超聲TOFD技術在管道環(huán)焊縫檢測中的應用

孫曉波

西安三環(huán)科技開發(fā)總公司 陜西西安 710000

超聲衍射時差法主要是通過從缺陷的端角和端點的地方獲得衍射能量來檢測毛病，通過在缺陷末端產生的衍射信號之間的時間差來定位和量化缺陷。因為該技術具有檢測速度快、定量準確度高、定位精確(精度達到1mm)和確定缺陷尺寸等優(yōu)勢，不但可以得到射頻A型波形圖，還能夠獲得B掃描圖像，最后得到的結果更直觀，這項技術被廣泛運用到焊縫檢測。但目前為止，TOFD技術仍然處于研發(fā)階段，還存在不少缺陷。

1 TOFD技術知識

1.1 基本原理

超聲TOFD檢測技術是以波形衍射為基礎，從物理學的角度可知：當障礙物或孔的尺寸小于或類似于波長時，發(fā)生顯著的衍射。當超聲波作用于長裂紋缺陷時，在裂縫間隙和拐角處產生衍射波，并且接收探針接收衍射波。檢測技術和傳統(tǒng)的超聲檢測技術有所不同，它使用兩個探頭來探測，由反射探頭和接收探頭組成。在檢測時，把探頭對稱地置于在被檢縫的兩側，聲束可以包含整個檢測范圍，主機控制發(fā)射探頭發(fā)射超聲脈沖入射在檢測到的干燥的橫截面上，在碰到缺陷之后產生反射波和衍射波。探頭接收反射波和衍射波，并測量穿透波，衍射波的傳播時間，并使用三角形方程來定位和量化缺陷[1]。通常，接收探頭先收到沿著工件表面?zhèn)鞑サ耐ㄟ^，然后分別接收缺陷上端和下端的衍射波，最后接收后壁回波。

1.2 國外的研究

自從該技術被認可以后，對于它的研究一直是一個熱點。有學者做出大量對比試驗研究所得，相比傳統(tǒng)方法而言，超聲TOFD法具有更高的檢測率。在對于壓力容器的檢測時，超聲TOFD法可以代替其他的方法。也有學者研究利用霍夫變換算法，在提高圖像分辨率方面提取并討論了在高噪聲背景下B掃描圖像中的裂紋末端衍射信號。也有學者利用合成孔徑聚焦原理處理B掃描圖像，建立數學模型，實現(xiàn)B掃描圖像的重建，以提升圖像的水平分辨率。

1.3 國內的研究

上個世紀九十年代，TOFD技術被我國研究者所關注，并且慢慢的運用到實際工程當中。2000年時，在西氣東輸工程中，是我國對于該技術的最早的應用。之后我國特檢院成立了該課題組，對TOFD技術加深了研究。將超聲TOFD技術代替了很多傳統(tǒng)的檢測工藝，很大范圍的檢測項目都運用該技術來進行檢測。2006年，中國的水電行業(yè)，在三峽工程中，采用了TOFD技術來代替射線技術，得到了不錯的檢測效果。2007年國家質監(jiān)局發(fā)布有關規(guī)定，對于制造厚度較大的壓力容器，能夠采用TOFD技術來取代射線來檢測[2]。近幾年來，在國家質檢總局的核準下，TOFD技術已經成功的運用到石油化工、煤化工、冶金等行業(yè)的上百種特種設備的制造安裝檢測。

2 TOFD技術應用優(yōu)缺點

2.1 技術應用

TOFD技術主要有兩種應用：首先，使用該技術，檢測工件內部是否存在缺陷，可以將內部缺陷定量得十分精準，相比較常規(guī)得手工超聲波檢測，TOFD技術的精確度遠遠的高于它。通常情況下，TOFD技術對于線性缺陷或面積型缺陷的測量誤差十分的小，誤差可小于一毫米以下，對于裂紋和未溶合的缺陷測量誤差就更小了，僅僅是零點幾毫米。其次，TOFD技術也可以應用到監(jiān)控裂紋的擴展，能夠精準高效地測量裂紋的增長。

2.2 技術優(yōu)勢

和傳統(tǒng)的超聲檢測技術相比，TOFD檢測技術具有更高的可靠性，檢出率和精確度十分高，并且運行的費用較低。TOFD技術可以發(fā)現(xiàn)任何方向上的缺陷，不論探頭的入射角度如何，對檢測都沒有影響；TOFD技術對于工件缺陷的深度尺寸上的定位并不依賴于信號的振幅，而是和衍射時差有關。常規(guī)的超聲檢測技術是不能測出缺陷的高度的，但是這對于TOFD技術來說可以準確地測量出高度，它對于裂紋等缺陷十分的敏感，在現(xiàn)場操作時候對現(xiàn)場的要求簡單，通過TOFD技術可以將焊縫的結果利用圖像來表現(xiàn)出來，并將這些圖像保存下來以供以后的分析[3]。

2.3 技術局限

TOFD技術同樣存在一定的不足之處，比如說在檢測焊縫的上表面和下表面存在幾毫米的表面盲區(qū)，這是因為TOFD的通過波和底面的反射波都有一定的寬度，造成了這盲區(qū)的存在，使得如果盲區(qū)內存在缺陷不容易被發(fā)現(xiàn)。所以在檢測厚度比較下的情況下，超聲TOFD技術就顯得有些劣勢。還有在檢測是要求兩探頭要對稱放置在焊縫兩側，所以這被檢測的共建就需要是比較規(guī)則的。TOFD技術在應用時，可以做到區(qū)分上表面開口、下表面開口和埋藏缺陷，然而卻很難做到精確的識別缺陷的性質。對于粗晶體材料，TOFD技術檢測就很困難，必須要將頻率和數字信號參數進行修正。還有一點就是TOFD技術檢測對工作人員的要求較高，需要工作人員具有相應的圖像識別和判讀檢測的知識。TOFD的儀器調節(jié)過程十分復雜，儀器調節(jié)的準確性和工件表面粗糙的程度對于檢測結果影響較大。

3 結語

通過眾多的研究可得知，TOFD方法相比較于其他的檢測方法，自身存在著很多優(yōu)勢，這讓很多國家和企業(yè)都參與到對其的研究工作中。TOFD技術正是因為其可靠性高、測量精確度高、測出率較高以及運行使用的費用較低等眾多優(yōu)勢，被越來越多的行業(yè)所接受，并在很廣的范圍內使用。在大壁厚設備的檢測當中，TOFD檢測法的優(yōu)勢就較為明顯，通過和射線法檢測相比，不難看出超聲TOFD技術的獨特優(yōu)勢，大壁厚設備選取TOFD法來檢測將會成為將來的一個發(fā)展走向。