温度对衍射时差法超声检测结果影响

张洪波　岳斌　邓晓光　张燕南　赵文政

摘要：针对温度变化引起超声衍射时差技术（time of flight diffraction，TOFD）测量结果误差的现象，以含不同预置缺陷Q235A试块为测试样品，采用TOFD超声检测技术，并结合A扫结果，研究不同温度对缺陷检测结果的影响。研究发现，当试块表面温度超过40°C时，底面小缺陷的检测难度会提高，检测结果的不稳定性提升;随着试块表面温度继续升高，TOFD测量缺陷的最小分辨率会降低到3mm，同时小缺陷波的A扫波形已经无法从背景噪声中识别。通过比较不同温度下纵波在固体介质中传播速度，发现温度升高导致纵波速度衰减，进而导致仪器分辨力的下降和实际测量误差的增大。

关键词：超声衍射时差法;A扫;分辨力;温度

中图分类号：TG441.7

文献标志码：A

文章编号：1674–5124（2019）03–0041–05

The influence of temperature on the results of time of flight diffraction detection

ZHANG Hongbo1， YUE Bin1，2， DENG Xiaoguang1， ZHANG Yannan1， ZHAO Wenzheng1

（1. College of Quality and Technical Supervision， Hebei University， Baoding 071002， China; 2. Beijing Composite Materials Co.， Ltd.， Beijing 102101， China ）

Abstract： Aiming at the phenomenon that the change of temperature leaded to the measurement error of the time of flight diffraction （TOFD）， the TOFD ultrasonic testing technique was used to test the Q235A specimens with different prefabricated defects， and the A-scan outcomes were used to study the effects of different temperature on defect detection. The results show that the difficulty in detecting the small defects on the bottom surface is increasing as the surface temperature of the specimens exceed 40 °C， and the instability of the testing results will increase. As the surface temperature of the specimen increasing， the minimum resolution of TOFD in measurement defects will be reduced to 3 mm， and the small defect of A-scan waveform cannot be identified from the background noise. Compared with the propagation velocity of P-wave in solid medium at different temperatures， it is found that the P-wave velocity decays with the increase of temperature， which leads to the decrease of the resolution of the instrument and the increase of the actual measurement error.

Keywords： time of flight diffraction; A-scan; resolving power; temperature

0 引言

超聲衍射时差技术（time of flight diffraction，TOFD）具有可靠性好，精准度高等优点，是工业上最常用的焊缝无损检测方法之一[1-2]。从20世纪90年代，TOFD检测技术在国外逐步应用于核工业、石油、化工、电力的承压设备和海上采油、铁路、桥梁等钢结构的焊接接头检测，直到21世纪初，国内开始研究和应用该技术[3]。文献[4]提出了超声检测盲区及分辨率的计算和改善方法。文献[5]通过釆用基于正交匹配追踪的超声信号稀疏技术精确测量波达时间，并结合合成孔径聚焦成像与信号稀疏技术，提高TOFD成像的空间分辨率和质量。文献[6]指出随着温度的升高，在固体介质中声速会逐渐减弱，导致理论入射角和实际值之间的误差增大，因此在高温条件下，应提前进行声速修正。文献[7]测量不同温度下超声声速，也发现温度的升高导致超声声速减小。虽然国内外学者在TOFD检测精度以及温度声速影响规律方面已经做出了很多贡献，但在工业检测领域，TOFD检测数据受温度影响的规律还有待进一步补充和完善。

国内基于TOFD的无损检测标准主要依据是NB/T47013.10-2015《承压设备无损检测》[8]。该标准指出，采用常规探头和耦合剂时，被检工件的表面温度应控制在0～50°C;超出该温度范围，可采用特殊探头或耦合剂。然而，在实际检测工作中，由于各种条件的限制，导致检测标准与实际要求并不完全相符，极大影响了检测结果的准确性及可信度。因此，探究非标准情况下，温度对测量结果带来的影响，可为工业现场测量精确度的评价和实际测量标准的补充提供依据。本次实验测量温度控制在20～70°C的范围。

本文在不同温度下，对含有8种预置缺陷的Q235A试块进行测量。经过多次测量，寻找温度与检测结果之间的关系;同时基于温度与超声声速的关系，揭示了TOFD分辨力与温度的变化规律，为实际工作中小缺陷TOFD超声检测受温度影响的研究提供参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

实验采用Q235A钢材作为被检对象并对其进行预置缺陷处理。间距40mm、直径2mm的8个不同尺寸底面孔在49mm×30mm×400mm试块的钢材上分布，如图1所示。其中，不同尺寸底面孔缺陷（15，12，10，8，6，4，3，2mm）分别以1～8标注。

1.2 实验方法

在预定不同温度（20，40，50，60，70°C）的恒温干燥箱内，将含有预制缺陷的试件进行加热，到达预定温度后，保温30min。随后使用上海瑞龙仪表生产的XMD-200数显温度计（测温范围为–50～200°C，分辨率为0.1°C）对恒温水浴槽内的温度进行标定，最后在恒温水浴槽（温度衰减2°C/min）里进行缺陷深度的测量。测量仪器的现场布置如图2所示。TOFD超声设备采用奥林巴斯生产的OmniScanMX2（OMNI-M2-UT-2C），系统的采集频率为100MHz，最小分辨率为1mm，频率采集范围为0.6～18MHz。基于标准NB/T47013.10-2015，探头和楔块分别采用3.5MHz的C546-SM探头和折射角度为45°的TOFD-45-ST1楔块，探头间距控制在56.33mm[8]。此外，探头与试件之间，探头与楔块之間均用超声耦合剂耦合，并用扫查器将其固定。在测量过程中，为降低温度引起的误差，测量时间控制在1min内，此外每组8个缺陷分别进行10次重复性测量，并计算标准差。通过测得结果有效性来反应检测的难易程度，进而描绘温度对实际检测过程带来的影响。为保持数据的独立性，每次测量前进行仪器校准，测量完毕重复上述流程[9]。

2 结果与讨论

2.1 温度对TOFD检测结果的影响

试块在20，40，50，60，70°C时的缺陷测量结果如图3所示。在20°C时，从图3（a）中可知不同缺陷的测量结果有效次数均为10次，测量结果的标准差在0.1上下浮动，表现出良好的稳定性。随着温度的升高，在40°C缺陷8开始出现无效测量（在图3（b）用0表示），并且这种现象随温度增大而更加明显，如图3（c）～图3（e）所示。在试验温度为50，60，70°C时，实验结果的有效性次数分别为4、2、0。然而温度对1～7号缺陷的测量结果有效性影响较小。在标准差方面，随着温度的升高，8号缺陷尺寸无法识别，1～7号测量结果的标准差呈现增大趋势，测量结果稳定性越来越差。

2.2 测量图谱结果分析

相对于B-scan，A-scan射频信号能够观察各个波形之间的相互位置及读出缺陷波形的信息，因此在对预置缺陷检测时，A-scan信号图像上能够准确反应缺陷情况[10-11]。文献[12]依据CS-1/20标准试块平底孔（缺陷）的A-scan信号，进而获得缺陷信息包括位置和幅度，结果证实了A-scan是判定孔洞类缺陷的一种有效方法。

在测量温度为20°C和50°C时，缺陷-7和缺陷-8的A扫图像如图4所示。从图4（a）与图4（c）中可知，温度的升高对于缺陷尺寸为3mm的A扫波几乎没有影响，然而缺陷尺寸为2mm的A扫缺陷波在温度到达50°C时，缺陷的A-scan幅度较低，已无法从背景噪声中有效识别，如图4（d）所示。

2.3 试验结果分析

从上述讨论中发现，测量温度的升高，小尺寸缺陷会越来越难以被识别，这一现象可以从声学基本定律进行解释[13]。各向同性固体的切变弹性系数μ和拉密常数λ可以用其杨氏模量E和泊松比υ来表征，引入势函数可以求解其媒质的质点速度。对于横纵波可以得出其传播速度与该固体的拉密常数和密度有关，即：

式中：E——杨氏模量，Pa;

υ——泊松比;

CL——固体中传播的纵波声速，m/s;

CT——固体中传播的横波声速，m/s。

根据《压力容器与化工设备实用手册》[14]可以知道，本次实验的Q235A碳钢在不同温度下具体物理参数值如表1所示。

根据各个参数的实际物理值和公式（1）、（2）可得，Q235A碳钢不同温度与实际声速的变化关系如图5所示。在温度升高的情况下，Q235A碳钢中的横波声速和纵波声速都出现了明显的下降。已知V=λ·f，V为固体中声波速度，λ和f分别为声波传递的波长和频率，因此声速的下降导致波长的变长。TOFD超声检测仪器的分辨力的大小跟波长有关[15]，波长越短，其最小分辨力越高。所以温度的升高引起波长增大，即仪器的分辨力降低，进而出现测量结果对小尺寸缺陷检测的有效性降低的现象。

3 结束语

本实验通过控制变量法，采用TOFD测量不同温度下预置缺陷大小，结合A扫图像结果和温度与超声声速的关系，结果发现：试块表面温度升高会导致TOFD对小尺寸缺陷的检出难度增高，同时测量结果的有效性降低;试块表面温度升高，整体测量结果误差增大，不确定度变大，稳定性降低;温度升高会导致纵波波长增大，进而引起仪器的分辨力由1mm（20°C）降低至3mm（70°C）。

参考文献

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（编辑：莫婕）