识别的困难。如果探头中心距按声束聚焦在工件厚度的2/3处进行计算取值时,变形波通常不会造成干扰;但是,对于深度较小并且较靠近探头一侧的缺陷,其变形波信号有可能出现在底波之前,造成图像判读困难。如果采用较小的探头中心距进行扫查,对于深度较小的缺陷,即使其居于探头连线的中间位置,其变形波也可能出现在底波之前,也会导致图像判读困难。总的来说,缺陷深度越浅,缺陷偏离两探头连线中间越远,缺陷变形波越容易对缺陷的识别和评定造成干扰。在检测一些特殊结构的焊缝(如 T字缝)或采取非常规参数检测普通焊缝时,纵波检测窗口出现变形波的可能性很大,非常容易造成误判。因此,对 TOFD图谱上的一些可疑信号,必须结合焊缝结构和检测设置进行计算分析,尽可能排除变形波的影响,避免误读误判。对扫查时探头通过的表面,应尽可能进行修磨平整,如果图谱中直通波、底波出现下凹或直通波、底波发生其它变形,不能轻易作缺陷判断,此时应检查探头扫过的焊缝表面,观察扫查时探头与表面的接触状况,或改变探头中心距进行补充扫查,看是否有同样的情况出现,并且尽可能结合其它无损检测方法综合判断。现场的电磁干扰和震动,有时会出现虚假信号,编码器也会受影响,在比较嘈杂的场所检测,应注意排除干扰,避免定位误差。