超声TOFD技术在管道环焊缝检测中的应用

孙晓波

西安三环科技开发总公司 陕西西安 710000

超声衍射时差法主要是通过从缺陷的端角和端点的地方获得衍射能量来检测毛病，通过在缺陷末端产生的衍射信号之间的时间差来定位和量化缺陷。因为该技术具有检测速度快、定量准确度高、定位精确(精度达到1mm)和确定缺陷尺寸等优势，不但可以得到射频A型波形图，还能够获得B扫描图像，最后得到的结果更直观，这项技术被广泛运用到焊缝检测。但目前为止，TOFD技术仍然处于研发阶段，还存在不少缺陷。

1 TOFD技术知识

1.1 基本原理

超声TOFD检测技术是以波形衍射为基础，从物理学的角度可知：当障碍物或孔的尺寸小于或类似于波长时，发生显着的衍射。当超声波作用于长裂纹缺陷时，在裂缝间隙和拐角处产生衍射波，并且接收探针接收衍射波。检测技术和传统的超声检测技术有所不同，它使用两个探头来探测，由反射探头和接收探头组成。在检测时，把探头对称地置于在被检缝的两侧，声束可以包含整个检测范围，主机控制发射探头发射超声脉冲入射在检测到的干燥的横截面上，在碰到缺陷之后产生反射波和衍射波。探头接收反射波和衍射波，并测量穿透波，衍射波的传播时间，并使用三角形方程来定位和量化缺陷[1]。通常，接收探头先收到沿着工件表面传播的通过，然后分别接收缺陷上端和下端的衍射波，最后接收后壁回波。

1.2 国外的研究

自从该技术被认可以后，对于它的研究一直是一个热点。有学者做出大量对比试验研究所得，相比传统方法而言，超声TOFD法具有更高的检测率。在对于压力容器的检测时，超声TOFD法可以代替其他的方法。也有学者研究利用霍夫变换算法，在提高图像分辨率方面提取并讨论了在高噪声背景下B扫描图像中的裂纹末端衍射信号。也有学者利用合成孔径聚焦原理处理B扫描图像，建立数学模型，实现B扫描图像的重建，以提升图像的水平分辨率。

1.3 国内的研究

上个世纪九十年代，TOFD技术被我国研究者所关注，并且慢慢的运用到实际工程当中。2000年时，在西气东输工程中，是我国对于该技术的最早的应用。之后我国特检院成立了该课题组，对TOFD技术加深了研究。将超声TOFD技术代替了很多传统的检测工艺，很大范围的检测项目都运用该技术来进行检测。2006年，中国的水电行业，在三峡工程中，采用了TOFD技术来代替射线技术，得到了不错的检测效果。2007年国家质监局发布有关规定，对于制造厚度较大的压力容器，能够采用TOFD技术来取代射线来检测[2]。近几年来，在国家质检总局的核准下，TOFD技术已经成功的运用到石油化工、煤化工、冶金等行业的上百种特种设备的制造安装检测。

2 TOFD技术应用优缺点

2.1 技术应用

TOFD技术主要有两种应用：首先，使用该技术，检测工件内部是否存在缺陷，可以将内部缺陷定量得十分精准，相比较常规得手工超声波检测，TOFD技术的精确度远远的高于它。通常情况下，TOFD技术对于线性缺陷或面积型缺陷的测量误差十分的小，误差可小于一毫米以下，对于裂纹和未溶合的缺陷测量误差就更小了，仅仅是零点几毫米。其次，TOFD技术也可以应用到监控裂纹的扩展，能够精准高效地测量裂纹的增长。

2.2 技术优势

和传统的超声检测技术相比，TOFD检测技术具有更高的可靠性，检出率和精确度十分高，并且运行的费用较低。TOFD技术可以发现任何方向上的缺陷，不论探头的入射角度如何，对检测都没有影响；TOFD技术对于工件缺陷的深度尺寸上的定位并不依赖于信号的振幅，而是和衍射时差有关。常规的超声检测技术是不能测出缺陷的高度的，但是这对于TOFD技术来说可以准确地测量出高度，它对于裂纹等缺陷十分的敏感，在现场操作时候对现场的要求简单，通过TOFD技术可以将焊缝的结果利用图像来表现出来，并将这些图像保存下来以供以后的分析[3]。

2.3 技术局限

TOFD技术同样存在一定的不足之处，比如说在检测焊缝的上表面和下表面存在几毫米的表面盲区，这是因为TOFD的通过波和底面的反射波都有一定的宽度，造成了这盲区的存在，使得如果盲区内存在缺陷不容易被发现。所以在检测厚度比较下的情况下，超声TOFD技术就显得有些劣势。还有在检测是要求两探头要对称放置在焊缝两侧，所以这被检测的共建就需要是比较规则的。TOFD技术在应用时，可以做到区分上表面开口、下表面开口和埋藏缺陷，然而却很难做到精确的识别缺陷的性质。对于粗晶体材料，TOFD技术检测就很困难，必须要将频率和数字信号参数进行修正。还有一点就是TOFD技术检测对工作人员的要求较高，需要工作人员具有相应的图像识别和判读检测的知识。TOFD的仪器调节过程十分复杂，仪器调节的准确性和工件表面粗糙的程度对于检测结果影响较大。

3 结语

通过众多的研究可得知，TOFD方法相比较于其他的检测方法，自身存在着很多优势，这让很多国家和企业都参与到对其的研究工作中。TOFD技术正是因为其可靠性高、测量精确度高、测出率较高以及运行使用的费用较低等众多优势，被越来越多的行业所接受，并在很广的范围内使用。在大壁厚设备的检测当中，TOFD检测法的优势就较为明显，通过和射线法检测相比，不难看出超声TOFD技术的独特优势，大壁厚设备选取TOFD法来检测将会成为将来的一个发展走向。