超声TOFD检验方法.doc

超声TOFD检测办法
一 超声TOFD检测技术来源和国外发呈现状
TOFD（Time Of Flight Diffraction）技术是1972年国际原子能中心哈韦尔（英国原子能权威人士－UKKAEA）建议下发展而来。TOFD最初发展仅仅是作为定量工具，最初想法是：使用常规技术探测到缺陷后使用TOFD进行精准定量和监测在线设备裂纹扩展（例如检测压力容器）。诸近年以来TOFD始终在实验室里，各国做过大量实验直到八十年代才为业界所认同；在这些实验中，用事实证明了TOFD在可靠性和精度方面都是非常好技术。
自上世纪 9O年代起，超声TOFD检测法在国外工业无损检测领域已得到广泛应用，欧、美、日均已推出相应应用原则。1992年英国原则BS7706问世，1996年美国ASME原则将其列入规范案例2235和第ⅴ卷《无损检测》附录，欧、日分别推出专用原则。用于不同壁厚承压设备焊接接头制造和在用检测。

二 超声TOFD检测技术国内发呈现状
2.1 超声TOFD检测设备研制
武汉中科创新技术有限公司国产研制国产第一台便携式TOFD超声波检测仪研制成功,HS800型产品在特检行业应用,底HS800成型产品推出市场，产品开始销售,并逼迫进口TOFD检测仪器价格”跳水”
2.2 超声TOFD检测人员培训与考核
二〇〇七年开始到当前国家特种设备无损检测人员资格考委会共组织了三次培训与考核，考核通过人员颁发了超声TOFDⅡ级资格证书。
2.3 国内锅炉压力容器压力管道中超声TOFD检测技术应用规定
二〇〇七年六月七日发布关于进一步完善锅炉压力容器压力管道安全监察工作告知( 国质检特函〔〕402号)对超声TOFD检测技术在锅炉压力容器压力管道中应用规定如下:
第六条、关于衍射波时差法超声波检测（TOFD）办法应用
对现场制造壁厚度60mm以上压力容器，可以采用TOFD检测办法代替射线法进行无损检测。从事TOFD检测无损检测机构必要符合如下条件：
（一）在国内TOFD无损检测原则未发布前，应当参照国外成熟原则制定相应公司原则，经全国锅炉压力容器原则化技术委员会审核通过后，按照《中华人民共和国原则化法》规定进行备案。
（二）从事TOFD检测无损检测机构至少应具备超声波无损检测（UT）Ⅲ级人员1名，UTⅡ级资格4年以上（含4年，下同）人员2名，作为TOFD检测负责人和操作复核人员。
（三）从事TOFD检测人员应当具备UTⅡ级资格4年以上（含4年），其TOFD操作技能经全国无损检测考核委员会
2.4 国内已制定TOFD检测原则
国内制定TOFD检测原则为《承压设备无损检测第10某些：衍射时差法超声检测》原则编号JB/T 4730.10－,此原则在送审中。
三 术语和定义
GB/T 12604.1规定以及下列术语和定义合用于本某些。
Z
X
Y
O
扫查面
底面
3.1 坐标定义(coordinate definition)：

图1 坐标定义
O：设定检测起始参照点 X：沿焊缝长度方向坐标
Y：沿焊缝宽度方向坐标 Z：沿焊缝厚度方向坐标
3.2 TOFD（Time of Flight Diffraction）
衍射时差法超声检测或超声波衍射时差法，是运用缺陷端点衍射波信号探测和测定缺陷尺寸一种自动超声检测办法。
3.3 扫查面(scanned surface)
放置探头工件表面，超声波声束从该面进入工件内部。
3.4 底面(back wall)
与扫查面相对工件另一侧表面。
3.5 直通波(lateral wave)
从发射探头沿工件以最短途径到达接受探头超声波。
3.6 底面反射波(back wall echo)
经底面反射到接受探头超声波。
3.7 探头中心间距(probe centre separation)（PCS）
发射探头和接受探头入射点之间直线距离。
3.8 缺陷深度(flaw depth)
缺陷上端点与扫查面间最短距离，见图2中d1。
3.9 缺陷高度(flaw height)
缺陷沿X轴方向上、下端点在Z轴投影间最大距离，见图2中h。
O’
d1

h
Z
底面
扫查面
Y

图2 缺陷深度和缺陷高度
3.10 平行扫查(parallel scan)
探头运动方向与声束方向平行扫查方式。
3.11 非平行扫查(non-parallel scan)
探头运动方向与声束方向垂直扫查方式，普通指探头对称布置于焊缝中心线两侧沿焊缝长度方向（X轴）扫查方式。
3.12 偏置非平行扫查(offset-scan)
偏移焊缝中心线一定距离非平行扫查。
3.13 A扫描信号(A-scan signal)
超声波信号波形显示图，普通水平轴表达声波传播时间，垂直轴表达波幅。
3.14 TOFD图像(TOFD image)
TOFD数据二维显示，是将扫查过程中采集A扫描信号持续拼接而成，一种轴代表探头移动距离，另一种轴代表深度，普通用灰度表达A扫描信号幅度。

四 超声TOFD检测原理
4.1.1 TOFD是一种运用超声波衍射现象、非基于波幅自动超声检测办法。普通使用纵波斜探头，采用一发一收模式。
4.1.2 在工件无缺陷部位，发射超声脉冲后，一方面到达接受探头是直通波，然后是底面反射波。有缺陷存在时，在直通波和底面反射波之间，接受探头还会接受到缺陷处产生衍射波。除上述波外，尚有缺陷部位和底面因波型转换产生横波，普通会迟于底面反射波到达接受探头。工件中超声波传播途径见图3，缺陷处A扫描信号见图4：
发射
探头
接受
探头
直通波
底面反射波
上端点衍射波
下端点衍射波

（1）平板工件

接受
探头
发射
探头

直通波
底面反射波
上端点衍射波
下端点衍射波

（2）凸面工件
发射
探头
接受
探头
直通波
底面反射波
上端点衍射波
下端点衍射波

（3）凹面工件
图3 不同形状工件中超声波传播途径
底面反射波
直通波
下端点衍射波
上端点衍射波

图4 缺陷处A扫描信号
4.1.3 TOFD检测显示
4.1.3.1 TOFD检测显示应至少涉及A扫描信号和TOFD图像。
4.1.3.2 TOFD应使用射频波形式A扫描信号。
4.1.3.3 TOFD图像形成
将每个A扫描信号显示成一维线条图像，位置相应声程，普通以灰度表达信号幅度，将扫查过程中采集到持续A扫描信号形成图像线条沿探头运动方向拼接成二维视图，一种轴代表探头移动距离，另一种轴代表扫查面至底面深度，形成TOFD图像。
图5所示为含埋藏缺陷平板对接焊接接头TOFD检测显示，图中右下方为TOFD图像，右上方为从TOFD图像中缺陷部位提取一种A扫描信号，其中涉及直通波、上端点衍射波、下端点衍射波和底面反射波。
A扫描信号
扫查面
底面
探头移动方向
声束方向

图5 TOFD检测显示
4.2 缺陷深度与高度计算
4.2.1 在平板工件中，假定探头中心间距为2S，缺陷深度为d1，缺陷距焊缝中心线偏移量为X，见图6：

图6 缺陷深度计算图

依照几何关系，有：
（1）
其中：c：声速；T：超声波传播总时间；t0：超声波在探头楔块中传播时间

假定缺陷位于焊缝中心线上，此时X=O，所得d1值最小：
（2）
4.2.2 若以直通波为参照起点，假定X=0，则缺陷深度为：
（3）
其中：t：缺陷上端点衍射波与直通波间传播时间差
c：声速
2S：探头中心间距
缺陷下端点与扫查面间距离以d2表达，同理可计算出缺陷下端点深度d2
则缺陷高度h=d2-d1。
4.3 扫查方式
4.3.1 扫查方式普通分为非平行扫查、平行扫查和偏置非平行扫查三种。扫查方式示意图分别见图7、图8和图9。

发射探头
接受探头
探头架

移动方向
X
Y+
Y－
焊缝
发射探头
接受探头
探头架
移动方向
X
Y+
Y－
焊缝

图7 非平行扫查 图8 平行扫查
发射探头
接受探头
探头架
移动方向
X
Y+
Y－
焊缝

图9 偏置非平行扫查
4.3.2 非平行扫查普通作为初始扫查方式，用于缺陷迅速探测和缺陷长度测定，可大体测定缺陷高度，但无法拟定缺陷距焊缝中心线偏移量。
4.3.3 采用偏置非平行扫查可增大检测范畴，提高缺陷高度测量精度，改进缺陷定位并有助于减少表面盲区高度。
4.3.4 对已发现缺陷进行平行扫查，可改进缺陷定位和缺陷高度测定精确性，并为缺陷定性提供更多信息。
4.4 检测程序
TOFD检测普通程序为：
a） 原始资料查阅；
b） 编制检测工艺作业指引书；
c） 人员、设备、试块准备；
d） 检测准备；
e） 检测设立和校准；
f） 检测；
g） 数据分析和解释；
h） 缺陷评估与验收。
4.5 表面盲区
4.5.1 TOFD检测存在两个表面盲区：
a） 扫查面盲区，其高度为： （4）
其中c：声速； ：直通波宽度； 2S：探头中心间距；
b） 底面盲区。
4.5.2 可以通过采用宽频带窄脉冲探头、减少探头中心间距或增长扫查方式等办法减少表面盲区高度。
4.5.3 对于表面盲区应采用其她有效检测办法，可采用脉冲反射法超声检测或表面检测办法进行补充。
五 TOFD技术特点
5.1 TOFD技术可靠性好。由于其重要是运用衍射波进行检测，而衍射信号不受声束影响，任何方向缺陷都能有效发现，使该技术具备很高缺陷检出率。国外研究机构缺陷检出率实验得出评价是：手工UT，50-70%；TOFD，70-90%；机械扫查UT+TOFD，80-95%。由此可见，TOFD检测技术比常规手工UT检测可靠性要高得多。
5.2 TOFD技术定量精度高。采用衍射时差技术对缺陷定量，精度远远高于常规手工超声波检测。普通以为，对线性缺陷或面积型缺陷，TOFD定量误差不大于1mm。对裂纹和未熔合缺陷高度测量误差普通只有零点几毫米。
5.3 TOFD检测简朴快捷，最惯用非平行扫查只需一人即可以操作，探头只需沿焊缝两侧移动即可，不需做锯齿扫查，检测效率高，操作成本低
5.4 TOFD检测系统配有自动或半自动扫查装置，可以拟定缺陷与探头相对位置，信号通过解决可以转换为TOFD图像。图像信息量显示比A扫描显示大得多，在A型显示中，屏幕只能显示一条A扫信号，而TOFD图像显示是一条焊缝检测大量A扫信号集合。与A型信号波形显示相比，包括丰富信息TOFD图像更有助于缺陷辨认和分析。
5.5 当今使用TOFD检测系统都是高性能数字化仪器，完全克服了模仿超声探伤仪和简朴数字超声波探伤仪记录信号能力差特点，不但能全过程记录信号，长期保存数据，并且可以高速进行大批量信号解决。
5.6 TOFD技术除了用于检测外，还可用于缺陷扩展监控，是有效且能精准测量出裂纹增长办法之一。
六 TOFD技术与常规脉冲回波超声检测技术相比，重要不同点
6.1由于缺陷衍射信号与角度无关，检测可靠性和精度不受角度影响。
6.2依照衍射信号传播时差拟定衍射点位置，缺陷定量定位不依托信号振幅。
七 TOFD技术与常规X射线检测技术相比，重要不同点
7.1 TOFD检测成果与射线检测成果都是以二维图像显示，不同是TOFD能对缺陷深度和自身高度进行精准测量，而射线只能得到缺陷俯视图信息，对于判断缺陷危害性限度重要指标，厚度方向长度，射线是很困难
7.2 TOFD技术可探测厚度大，对厚板探伤效果比较明显，但射线对厚板穿透能力非常有限
7.3 TOFD技术检测缺陷能力非常强，特殊探伤方式使其具备相称高检出率，约90%左右，而相比之下，射线检测检出率稍低大概75%，在实际工作中，咱们也发既有TOFD检测出来缺陷，X射线未能发现状况，这给质量控制带来了极大隐患。
7.4 TOFD技术所采集是数据信息，可以进行多方位分析，甚至可以对缺陷进行立体复原。这是由于TOFD技术是将扫查中所有原始信号都进行了保存，在脱机分析中咱们可以运用计算机对这些原始信号进行各种各样分析，以得出更加精准缺陷判断成果；而射线检测只能将射线底片置于观片灯迈进行分析，不可以再进一步运用软件对缺陷进行更加全面分析。
7.5 TOFD技术是运用超声波进行探伤，对检测时工作环境没有特殊规定。超声波检测是一种环保检测方式，对使用人员没有任何伤害，因此在工作场合不需要特殊安全保护办法；而射线检测因其放射危害性受到国家政策严格控制，现场只能单工种工作，减少了检测工作效率，阻碍了整个工程进度。
7.6 TOFD检测操作简朴，扫查速度快，检测效率高；而射线检测过程繁琐，耗时长，效率低下。
7.7 TOFD检测成本低，重复成本少；而射线检测，建造暗室需要较高投入，平时工作中耗材成本重复发生，综合成本相对较高