TOFD驗收標準的分析與比較

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(1.中國船級社實業(yè)公司青島分公司，青島 266071;2.上海華錦質(zhì)量檢測技術(shù)有限公司，上海 201900;3.中興海陸工程有限公司，大連 116000;4.煙臺中集來福士海洋工程有限公司，煙臺 264000)

1 TOFD概述

與常規(guī)的超聲脈沖反射法有所不同，衍射時差技術(shù) (TOFD)采用雙探頭工作，一個探頭起發(fā)射作用，另一個探頭起接收作用，依靠從被檢件中不連續(xù)“端角”或“端點”處得到的衍射信號來確認和檢測不連續(xù)，需要使用未檢波的A掃信號來顯示相位的變化。TOFD法使用脈沖傳播時間來定量，而常規(guī)超聲使用脈沖回波幅度對缺欠大小做定量測定。TOFD深度定量不依賴于信號波幅，其誤差也與波幅無關(guān)。TOFD技術(shù)可用于材料檢測、不連續(xù)定位和定量。

2 TOFD相關(guān)標準

隨著TOFD技術(shù)的發(fā)展，各國也頒布了相關(guān)檢測標準。

1993年，英國頒布了BS 7706-1993《用于缺欠檢測、定位、定量的超聲TOFD技術(shù)的校準及設(shè)置指南》標準，這是世界上TOFD檢測的首個應(yīng)用標準，標準中要求使用TOFD技術(shù)對不連續(xù)進行檢測、定位、定量的校準及設(shè)置。隨后歐盟頒布了EN 583-6《無損檢測-超聲檢測-第6部分：TOFD作為一種不連續(xù)檢測和定量的方法》標準，其詳細介紹了TOFD基本原理和方法。2005年，荷蘭頒布了NEN 1882 《TOFD檢測的驗收標準》。2009年歐盟出版了EN 15617《焊縫TOFD檢測驗收等級》標準，隨后ISO于2011年出版了《焊縫無損檢測-衍射時差技術(shù)-驗收等級》第1版,并于2018年進行了修訂升版。

ASME壓力容器與鍋爐規(guī)范在1995版中提出了使用計算機成像技術(shù)，其中包含了TOFD檢測的要求, ASME壓力容器與鍋爐規(guī)范案例2235(ASME BPVC CC2235)《使用超聲檢測代替射線檢測》 中提出了自動超聲檢測的基本要求，其中包括了TOFD技術(shù)要求。ASTM于2004年頒布了E 2373《超聲TOFD技術(shù)的實踐指南》。

國家質(zhì)監(jiān)總局2009年頒布了GB/T 23902-2009 《無損檢測 超聲檢測 超聲衍射聲時技術(shù)檢測和評價方法》，修改采用了ENV 583-6 《無損檢測 超聲波檢驗 第6部分：作為檢測和不連續(xù)性分級方法的飛行時間衍射技術(shù)》。國家能源局于2010年頒布了DL/T 330《水電水利工程金屬結(jié)構(gòu)及設(shè)備焊接接頭衍射時差法超聲檢測》以及NB/T 47013.10-2010(JBT 4730.10)《承壓設(shè)備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測》。

3 分析與比較

NB/T 47013.10與ASME壓力容器與鍋爐規(guī)范案例2235都提出了TOFD檢測方法和驗收的要求，而ISO 15626 《焊縫無損檢測-衍射時差(TOFD)技術(shù)-驗收等級》僅僅是TOFD驗收標準，不涉及到檢測方法要求。單就TOFD焊縫檢測驗收而言，目前國內(nèi)產(chǎn)品應(yīng)用較多的是NB/T 47013.10標準，國際上或出口產(chǎn)品應(yīng)用較多的是ISO 15626和ASME壓力容器與鍋爐規(guī)范案例2235。

3.1 適用范圍

NB/T 47013.10適用于材料為低碳鋼和低合金鋼的全熔透對接焊縫，工件厚度范圍是12～400 mm，檢測區(qū)域?qū)挾葹楹缚p及兩側(cè)熔合線向外各10 mm。

ASME BPVC CC2235的適用范圍是板厚在13～300 mm及以上的鍋爐和壓力容器全熔透焊縫。檢測區(qū)域?qū)挾扰c板厚相關(guān)，當材料厚度T不大于200 mm時，檢測區(qū)域?qū)挾葢?yīng)包括整個焊縫及焊縫兩側(cè)各25 mm或材料厚度T兩者中的較小值，當材料厚度T大于200 mm時，檢測區(qū)域?qū)挾葢?yīng)包括整個焊縫及焊縫兩側(cè)各50 mm的范圍?；蛘?，檢測區(qū)域可減小到焊縫加兩側(cè)實際熱影響區(qū)(HAZ)再加6 mm。

ISO 15626標準中規(guī)定的適用范圍是板厚為6～300 mm的鐵素體鋼全熔透焊縫。檢測區(qū)域?qū)挾葹楹缚p及兩側(cè)熔合線向外各10 mm或?qū)嶋H熱影響區(qū)寬度兩者中的較大者。

3.2 不連續(xù)的分類

NB/T 47013.10中不連續(xù)的分類有表面開口型和埋藏型。其中表面開口型又分為掃查表面開口型，底面開口型以及穿透型。掃查表面開口型不連續(xù)只能觀察到下端點衍射信號，底面開口型只能觀察到上端點衍射信號，穿透型為直通波與底面反射波同時減弱，壁厚方向有多處衍射信號。埋藏型分為點狀不連續(xù)，線狀不連續(xù)和條狀不連續(xù)。點狀不連續(xù)形狀為雙曲線弧狀，其與擬合弧形光標相重合，長度和高度不可測量；線狀不連續(xù)形狀為細長狀，高度不可測量；條狀不連續(xù)形狀為長條狀，在上、下兩端有衍射信號產(chǎn)生，可測量長度與高度。

ASME BPVC CC2235不連續(xù)的分類有表面型和埋藏型。埋藏型是內(nèi)部不連續(xù)，但是如果內(nèi)部不連續(xù)到被檢表面的距離不大于不連續(xù)在厚度方向尺寸的二分之一時，此不連續(xù)應(yīng)當作為表面不連續(xù)。這與其他標準的定義是不一致的。

ISO 15626中不連續(xù)分為表面開口不連續(xù)和埋藏型不連續(xù)。表面開口不連續(xù)是連接到近表面(掃查面)或遠表面(對面)的不連續(xù)。埋藏型不連續(xù)是不與表面相連，位于材料內(nèi)部的不連續(xù)。細長型直不連續(xù)是指在壁厚方向尺寸較小的不連續(xù)。細長型彎曲不連續(xù)是指在壁厚方向有較大尺寸的不連續(xù)。

3.3 不連續(xù)尺寸的位置和確定

NB/T 47013.10中不連續(xù)的尺寸位置包括不連續(xù)在x軸的位置、長度、深度和自身高度。ASME BPVC CC2235不連續(xù)尺寸位置包括不連續(xù)在x軸的位置，長度和自身高度。ISO 15626中不連續(xù)尺寸位置包括不連續(xù)在x軸的位置、長度和自身高度。

3.3.1 NB/T 47013.10中不連續(xù)尺寸的位置和確定

(1) 不連續(xù)在x軸的位置。一般使用擬合弧形光標法確定缺欠沿x軸方向的前、后端點位置。用擬合光標與點狀不連續(xù)重合時的數(shù)值代表點狀不連續(xù)在x軸位置。對于其他類型不連續(xù)，應(yīng)分別測定其前、后端點位置，可采用擬合弧形光標與相關(guān)不連續(xù)的端點重合時所得的位置作為不連續(xù)在x軸上的位置。

(2) 長度。不連續(xù)長度可根據(jù)不連續(xù)前、后端點在x軸上的位置計算而得。

(3) 深度。掃查面開口型和穿透型的不連續(xù)深度為0，底面開口型不連續(xù)上端點與掃查面間的距離為缺欠深度。埋藏型不連續(xù)中，點狀不連續(xù)擬合光標與點狀不連續(xù)重合時不連續(xù)的深度為其深度，線狀不連續(xù)和條狀不連續(xù)的上端點與掃查面間的距離為不連續(xù)深度。

(4) 自身高度。表面開口型缺欠不連續(xù)的自身高度為表面與缺欠上端點或下端點之間的最大距離。穿透型缺欠的自身高度為工件厚度。埋藏型條狀缺欠的自身高度為缺欠上端點與下端點之間的最大距離。

(5) 相鄰兩個或多個缺欠顯示(非點狀)，其在x軸方向間距小于其中較小的缺欠長度，且在z軸方向間距小于其中較小的缺欠自身高度時，應(yīng)作為一條缺欠處理。該缺欠深度、長度及缺欠自身高度按如下原則確定：① 缺欠深度：以兩缺欠深度較小值作為單個缺欠深度;② 缺欠長度：兩缺欠在x軸上投影的前、后端點間的距離;③ 缺欠自身高度：若兩缺欠在x軸投影無重疊，以其中較大的缺欠自身高度作為單個缺欠自身高度，若兩缺欠在x軸投影有重疊，則以兩缺欠自身高度之和作為單個缺欠的自身高度(間距計入)。

3.3.2 ASME BPVC CC2235中不連續(xù)尺寸的位置和確定

ASME BPVC CC2235中未規(guī)定具體的定量規(guī)則，需要檢測方按照CC2235要求，在演示試塊中預(yù)埋相應(yīng)尺寸的不連續(xù)。在編制程序時，應(yīng)確定定量規(guī)則。程序演示時，根據(jù)程序的要求演示對預(yù)埋不連續(xù)的定量方法。不連續(xù)尺寸應(yīng)可以用矩形框住不連續(xù)的所有區(qū)域。不連續(xù)的長度應(yīng)平行于工件內(nèi)表面。不連續(xù)在厚度方向的尺寸應(yīng)垂直于表面，對于表面型不連續(xù)，高度為a，埋藏型不連續(xù)高度為2a。

3.3.3 ISO 15626中不連續(xù)尺寸的位置和確定

(1) 長度：長度是不連續(xù)在x方向上的差值。單個細長型直不連續(xù)在厚度方向產(chǎn)生明顯的變化，測量時把雙曲線光標擬合在不連續(xù)上，只有當不連續(xù)的兩個端頭能與雙曲線光標擬合良好時，這兩端之間的距離才能被認為是不連續(xù)的長度。單個細長型彎曲不連續(xù)在厚度方向產(chǎn)生明顯的變化，測量時不連續(xù)的兩端在沿不連續(xù)厚度方向時間延遲的三分之一處，把雙曲線光標放在不連續(xù)的兩端，這兩端之間的距離才能被認為是不連續(xù)的長度。

圖1 時間測量的光標位置(4種方法)

(2) 自身高度：高度是在任意x軸上的位置，z軸方向上的最大差值。表面開口型不連續(xù)的自身高度為表面與缺欠上(或下)端點間最大距離。表面開口不連續(xù)的高度由直通波與下尖端衍射信號幅值的最大差值決定。對于一個背面開口不連續(xù)，不連續(xù)的高度由上尖端衍射信號與背面回波幅值的最大差值決定。埋藏型不連續(xù)的高度由同一x軸向某位置的上端衍射信號與下尖端衍射信號幅值的最大差值決定。穿透型缺欠自身高度為工件厚度。ISO 15626提供了4種高度測量方法(見圖1)，測量在A掃上進行，需在信號的同一位置，并需要考慮相位反轉(zhuǎn)。這4種方法的具體要求為：① 方法1：測量信號前沿之間的穿越時間；② 方法2：測量信號第一個波峰之間的穿越時間；③ 方法3：測量信號最大幅度之間的穿越時間；④ 方法4：測量信號第一個零值交點之間的穿越時間。

(3) 群不連續(xù)。評定群不連續(xù)時應(yīng)不考慮點狀不連續(xù)以及高度小于h1的單個不連續(xù)。群不連續(xù)的評定是基于單個不連續(xù)的尺寸以及不連續(xù)的間距。一個群不連續(xù)的長度和尺寸將不可用于其他群不連續(xù)的評定。出現(xiàn)下列情況時，一個群不連續(xù)可作為單個不連續(xù)評估：沿著焊縫的兩個單個不連續(xù)之間的間距小于較長不連續(xù)的長度;兩個不連續(xù)在焊縫厚度方向上的間距小于高度較大的不連續(xù)的高度。對于一個群不連續(xù)，總高度hg定義為單個不連續(xù)的高度加上其之間間距的總和，總長度lg定義為單個不連續(xù)的長度加上其之間間距的總和。

3.4 驗收等級

3.4.1 NB/T 47013.10驗收等級

NB/T 47013.10中的驗收等級有三個質(zhì)量等級，即1級，2級和3級。其中，1級要求最高，3級要求最低。評定時按照點狀，條狀(包括密集型點狀)顯示分別評定。不允許危害性表面開口缺欠的存在。對于判斷缺欠類型為裂紋、坡口未熔合的危害性缺欠，評為Ⅲ級。當各類缺欠評定的質(zhì)量級別不同時，以質(zhì)量級別最低的作為焊接接頭的質(zhì)量級別。

(1) 點狀顯示用評定區(qū)進行質(zhì)量分級評定，評定區(qū)為一個與焊縫平行的矩形截面，其沿x軸方向的長度為100 mm，沿z軸方向的高度為工件厚度。在評定區(qū)內(nèi)或與評定區(qū)邊界線相切的缺欠均應(yīng)劃入評定區(qū)內(nèi)，按表1的規(guī)定評定焊接接頭的質(zhì)量級別。

表1 NB/T 47013.10中各級別允許的點狀顯示的個數(shù)

(2) 非點狀缺欠顯示的質(zhì)量分級要求按表2的規(guī)定進行。

3.4.2 ASME BPVC CC2235驗收規(guī)范

ASME BPVC CC2235沒有驗收等級的區(qū)分。其驗收時按照不同的板厚，不連續(xù)的類型進行。驗收規(guī)范見表3～5。

表2 NB/T 47013.10中焊接接頭質(zhì)量分級 mm

表3 ASME BPVC CC2235中焊縫厚度從13 mm到小于25 mm的缺欠驗收規(guī)范

注：(1)t指包括任何允許的焊縫余高的焊縫厚度。對于對接接頭，當焊縫兩側(cè)厚度不同時，取較小值。如果全熔透的焊縫中含有角焊縫，則角焊縫的厚度也應(yīng)包括在t中。(2) 如果埋藏缺欠到表面的距離小于或等于厚度方向尺寸的一半，則應(yīng)作為表面缺欠。

3.4.3 ISO 15626驗收等級

ISO 15626中的驗收等級劃分是根據(jù)焊縫質(zhì)量等級要求，將其分為1級，2級和3級的，其中1級要求最高，3級要求最低。針對檢測中發(fā)現(xiàn)的單個不連續(xù)，不連續(xù)累計和點狀不連續(xù)，分別進行評定。對于不等厚焊縫接頭檢測，驗收等級應(yīng)基于兩塊中較薄的板厚。對于承受動載荷或有開裂傾向的焊縫，應(yīng)規(guī)定更嚴格的近表面驗收等級或應(yīng)用其他無損檢測方法。

表4 ASME BPVC CC2235中焊縫厚度從25 mm到300 mm的缺欠驗收規(guī)范

注：(1)t指包括所有允許余高的焊縫厚度。對于有不同厚度的對接焊縫，t取這兩個厚度的較小值。如果全焊透的焊縫含有角焊縫，則角焊縫的厚度也應(yīng)包括在t中。(2) 如果埋藏缺欠到表面的距離小于或等于厚度方向尺寸的一半，則應(yīng)作為表面缺欠。(3) 如果驗收規(guī)范表中缺欠長度l小于6.4 mm，則用6.4 mm作為可接受的缺欠長度。(4) 對于64 mm

表5 ASME BPVC CC2235中焊縫厚度大于300 mm的缺欠驗收規(guī)范 mm

注：(1) 對于缺欠表觀比率a/l處于其他值時，可以采用內(nèi)插法。(2)t指包括所有允許余高的焊縫厚度。對于有不同厚度的對接焊縫，t取這兩個厚度的較小值。如果全焊透的焊縫含有角焊縫，則角焊縫的厚度也應(yīng)包括在t中。(3) 如果埋藏缺欠到表面的距離小于或等于厚度方向尺寸的一半，則應(yīng)作為表面缺欠。

(1) 單個不連續(xù)。驗收等級的要求見表6～8。

(2) 不連續(xù)的累計長度

對于沿著焊縫12t長度內(nèi)的所有高度超過h1的單個不連續(xù)的累計長度應(yīng)該不大于：① 驗收等級

表6 ISO 15626中驗收等級1級的要求 mm

注a:當檢測到表面開口不連續(xù)，分辨率不足以分辨深度時，應(yīng)使用其他方法或技術(shù)來確定可接受性;如果無法使用其他方法或技術(shù)，所有的表面開口不連續(xù)應(yīng)被視為不可接受。

注b:高度小于h1的不連續(xù)不予考慮。

表7 ISO 15626中驗收等級2級的要求 mm

注a：當檢測到表面開口不連續(xù)，分辨率不足以分辨深度時，應(yīng)使用其他方法或技術(shù)來確定可接受性；如果無法使用其他方法或技術(shù)，所有的表面開口不連續(xù)應(yīng)被視為不可接受。

注b：高度小于h1的不連續(xù)不予考慮。

表8 ISO 15626中驗收等級3級的要求 mm

注a：當檢測到表面開口不連續(xù)，分辨率不足以分辨深度時，應(yīng)使用其他方法或技術(shù)來確定可接受性；如果無法使用其他方法或技術(shù)，所有的表面開口不連續(xù)應(yīng)被視為不可接受。

注b：高度小于h1的不連續(xù)不予考慮。

1: 3.5t，最大150 mm;② 驗收等級2: 4.0t，最大200 mm;③ 驗收等級3: 4.5t，最大250 mm。

(3) 點狀不連續(xù)

對于所有驗收等級，在任何150 mm焊縫長度內(nèi)，單個衍射信號(點狀不連續(xù))的最大數(shù)量N可由N=1.2t計算給出，其中N取較大的整數(shù)，t為板厚(單位為mm)。

4 結(jié)語

通過這幾個驗收標準的分析和比較，現(xiàn)場檢測人員能夠理解標準內(nèi)容以及各標準之間的差異，為檢測結(jié)果的正確評定奠定了基礎(chǔ)。