TOFD检测技术应用和发展

吕磊

摘要：本文主要介绍了TOFD检测技术在承压设备中的应用和发展，系统阐述TOFD检测技术的发展概况，TOFD检测技术基本原理，TOFD检测技术图谱分析，TOFD检测技术盲区问题及解决方法，并结合TOFD检测技术特点对其在承压设备检测中的发展及应用前景进行展望。

Abstract： This paper mainly introduces the application and development of TOFD detection technology in pressure equipment， systematically expounds the development of TOFD detection technology， the basic principle of TOFD detection technology， TOFD detection technology map analysis， blind area of TOFD detection technology and solutions， and prospects its development and application prospect in pressure equipment detection combined with the characteristics of TOFD detection technology.

关键词：承压设备;无损检测;TOFD

Key words： pressure equipment;nondestructive testing;TOFD

0  引言

随着超临界，超超临界电站锅炉相继投入使用，解决了国内电力紧缺的现状，但由于其承压设备压力大温度高的特点，一旦发生爆炸泄漏等失效问题将会对人身及财产安全造成不可弥补的损失，因此对承压设备的制造工艺有着十分严格的工艺标准，特别是对焊缝产品质量有着严格的控制标准。超临界及超超临界机组主蒸汽管道材质为P91，壁厚往往能达到80mm，P91属于高合金耐热钢其焊接难度大，造成其在焊接过程中容易产生气孔、夹渣、未熔合、未焊透、裂纹等焊接缺陷。因此对大壁厚特别是P91等焊接性较差的材质焊缝进行有效的无损检测显得十分必要。TOFD检测技术凭借其在大壁厚部件焊缝中缺陷检出率高、漏检率低、现场条件易满足、灵敏度高、缺陷定位定量准确率高的特点被广泛应用于大壁厚部件焊缝质量评價[1-3]。

1  TOFD检测技术发展概况

TOFD检测技术首先由英国国家NDT中心Mauric Silk博士于上世纪70年代首先提出，是能够精确测量缺陷尺寸的超声波检测技术，并广泛应用于石油、天然气和石油化工等工业领域。为规范TOFD检测技术应用，美国、英国、欧盟和日本相继制定了行业内TOFD检测标准，其中BS7706-1993、ENV583-6-2000、CEN/TS-14715-2004、ASTM E2373-2004和NDIS 2423-2001是方法标准，ASME cc 2235-9为验收标准。

20世纪90年代，我国引进并研究TOFD检测技术。2001年中国第一机械集团公司利用TOFD检测技术代替射线检测技术对14条压力容器70余条焊缝进行无损检测，并在2004年与中国特种设备检测研究院合作，制订颁布了我国第一个TOFD检测标准。2007年以后，TOFD检测技术在我国特种设备的应用迎来了高潮;我国参考国外多个TOFD检测标准，并结合我国研究成果及现场应用经验，制订了NB/T 47013.10-2010《承压设备无损检测第10部分：衍射时差法超声检测》，并在2010年12月15日正式实施[4-6]。

2  TOFD检测技术

2.1 TOFD检测技术原理

TOFD检测技术（超声衍射时差法）是基于惠更斯原理检测缺陷。波有遇到障碍物继续通行的现象，称为衍射。当缺陷尺寸小于超声波的波长时，超声波会绕过缺陷处继续传播，衍射波没有明显方向性，并且衍射信号比反射信号要小的多，因此TOFD能检测出较小缺陷，具有良好的灵敏度。检测过程中采用双探头一发一收模式，探头具有相同频率、角度及晶片尺寸，将探头横跨焊缝两侧进行非平行及平行扫查。当发射纵波遇到缺陷后，会在缺陷上下端点产生衍射波，仪器在接收A扫描信号的同时，同步产生相对应D扫面图像，图像中会在直通波和底面反射波之间出现缺陷波，如图1。

2.2 TOFD检测设备

TOFD检测设备主要包括TOFD检测仪、扫查架、探头、试块等。TOFD检测仪激发超声波并接收缺陷衍射波，对所接收衍射信号进行分析成像，同时记录探头移动路径，并对扫描结果进行存储，实现检验结果的可追溯性，完成对缺陷的检验。TOFD检测通常采用小晶片、窄脉冲、宽频带、大扩散角、高灵敏度的纵波探头，从而提高精度和分辨力。

2.3 TOFD检测图像显示

TOFD扫描图像可分为A扫描图像、B扫描图像以及D扫描图像，TOFD检测技术图像显示并非缺陷真实图像，而是接收衍射波A扫信号经过处理形成灰度图。利用灰阶度表示波幅大小，例如当波形向正半周期变化时，灰度向白色渐变;当波形向负半周期变化时，灰度向黑色渐变。通过一系列A扫描信号构成一幅TOFD检测图像，如图2。

2.4 TOFD扫查方式

TOFD扫查方式可分为非平行扫查、偏置非平行扫查、平行扫查三种方式，如图3。

当探头对称放置在焊缝两侧，沿着焊缝长度方向进行扫查，即探头移动方向与超声波传播方向垂直，称为非平行扫查，所得到图谱为D扫描图像。非平行扫查能够实现大范围检测，焊缝余高不影响扫查，效率高，速度快，因此作为TOFD检测初始扫查方式。但其无法有效检测横向缺陷，并且无法检测出缺陷偏离焊缝中心的具体位置。

当探头不对称放置在焊缝两侧，沿着焊缝长度方向进行扫查，称为偏置非平行扫查。偏置非平行扫查可以有效解决轴偏离盲区问题，增大某一侧的检测范围。例如当焊缝宽度较大，需要相对于焊缝中心偏置一定距离，以保证声束能够有效覆盖焊缝熔合线，保证缺陷不漏检。

当探头放置焊缝两侧，垂直于焊缝长度方向进行扫查，即扫查方向与声束传播方向平行，称为平行扫查。平行扫查需要去除焊缝余高，能够有效检测焊缝中横向缺陷，并能够精确定位缺陷横向位置。平行扫查往往能够对非平行扫查中的点状缺陷进行补充检测，判断缺陷是否为横向缺陷。

3  TOFD图谱分析

TOFD图谱相关显示分为表面开口型缺陷及埋藏性缺陷，其中表面开口型缺陷分为扫查面开口型缺陷，底面开口缺陷和贯穿性缺陷;埋藏缺陷主要包括气孔、条渣、未焊透、未熔合以及裂纹，如图4。

扫查面开口型缺陷直通波断开，只能观察到缺陷下端点衍射图像及底面图像;底面开口型缺陷底面反射波断开，只能观察到缺陷上端点衍射图像及直通波图像;贯穿性缺陷导致部件在厚度方向上的斷裂，因此缺陷位置处的直通波及底波被断开，形成断续图谱。

气孔是点状缺陷，由于气孔缺陷很小，无高度，因此其缺陷图谱无明显上下端点衍射信号，信号呈现弧形;条渣在长度方向有一段平直信号，时断时续，头尾呈现弧形;对于X型坡口结构，未焊透缺陷图谱往往出现在中间位置，缺陷图谱较平直但不相互平行，类似锯齿状;对于V型坡口结构，未焊透往往出现在底波位置，但与底面开口缺陷不同，未焊透底波不断开，能够发现下端点衍射信号;未熔合分为坡口未熔合与层间未熔合，其图谱与未焊透相似，但由于自身高度低，无法有效辨认上下端点，表现为黑度不均匀一定长度黑线;裂纹缺陷图像上下端点不规则，信号不连续，信号端部有许多小的端角，裂纹的危害性最高，检验时要引起重视。

4  展望

无损检测技术主要为渗透检测、磁粉检测、常规超声检测、射线检测。渗透及磁粉检测只能检测近表面缺陷，无法检测焊缝中的埋藏缺陷;射线检测虽然能够通过底片直观反映出缺陷形态及性质，但是检测大壁厚部件时需要管电压较大、受辐射影响其使用条件苛刻、效率低，特别是由于射线角度影响对一些未熔合缺陷漏检率大，无法满足大壁厚部件焊缝探伤应用。

常规超声检测适用于埋藏性缺陷，但其对缺陷定位定量都是基于缺陷反射波幅，对于大壁厚部件，其缺陷波幅势必降低，提高增益同时，噪声信号也会提高，信噪比降低，特别是其无法记录超声具体路径，单纯使用常规超声检测，无法满足规程TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程中》关于“压力容器的对接接头应当采用射线检测、超声检测（包括衍射时差法超声检测（TOFD）、可记录的脉冲反射法超声检测和不可记录的脉冲反射法超声检测）;当采用不可记录的脉冲反射法超声检测时，应当采用射线检测或者衍射时差法超声检测进行附加局部检测。”的规定。TOFD检测技术在大壁厚部件上定位定量准，尤其能准确测量出缺陷自身高度，工作效率高的特点，已被广泛应用到国内大型压力容器制造质量检测中，大大降低了压力容器制造成本及周期，提高了我国制造业竞争水平[7-8]。但TOFD检测技术也存在一定局限性，TOFD检测技在上下表面盲区的问题，需要在检测过程中增加渗透检测或磁粉检测，对底面缺陷增加常规超声检测，以保证盲区缺陷被有效检测。随着科学技术的发展，国内一些研究团队通过实验已大大降低了TOFD检测技术表面盲区问题，相信TOFD检测技术表面盲区问题一定会得到有效解决。

参考文献：

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