TOFD超声成像检测技术在压力容器检验中的应用

2022-12-17程康李海明徐海亮

新型工业化 2022年6期

程康，李海明，徐海亮

淄博市特种设备检验研究院，山东淄博，255000

0 引言

压力容器在很多行业都有广泛的应用，而为了保证压力容器的使用安全与稳定性，需要对压力容器实施无损检测，通过检测知晓不同压力容器的实际状况，便于确定压力容器是否还能正常使用[1]。压力容器检测中既要保证检测方法的使用不会对压力容器造成影响，又要较好地显示压力容器可能存在的缺陷，提高检测的灵敏度与检测效率[2]。TOFD超声成像检测技术作为一种无损检测方法，其在压力容器检测方面有重要应用，本文结合自身工作经验，对TOFD超声成像检测技术在压力容器检验中的应用予以分析，旨在更好地指导压力容器检验中TOFD超声成像检测技术的合理使用。

1 TOFD超声成像检测技术概述

TOFD是Time Of Flight Diffraction的简称，即超声波衍射时差法，其属于一种新型无损检测技术，也是现代超声检测技术中的一种，是特种设备中缺陷检测、定量、定位的重要方法之一。TOFD技术在应用期间，对待检试件内部进行检测，当设备结构中存在缺陷的情况下，将从其“端角”“端点”位置处获取的衍射能量作为检测缺陷的重要依据[3]。通俗地讲，TOFD超声成像检测技术在对容器内部进行超声检测时，当容器内存在缺陷时，超声波会在缺陷的尖端发生叠加，使得正常反射波中存在衍射波。检测人员根据探头探测到的衍射波具体情况，作为容器内部缺陷位置、大小、深度判断的重要依据。尽管现阶段压力容器检测中可使用的方法较多，但是TOFD超声成像检测技术在压力容器检测中具有重要的应用价值，使其得到重要应用。

TOFD超声成像检测技术在压力容器检验中的应用存在一定的优势，其在使用期间衍射波信号的灵敏度较高，有效地保证了压力容器中缺陷的检出；检测过程中效率更高，通过合理布置一发一收探头，可更快地获取检测信号，分析后，其可作为压力容器检测缺陷判断的依据；通过衍射时差计算方法，可保证压力容器中缺陷位置的精准定位；检测过程中受到相关因素的影响较小，保证了检测结果的可靠性与稳定性；衍射波较高的灵敏度也使得在压力容器实际检测中相关缺陷的漏诊率更低，可以更好地对压力容器做综合评价。除此之外，TOFD超声成像检测技术还具有成本低、检测方式更加灵活、检测安全性高及对工作人员无伤害等优势[4]。上述均为TOFD超声成像检测技术在压力容器检测中得到重要应用的原因。实际上TOFD超声成像检测技术在压力容器检测中也存在一定的局限性，该检测技术具有较高的灵敏度，很容易在检测中造成某些良性缺陷的夸大；同时该方法在具体应用中有检测盲区的存在，这些可能会对实际检测结果产生影响。

2 TOFD超声成像检测技术在压力容器检验中的应用

TOFD超声成像检测技术在压力容器检验中，需要满足相关要求，同时在检测期间需要按照流程进行操作，以保证压力容器检测的可靠性。

2.1 知晓待测压力容器的相关要求

为保证TOFD超声成像检测技术在压力容器检测中应用的准确性，具体检测之前需要对压力容器实施预处理，即通过有效处理使其满足检测要求，保证检测结果的可靠性。压力容器检测前需要保证清洁度，比如其内部表面不能残留因为焊接而留下的飞溅物，外部不应有附着物，针对容器表层存在的杂物、土层等应有效消除，避免TOFD超声成像检测技术在高灵敏度下可能造成的缺陷夸大问题。根据压力容器的具体情况，合理选择介质作为耦合剂。压力容器耦合剂选择需要注意以下问题：介质材料应适合待检压力容器，同时介质材料不会因环境因素影响发生失效。满足上述要求的介质材料方可达到耦合效果。根据实际应用情况，软膏、水、油料等均属于应用较广的耦合剂。根据压力容器实际情况，在某些情况下为了保证检测效率，减小误差，还可以加入其他材料。根据实际情况在检测前应做好温度控制，通常温度需要控制在0～50℃，避免温度对压力容器产生影响[5]。如果超过上述温度，在对压力容器检测中需要选择特殊的耦合剂、探头等。

2.2 准备好检测仪器

TOFD超声成像检测技术在压力容器检验中需要准备好相关的检查仪器，发挥不同仪器设备的作用，以保证压力容器检测结果的可靠性。检查仪器需要满足超声发射与接收要求，同时可自动完成数据采集、记录、分析与显示。准备好所需要使用的检测仪器，能够通过仪器保证检测结果可靠性，同时提高检测速度，节约人力成本。前期准备工作中也需要重视探头的准备工作，即要求选择合适的探头，具体探头的选择应结合不同压力容器的具体情况而定。如果压力容器厚度≤7.5cm，检测中可使用单探头；如果压力容器的厚度＞7.5cm，可通过设置多个检测通道与组合探头，便于多角度实施压力容器检测，提高检测准确性。从压力容器的实际应用方面分析，目前化工企业所使用的压力容器厚度通常均超过7.5cm，所以在检测中需要使用组合探头，并根据具体的压力容器，合理调整探头的中心距[6]。

2.3 检测仪校准与参数调整

检测仪的准确性与性能在检验中发挥着重要作用，因而在使用前需要对检测仪校准。探头在使用期间也存在一定的参数要求，应对探头的不同参数进行合理调整，如晶片规格、发射频率、放置角度及探头中心间距等。不同参数在调整期间应立足于压力容器的实际情况，最大程度保证检测参数同压力容器检测的有效匹配。结合TOFD超声成像检测技术在压力容器检验中不同参数的研究分析，在晶片尺寸与探头中心间距较小的情况下，横向分辨力、扩散角均较大，而声场能量较小；在晶片反射频率较高的情况下，对应的反射波长较小，横向、纵向分辨力较大，噪声会下降，所能穿透的厚度较小；晶片放置角度较小，则探头中心间距较小，此时对应误差较小，分辨力较大；探头中心间距较小对应的盲区也越小，因此能够提高分辨力，提高测量精度。压力容器检测中，应具体问题具体分析，结合不同压力容器特点，合理确定并调整相关参数，TOFD超声成像检测技术在压力容器检验中通常采取小晶片、高频率、大角度，保证探头可更完整地对整个压力容量内部予以扫描，以保证压力容器检测结果的准确性。

TOFD超声成像检测技术在压力容器检验中还需要对其他参数予以调整，比如采样率方面，针对压力容器外部厚度不足50mm的情况，采样间距可调整到1mm，反之，如果压力容器外部厚度超过50mm，采样间距则应调整到2mm。扫描距离设置方面，应综合所使用检测设备的具体规格情况、压力容器大小等，对扫描距离予以调整；扫描速度的调整应考虑耦合剂的选择，通常从压力容器内部凹曲面开始检测，并控制好检测速度，避免太快，这样可减少表面盲区，同时可保证压力容器内部检测的连续性。

2.4 检测过程

TOFD超声成像检测技术在压力容器检验应用期间，需要执行该检测技术的有关标准，保证操作流程、操作步骤等的合理性与规范性，提高检验过程的科学性。检测过程中对应的发射装置、接收装置、探头均应正常运行。压力容器检测中耦合剂多选择水，直通波波幅需要控制在满屏的40.00%～80.00%。超声波检测期间需要顺着压力容器焊接处实施扫描，如果检测后得到两个完整的超声波信号，则提示压力容器焊接处不存在缺陷。如果检测后接收到衍射波信号，可通过探头再次进行检测，通过检测后可获取参数，作为压力容器缺陷信息获取的依据[7]。

2.5 数据分析及其图像处理

使用TOFD超声成像检测技术对压力容器进行检验，检测仪会自动采集并完成相关数据记录，随即通过计算机完成不同数据的分析与处理，并进行图像重构，该图像可作为压力容器有无缺陷的凭证。压力容器中的缺陷依据形态不同可分为开口缺陷、埋藏缺陷，其中上表面开口缺陷、下表面开口缺陷、贯穿性开口缺陷均属于开口缺陷。点状、线性以及平面型缺陷则均是埋藏缺陷的主要形态。如果检测中出现直通波消失，有下尖端衍射存在，则压力容器存在上表面开口缺陷；如果出现底波反射波消失，存在上尖端衍射，则为下表面开口缺陷；如果是直通波和底面反射波均断开，则为贯穿性开口缺陷，此类缺陷在图像分析中应重视其与图像不连续性的有效区分，便于准确地做出判断。如果是点状埋藏缺陷，检测中可见缺陷长度短、高度小，不存在明显的上下尖端衍射信号，通过孔径聚焦技术予以检测，检测图像中有点状缺陷存在。线状埋藏缺陷的缺陷高度小、无明显上下尖端衍射信号，但长度较大。而平面型埋藏缺陷的高度大，存在明显的上下尖端衍射信号，且两个信号相位具有反向表现。通常通过图像处理可更好地指导压力容器检测，例如将图像拉直缩小，有利于提高测量精度。为了提高压力容器检测中的图像信噪比，可选择孔径聚焦技术，对上尖端衍射信号快速定位，明确压力容器缺陷位置。通过对不同压力容器中缺陷的分析，预测不同缺陷可能给压力容器使用所产生的危害，便于针对性地采取干预措施。

3 影响检验结果的固有因素与处理

TOFD超声成像检测技术在压力容器检验中的整体影响因素较少，但是也存在固有因素，通过对这些固有因素的分析，便于更好地指导实际压力容器检测，消除相关的安全隐患。

3.1 38°带来的影响

TOFD超声成像检测技术的应用原理表明，其需要以衍射信号为基础，即波在传播过程中与界面作用而发生的不同于反射的物理现象。根据物理学知识，当波在穿过狭缝、小孔等障碍物后会发生不同程度的弯散传播。衍射波能够在不同方向传播，同时没有明确的指向，且较反射信号对应的衍射信号更弱，如果波传播遇到的障碍物端点越尖锐，则衍射越明显，反之衍射会不明显。根据对不同角度下衍射信号波幅的研究分析，当折射角度为65°时，此时上尖端信号和下尖端信号对应的波幅均最大。如果是裂纹下尖端的信号，38°时波幅下降最大，这样会使得裂纹下尖端信号波幅曲线有两个峰。通过反复试验证实，折射角度变化后会引起衍射信号幅度发生变化，其中45°～80°范围内，衍射信号幅度同折射角度关系较小，因而要求TOFD超声成像检测技术探头角度一般控制在45°～70°，这种角度会避开38°这种不利的角度，可确保检测中衍射信号强度，同样当角度超过75°后，会增加测量误差。所以在使用TOFD超声成像检测技术进行压力容器检验中，应避免38°，合理控制探头角度，合理调整中心部位距离，以保证压力容器实际检测结果的可靠性。

3.2 检测盲区问题

TOFD超声成像检测技术在压力容器检测中还存在检测盲区问题。结合实际压力容器检测情况，TOFD超声检测技术存在上表面盲区与下表面盲区。其中探头中心间隔距离、探头带宽、探头扫射频率等会影响上表面盲区，在保证检测准确性的条件下，可将直通波脉冲带宽缩小、探头中心间距减小，同时增加扫射频率，有利于消除上表面盲区。下表面盲区一方面与底面反射波信号宽度有关，另一方面则与轴偏离所引起的底面盲区有关，针对前者，可增加扫射频率，同时适当扩大探头中心间隔距离，以减小盲区。针对后者引起的盲区，需要考虑轴偏离的影响因素，比如压力容器、探头中心间距等，因而可适当增加探头中心间距，同时在检查中还可增加平行扫查方式，这些措施的使用有利于减小盲区范围，更好地保证压力容器检测结果的可靠性。

3.3 测量误差问题

在压力容器检验应用TOFD超声成像检测技术，还需要考虑实际的误差问题。从理论上分析，TOFD超声成像检测技术在检测过程中的测量精度可达到0.1个波长，事实上在相关检测过程中，还存在一定的客观影响因素，使得实际检测难以达到理想状态。部分研究资料讲述，TOFD超声成像检测技术在应用期间，不同位置、不同角度所产生的测量误差不同，因此为了降低该技术在实际应用中的误差，需要在具体应用中针对主要参数做调整与优化，比如调整探头中心间隔距离进行、处理检测面平整度、控制轴偏移度、调整入射点角度等，利用多种参数的优化，保证检测结果的准确性，降低检测误差。

4 TOFD超声成像检测技术的创新测试

石油化工等行业所使用的压力容器类型较多，需要遵循具体问题具体分析的原则，针对不同压力容器应用TOFD超声成像检测技术采取的检测方法不同。实际上因为压力容器本身材料在更新，同时不同压力容器的制造材料与工艺等也会有所不同，这就要求应用TOFD超声成像检测技术对压力容器进行检测应灵活调整方法，避免使用相同方法对不同压力容器进行检测。通过检测技术检测方法的创新，可更好地发挥TOFD超声成像检测技术优势，保证检测结果的可靠性，避免使用不合格的方法造成压力容器检测结果的不可靠。关于TOFD超声成像检测技术的创新测试，需要在具体工作中不断总结经验，分析不同缺陷的具体成像特点，整理使用不同方法与不同参数对应的检测资料等，以便更灵活地开展压力容器检测工作。