超声波衍射时差法在焊接检测中的应用

2016-01-18孟民冈

船海工程 2015年5期

超声波衍射时差法在焊接检测中的应用

孟民冈

(中海油能源发展装备技术有限公司海管技术服务中心，天津 300452)

摘要：考虑到超声波衍射时差法在国外众多行业的管道及压力容器焊缝质量检测中已得到广泛运用，介绍该技术的可靠性好、检出率高、定量精度高、检测效率高、无污染和操作成本低等优点，希望促进此技术在国内的研究，认为相对TOFD检测的操作而言，对检测所得图像的识别判读是研究的重点与难点。

关键词：TOFD；定量；定位；图谱特征

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.014

中图分类号：U671.99；P755.1

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2015)05-0047-05

收稿日期：2015-07-30

作者简介：第一孟民冈(1990-)，男，学士，助理工程师

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:海上石油平台总体工艺

E-mail:987166417@qq.com

常规的无损检测方法有射线、超声波、磁粉、涡流和渗透5种。这些方法中,超声波检测所占的比例多达50%左右[1-2]。近年来,随着传感器技术、电子技术，以及计算机技术的发展和应用,超声无损检测领域又出现了许多热点新技术。作为热点新技术之一的超声衍射时差法(time of flight diffraction,TOFD)与传统的超声波检测法(如脉冲反射法和超声穿透法)不同,它是一种依靠被测试件内部缺陷的端角和端点处得到的超声波衍射能量来对缺陷测深定高的方法。 TOFD与常规超声检测有两个重要不同；①缺陷衍射信号的角度几乎是独立的；②深度尺寸定位和相应的误差取决于衍射时差，而与信号振幅无关。因此，相比传统超声检测，TOFD技术有新优势；①TOFD技术定量定位精度高，直通波的尺寸精度是±1 mm，裂纹增长检测能力可达±0.3 mm；②能有效发现任何方向的缺陷；③检测数据以视图的形式持久保存[3]。

TOFD作为一种新型的焊接检测技术,在国外众多行业的管道及压力容器焊缝质量检测中已得到广泛运用,国内核电、石油等行业的大型压力容器及管道焊接检测也正逐渐推广[4]。

1TOFD检测技术的基本原理

TOFD法通常采用双探头模式(一发射、一接收),检测原理见图1a)所示。在检测缺陷时,由发射探头发射的纵波将在缺陷的上下端点处产生出很大角度范围内的衍射波,该衍射波能传播到接收探头处，形成缺陷上下端的衍射波信号：当被测件内部没有缺陷时,接收探头只收到两种波形，即直通波和底面回波；当被测件内部有缺陷时,接收探头收到4种波形,即:在上述两波之间还有缺陷上下端处的衍射波,如图1b)所示[5]。

图1　超声TOFD法的检测原理及其典型A扫描信号

如果忽略纵波在传播过程中的波形转换,被测件中缺陷产生的信号均在直通波与底面回波之间到达。因此,直通波和底面回波这两个接收波就被作为缺陷检测的参考信号。直通波与缺陷上端产生的衍射波的传播时间差与缺陷的位置有关,缺陷上下端产生的衍射波的传播时间差与缺陷的自身高度有关。因此,关于缺陷高度和位置的测量,都是由接收到的声波信号的传播时间决定,与信号的波幅无关,进一步提高了检测的精确度。

2TOFD检测技术的基本布置

在TOFD检测中，使用一对或多对探头进行检测。所需探头的对数由被检焊缝的厚度决定。

这里以使用一对探头为例。一对探头中，一个为发射探头，另一个为接收探头。发射探头负责将仪器的发射电脉冲转换成超声波进入检测工件，接收探头将接收到的超声信号转换为电信号传给检测仪器。检测时，首先测量工件的厚度，由于焊缝有余高，对母材厚度进行测量作为所需厚度(T)。利用工件厚度计算二探头间距(PCS)。由式(1)计算PCS值。

(1)

式中：θ——探头角度。

调好探头间距后，将探头对称放置在焊缝两侧，使超声波声束覆盖检测区域。在非平行扫查时，要确保探头走直线，两探头始终与焊缝轴线对称，即声束交点始终位于焊缝中心位置。

3扫查类型及其特点

TOFD检测有两种扫查方式，即D扫描和B扫描。

D扫描，探头沿焊缝两侧，平行于焊缝移动，探头的移动方向与超声波的传播方向垂直，又称为纵向扫描或非平行扫描，所得检测图像为D扫描图像(见图2)。

图2　TOFD法双探头移向(沿焊缝长度方向) 与相应的D扫描图像

B扫描，探头沿着垂直焊缝的方向移动，探头的移动方向与超声波传播方向平行，又称为横向扫描或平行扫描，所得TOFD图像为B扫描图像(见图3)。

图3　TOFD法双探头移向(沿焊缝宽度方向) 与相应的B扫描图像

D扫描是常用的一种焊缝检测方式。所得TOFD图像为焊缝的纵断面显示，由于检测时探头跨骑在焊缝上沿焊缝移动，焊缝余高不影响扫查。这种扫查方式效率高、速度快、成本低且操作方便，只需一个人便可以完成。利用这种扫查方式得到缺陷的高度、埋藏深度、沿焊缝方向的长度及距扫查零点的距离等信息。

B扫描可提供缺陷宽度和更精确的高度值。采用D扫描方式检测到缺陷后，需要对其进行更加精确的定位和更加精确的测量时，可在缺陷处使用B扫描方式进行扫查。B扫描提供焊缝横断面显示，可从B扫描结果中得到更精确的缺陷高度值以及缺陷宽度(即距离焊缝中心线的距离)值。但是，在这种扫查方式中，焊缝的余高会明显阻碍探头的移动，大多数情况下需将焊缝的余高磨平后再进行扫查，从而降低扫查效率。

大多数情况下，为了迅速完成检测或减少成本，只进行D扫描。当D扫描无法得出满意的结果时，对发现的缺陷进行B扫描。

无论是在平行还是在非平行扫查的图形中，缺陷的两端都显示出弧形形状。其原因是缺陷在焊缝中线或两探头连接线中点时声程路径最短，而在离开中线时声程路径又变长。因此需要用特殊的测量工具弧形光标来拟合缺陷端点的弧形，以便得出比较精确的缺陷相关数据。

4TOFD检测仪器

TOFD检测系统包括硬件系统和软件系统。硬件系统包括：TOFD检测仪(主机)、TOFD检测扫查器、超声波探头及TOFD检测校准试块。TOFD检测仪是一种由计算机控制的能够满足衍射时差法检测工艺过程特殊要求的数字化超声波检测仪，包括脉冲发射电路、信号接收放大电路、模拟/数字转换电路、数字逻辑控制电路、接口电路及探头位置传感器电路等6个单元和计算机终端。

由汕头市超声仪器研究所有限公司生产的SUPOR-2T型号的超声TOFD检测仪，见图4。该检测仪是结构紧凑、功能强、高性能且便携，具备记录、成像及数据处理能力的计算机智能化超声检测设备。在国内外同类产品中体积最小、重量最轻。具有较长的续航时间、较高的检测效率及人性化的操作界面。

图4　SUPOR-2T的超声TOFD检测仪

5主要检测步骤

步骤1。为了设计出更好的检测方案，应在检测之前更多地了解工件情况、焊缝情况、以及欲检出缺陷情况等信息。对在制工件，应了解其制造规范、制造工艺、装备、环境条件等；对在用设备，应了解运行环境、故障情况和上次检验发现的问题等。对于材料，应了解其焊接性、焊接结构形式、焊接方法、焊接时现场条件及需要检出的缺陷类型等。

步骤2。检测区域应为焊缝本身宽度再加焊缝两侧各相当于母材厚度30%的区域；检测焊缝外观，余高宽度和高度，两边母材的厚度是否一致。检测面应平整，表面粗糙度小于Ra6.3 μm，一般均需要打磨。由于TOFD采用一收一发2个探头的工作模式，因此，对检测面的平整性和光洁度要求均高于普通超声检测，否则将难以移动探头或造成信号丢失。检测前应确定扫查路径并在被检工件上予以标识包括扫查起始点和扫查方向。

步骤3。探头的选择包括型号和参数的选择。探头参数的选择即探头的角度、频率及尺寸的选择。

步骤4。使用2/3T准则(或其他)确定探头间距。注意多通道时探头间距的计算。

步骤5。根据规章要求确定探头对数，以确保超声波覆盖深度范围，如果需要使用一组以上的探头，则应对每一组探头按照各自检测的区域进行参数优化，如探头的频率、晶片尺寸和探头间距。

步骤6。进行通道设置，设置的参数包括通道选择、工件厚度、增益(检测灵敏度)、检测范围、平移、材料声速、工作方式、检波方式、脉冲宽度、阻抗匹配、探头延迟、探头角度、闸门起点、闸门宽度、闸门幅度及是否显示、DAC(距离波幅曲线)等。

步骤7。编码器校准。非常重要，影响对缺陷长度方向定位精度。

步骤8。一切准备就绪后，进入自动检测，将所得TOFD图像保存。

6检测结果分析

6.1焊缝的5种常见缺陷

在焊接过程中，由于焊接选材不当、焊接工艺条件不合适或接头设计不当，操作不规范等原因，缺陷的出现无法避免。常见的焊接缺陷主要有裂纹、未焊透、未熔合、气孔及夹渣[6]。

6.2TOFD对缺陷定量定位的原理

缺陷的定位定量是指确定缺陷的位置和尺寸大小。要确定的位置包括：缺陷距离检测面的深度(z)、缺陷在平行焊缝方向上距扫查起始点的距离(x)及缺陷在垂直焊缝方向上的横向距离(y)。定量包括：缺陷的高度、长度和宽度。

图5　定位坐标

图6　缺陷自身高度和埋藏深度测量示意

6.2.1缺陷深度与高度测量原理

通过测量衍射波传播时间和利用三角方程，确定出缺陷的尺寸和位置，见式(2)。缺陷自身高度和埋藏深度测量示意于图6。

(2)

式中：L——超声波到达缺陷上端点的声程；

c——声速；

T——超声衍射波在工件中传播的时间；

S——探头中心间距的一半。

以直通波为参考起点，若缺陷上端点的衍射波与直通波间的传播时间差为t1，由下式计算缺陷深度：

(3)

缺陷下端点与扫查面间的最大距离为d2，同理，由下式计算缺陷下端点的深度：

(4)

则缺陷的自身高度H为

(5)

6.2.2缺陷距扫查起始点的距离(x)和长度测量

魏某,女,55岁。咳嗽病史近8年,每冬季发作,夏季自愈,发作时,昼轻夜重。不能入眠,痰多而稀,患者患病多年,经多处中西医治疗,不见效果。舌尖呈红,苔薄白,脉弦较细。采取小柴胡汤加减方进行治疗。处方:柴胡12克,黄芩9克,半夏12克,党参10克,五味子9克,炙甘草9克,细辛4克,生姜12克,大枣6枚,水煎服,服上方3剂,即能人睡,连服7剂,咳嗽好转,连服数剂。病愈。

在非平行扫查中，可以准确获得缺陷距扫查起始点的距离，进而得出缺陷的长度。在扫查前，先确定扫查的起始点，并做标记。对编码器进行校准后，开始非平行扫查，探头移动时，仪器通过编码器记录下每一个A扫信号相对起始点的位置。扫查完毕后，对图像进行在机分析，将光标分别停留在缺陷的最左端和最右端记下相对x值。则此时x值即为缺陷距扫查起始点的距离，结合起始点位置，可知缺陷在焊缝中的位置，进而实现缺陷定位。X的差值即为此缺陷地长度。

6.2.3缺陷在垂直焊缝方向上的横向距离(y)和宽度测量

使用一对探头进行非平行扫查无法测量横向位置参数(y)，因为在非平行扫查中，以两个探头为焦点的椭圆轨迹上，有无数个点的声束路径长度相等或声波传输时间相等。如果要确定缺陷信号的横向位置(y)，就必须在缺陷的上方进行平行扫查。

进行平行扫查时应首先确定扫查的起始点，以扫查前两探头中间的对称点为位置零点，使用编码器记录下探头移动过程中每一个A扫信号相对起始点的位置。在平行扫查的记录上用光标测量信号的声程最小位置。该数值就是缺陷位于探头中间的对称位置的信号，即横向距离y的值。测出缺陷两端的y值，其差值即为缺陷的宽度值。

大多数情况下，为了迅速的完成检测，或者为了减少成本，只进行非平行扫查。

7技术优势

就检测过程而言，TOFD检测操作简单，扫查速度快，检测效率高；而射线检测过程繁琐，耗时长，效率低。

7.1与射线检测法相比

随着焊缝厚度的增加，TOFD检测的优势更加突出。

1)超声穿透能力强，而射线穿透能力十分有限。X射线机的穿透厚度小于100 mm，目前穿透能力最强的γ源Co60对钢的穿透厚度极限为200 mm。对于200 mm以上的大厚度工件射线照相，必须使用高能射线照相。高能射线照相的底片灰雾度大，易漏检。超声波的穿透能力强，在钢中可以传播数m的距离。TOFD检测中，一台仪器可以完成12～400 mm厚工件的检测，而且不同厚度工件检测时能保持一样的速度。射线检测时，随着厚度增加，必须更改适当的射线源，厚度越大，所需要满足的现场条件越多。

2)随着检测厚度增加，TOFD检测效率依然很高，而射线检测效率更低。

当检测厚度增大时，TOFD法可以增加检测通道数，扫查速度不受影响，一次完成扫查。而射线检测，其曝光时间会增加，检测效率底。而且TOFD检测可以交叉作业，射线检测不能。

3)随着检测厚度增加，TOFD检测依然低成本，而射线检测成本更高。

TOFD检测只需要一些耦合剂，没有其他费用，成本低廉。射线检测则涉及到射线源费用、胶片费用、建造暗室费用、暗室设备器材费用、辅助设备器材费用等。随着工件厚度增加，TOFD检测费用不受影响，而射线检测将对检测设备、防护要求更高，以致成本显著增加。

4)随着检测厚度增加，TOFD检出率基本不受影响，而射线由于能量的损耗，检出率会受影响。射线检测的检出率较TOFD法稍低。

5)随着检测厚度增加，TOFD检测法依然对人体无伤害，而射线检测，由于射线源能量更高，对人体伤害更大，更得注重安全防护。

综上，在大壁厚检测中，TOFD法相比射线照相法存在很大优势。

7.2与传统超声(脉冲反射法)检测相比

在大壁厚检测中，TOFD法依旧占优势。两者都是利用超声波进行检测，不存在穿透能力方面的差异。TOFD法作为超声检测中的新技术，采用新的检测原理，克服了传统超声检测的固有缺点。相比传统超声检测技术，TOFD法缺陷的检出和定量不受声束角度、缺陷方向、缺陷表面粗糙度、工件表面状态及探头压力等因素的影响。所以具有更高的检出率、定量定位精度[6]。

综上所述，在大壁厚焊缝检测中，TOFD法具有很大优势。

8结论

1)通过对TOFD检测技术的定性分析，得知TOFD法相比其他检测方法定位精度高。

2)可以用TOFD法对缺陷初步定性。对含有常见焊接缺陷的试板进行TOFD、RT检测，利用TOFD法对缺陷初步定性，利用RT验证缺陷性质，分析缺陷的图谱特征并与ASME标准中提供的各种缺陷的TOFD典型图谱相比较，可知同一种缺陷的TOFD图谱具有某些共性，可以利用TOFD法对缺陷初步定性。

3)在大壁厚设备检测中，TOFD检测法优势显著。对厚度为60 mm的焊缝进行TOFD、射线检测，并分析、比较检测结果。结合理论，可知在大壁厚检测中，TOFD法独具优势。大壁厚设备选用TOFD法进行检测将成为未来发展的趋势。

参考文献

[1] 李生田,刘志远.焊接结构无损检测技术[M].北京:机械工业出版社,2000.

[2] 张燕宏.焊缝自动超声检测技术与设备的试验研究[D].合肥:合肥工业大学,2005.

[3] 伊新.TOFD检测技术基本原理及其应用探讨[J].石油化工应用,2008,27(3):29-31.

[4] 白艳，邢涛.焊接结构超声TOFD法的研究现状及展望[J].森林工程,2010(5).

[5] 马崇.超声波TOFD检测技术[J].华北电力技术,2003(9).

[6] 余国民，常永刚，丁小军，等.超声TOFD法在无损检测领域中的应用[J].焊管，2007(6).