TOFD偏置非平行掃查缺陷檢出的有效性

錢立峰，梁孟軒

（1.海油發(fā)展安全環(huán)保分公司 工程監(jiān)理公司，天津300345;2.西安科技大學(xué)，西安710054）

TOFD偏置非平行掃查缺陷檢出的有效性

錢立峰1，梁孟軒2

（1.海油發(fā)展安全環(huán)保分公司 工程監(jiān)理公司，天津300345;2.西安科技大學(xué)，西安710054）

為研究TOFD偏置非平行掃查對(duì)缺陷檢出的有效性，制作了圓錐孔深分別為5 mm，8 mm，13 mm，20 mm和25 mm的人工缺陷對(duì)比試塊，并在試塊上進(jìn)行了TOFD偏置非平行掃查檢測(cè)。檢測(cè)圖譜分析結(jié)果表明，移除底波后，TOFD偏置非平行掃查可以對(duì)所有圓錐孔有效檢出，但缺陷深度超過8 mm時(shí)，深度測(cè)量誤差迅速增大。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的TOFD偏置非平行掃查檢測(cè)，當(dāng)測(cè)量缺陷深度超過8 mm時(shí)，應(yīng)輔以常規(guī)超聲檢測(cè)對(duì)缺陷進(jìn)行定位。

無損檢測(cè)；TOFD；偏置非平行掃查；對(duì)比試塊；常規(guī)超聲檢測(cè)

1 概 述

目前TOFD檢測(cè)已在石油、化工、電力等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1-2]，與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)方法相比，TOFD檢測(cè)具有檢測(cè)速度快、定量精度高、定位準(zhǔn)確（精度可達(dá)1 mm）等優(yōu)點(diǎn)。用TOFD代替射線對(duì)厚壁焊縫進(jìn)行檢驗(yàn)，可明顯提高工作效率，降低安裝成本[3]。TOFD檢測(cè)的掃查方式分為非平行掃查、偏置非平行掃查及平行掃查[4]。在現(xiàn)場(chǎng)安裝及檢測(cè)過程中，由于結(jié)構(gòu)條件限制，部分焊接接頭僅能夠進(jìn)行偏置非平行掃查，且探頭緊靠焊縫熔合線[5]，如圖1所示，這就增加了缺陷的檢出率以及準(zhǔn)確定位的難度。本研究通過試驗(yàn)，對(duì)該情況下缺陷的檢出性及缺陷的定位進(jìn)行了分析，以期能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工藝的制定有所幫助。

圖1 彎頭與直管段對(duì)接TOFD檢測(cè)示意圖

2 試驗(yàn)設(shè)備

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)

試驗(yàn)采用以色列ISONIC公司生產(chǎn)的八通道TOFD檢測(cè)系統(tǒng)，本試驗(yàn)僅開通單通道進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 試驗(yàn)用試塊

試驗(yàn)材料采用45#鋼，試塊規(guī)格為300 mm×200mm×30mm。在試塊上等距離加工5個(gè)φ3 mm的圓錐底孔，編號(hào)分別為1#～5#，孔的深度分別為25 mm，20 mm，13 mm，8 mm和5 mm。試塊的規(guī)格及錐孔定位如圖2所示。

圖2 試塊的規(guī)格及錐孔定位示意圖

2.3 探頭及耦合劑

依據(jù)NB/T 47013.10—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》[6]選擇探頭參數(shù)，采用楔塊角度60°、探頭頻率5 MHz、晶片尺寸φ12 mm的縱波斜探頭進(jìn)行檢測(cè)，耦合劑選用化學(xué)漿糊。

3 試驗(yàn)方法

掃查方式如圖3所示。依據(jù)工件厚度計(jì)算探頭間距P=69.28 mm。調(diào)節(jié)儀器，測(cè)定探頭延時(shí)5.46 μs，探頭前沿距離為8.5 mm，根據(jù)P值調(diào)節(jié)探頭間距，分別對(duì)試塊進(jìn)行非平行掃查及偏置非平行掃查，偏置非平行掃查時(shí)探頭緊靠缺陷。

圖3 掃查方式示意圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

TOFD非平行掃查的掃描圖像如圖4所示。從圖4可以明顯看出1#～5#孔的缺陷圖像特征，其中1#～3#孔經(jīng)過軟件濾除直通波處理后可明顯發(fā)現(xiàn)缺陷的上下端點(diǎn)，均呈拋物線特征，4#和5#孔的上下端點(diǎn)分辨度不高，在檢測(cè)圖譜中呈單個(gè)拋物線特征。利用軟件對(duì)1#～5#孔進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見表1。由表1可見，孔深≥13 mm，深度測(cè)量的誤差小于0.2 mm；孔深5 mm和8 mm時(shí)，測(cè)量誤差較大，為1～2 mm。

圖4 TOFD非平行掃查圖像

表1 不同掃查方式下人工孔的測(cè)量深度

1#～5#孔的TOFD偏置非平行掃查的圖像如圖5所示。將圖5和圖4對(duì)比可以看出，1#～2#孔在底波以上不能看到下端點(diǎn)衍射信號(hào)，但仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，在與上端點(diǎn)信號(hào)垂直位置的底波下部產(chǎn)生拋物線狀變形。利用軟件移除底波后，可以發(fā)現(xiàn)其下端點(diǎn)衍射信號(hào)，1#～4#上下端點(diǎn)的拋物線信號(hào)特征均不如圖4明顯，但5#孔的信號(hào)特征強(qiáng)于圖4，利用軟件對(duì)偏置非平行掃查下孔的深度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表1。

由表1可見，偏置非平行掃查時(shí)，1#～3#孔的測(cè)量誤差明顯增大，在一定深度范圍內(nèi)（本試驗(yàn)為≤13 mm），隨著缺陷深度增加，測(cè)量誤差增大，最大值為2.5 mm，但超過一定深度（本試驗(yàn)≥20 mm），深度測(cè)量誤差沒有規(guī)律性。

圖5 TOFD偏置非平行掃查圖像

5 分析與討論

NB/T 47013.10—2015規(guī)定，探頭聲束在所檢測(cè)深度范圍內(nèi)相對(duì)聲束軸線處的聲壓幅值下降不應(yīng)超過12 dB，利用該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)測(cè)探頭－12 dB時(shí)的下擴(kuò)散角為47°，上擴(kuò)散角為83°，探頭聲束的覆蓋范圍如圖6所示。由圖6可見，聲束僅能完成對(duì)深度8 mm以上的缺陷的覆蓋，理論上8 mm深度以下缺陷不能檢出，但實(shí)際13 mm深度缺陷仍能有效發(fā)現(xiàn)，只是衍射信號(hào)強(qiáng)度略微變?nèi)?。說明缺陷即使位于－12 dB下擴(kuò)散角以外，其衍射信號(hào)仍能被接收探頭有效發(fā)現(xiàn)，又因?yàn)榕c底波相等的時(shí)間軌跡是以兩個(gè)探頭為焦點(diǎn)的橢圓（見圖6中藍(lán)色虛線），致使深度處于橢圓以下的缺陷波傳播時(shí)間要大于底波時(shí)間，造成缺陷被隱藏，深度測(cè)量誤差明顯增大[7-8]?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際偏置非平行掃查檢測(cè)過程中，移除底波進(jìn)行觀察，可大大提高缺陷的檢出率[9]。另外在本試驗(yàn)條件下，對(duì)軟件測(cè)量深度8 mm以下的缺陷，深度測(cè)量誤差較大，應(yīng)采用常規(guī)超聲進(jìn)行輔助定位。

圖6 偏置非平行掃查－12 dB擴(kuò)散角示意圖

由圖6可見，靠近TOFD探頭，－12 dB擴(kuò)散角聲束對(duì)近表面的缺陷覆蓋范圍增大，因此近表面缺陷的衍射信號(hào)強(qiáng)度及深度測(cè)量誤差均優(yōu)于非平行掃查模式下近表面缺陷的檢測(cè)。TOFD相關(guān)文獻(xiàn)中也指出，提高近表面缺陷檢出能力的方法之一為縮小探頭間距[10]，本試驗(yàn)結(jié)論與其一致。

6 結(jié) 論

（1）TOFD偏置非平行掃查可以對(duì)－12 dB擴(kuò)散角聲束覆蓋范圍以外的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，移除底波對(duì)檢測(cè)圖譜進(jìn)行觀察，可明顯提高缺陷的檢出率。

（2）與非平行掃查相比，偏置非平行掃查對(duì)軟件測(cè)量深度超過8 mm的缺陷，其深度定位誤差較大，應(yīng)輔以常規(guī)超聲進(jìn)行深度定位，且該結(jié)論與探頭楔塊角度和探頭前沿等參數(shù)相關(guān)。

［1］余國民.超聲TOFD法在無損檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].焊管， 2007， 30（6）： 39-40.

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［3］汪明輝，肖愛武.TOFD方法對(duì)焊接缺陷的檢測(cè)能力[J].無損檢測(cè)， 2014， 36（7）： 75-78.

［4］伊新.TOFD檢測(cè)技術(shù)基本原理及其應(yīng)用探討[J].中國化工裝備， 2008（2）： 109-111.

［5］胡先龍，季昌國.衍射時(shí)差法超聲波檢測(cè)[M].北京：中國電力出版社，2015：95-97.

［6］NB/T 47013.10—2015，承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)[S].

［7］伍衛(wèi)平，范欽紅.TOFD檢測(cè)中軸偏離缺陷方位參數(shù)的測(cè)量誤差[J].無損檢測(cè)，2014，28（9）：28-33.

［8］林乃昌，楊曉翔.基于拋物線擬合的TOFD圖像缺陷檢測(cè)[J].焊接學(xué)報(bào)， 2014， 35（6）： 35-39.

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Research on the Test Effectiveness of TOFD Offset-scan for Defects

QIAN Lifeng1，LIANG Mengxuan2
（1.CNOOC Energy Technology&Services QHSE Branch Company Project Supervision Company,Tianjin 300345,China;2.Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China）

In order to study the detection efficiency of the TOFD off-scan mode,the reference block with different depth conical holes as 5 mm，8 mm，13 mm，20 mm，25 mm were processed.TOFD offset-scan was implemented on the block and the tested graph was studied.The test result showed that the holes can be detected efficiently after the bottom wave removed.But the depth measurement deviation increase rapidly when the actual depth greater than 8 mm.The normal ultrasonic testing should be used to determine the defect depth for on-site TOFD offset-scan detecting.

nondestructive testing;TOFD；offset-scan；reference block；conventional ultrasound testing

TG441.7

B

1001－3938（2015）12-0055-03

錢立峰（1973—），男，天津塘沽人，石油大學(xué)石油工程研究生畢業(yè)，高級(jí)工程師，主要從事項(xiàng)目管理及工程質(zhì)量控制研究。

2015-08-24

修改稿收稿日期：2015-10-30

謝淑霞