TOFD檢測連續(xù)尖角人工缺陷對比試塊的應用

裴延東，謝高偉， 馬昌全，楊興斌，孫文琦

(1.鄭州國電機械設計研究所有限公司，鄭州 450046；2.華電鄭州機械設計研究院有限公司，鄭州 450046；3.機械工業(yè)勘察設計研究院有限公司，西安 710043)

TOFD(超聲波衍射時差法)檢測技術具有檢測成本低、檢出率高、檢測結果直觀、檢測結果可永久保存、操作簡便等優(yōu)點，廣泛應用于厚壁壓力容器以及大厚壁承壓設備的無損檢測中[1]。與傳統(tǒng)射線檢測(RT)、超聲檢測(UT)技術相比，TOFD檢測技術具有檢測厚度范圍大、檢測靈敏度高、裂紋類缺陷敏感性強、缺陷高度定量精度高等優(yōu)勢[2-5]。

厚度分區(qū)檢測時，應采用對比試塊設置各通道檢測靈敏度，此時增益的回波主要來自于試塊人工反射體上、下尖端的信號，衍射信號的幅值與缺陷大小、檢測精度關系不大[6]。衍射信號主要是波在傳輸過程中遇到不連續(xù)，波前的一部分被阻擋或衰減產生的。平底孔的不連續(xù)對此效應的反應并不明顯，因此平底孔人工缺陷不很適用于TOFD檢測的波幅校準[6-7]，TOFD對比試塊不宜采用平底孔人工缺陷制作。

單參數TOFD檢測無法對厚壁容器進行完全有效覆蓋，因此應采用分層檢測法以避免漏檢[8],該方法也是目前厚板TOFD檢測的主流技術。相關標準要求檢測厚度大于50 mm的工件時應在厚度方向上采取分區(qū)檢測。NB/T 47013.10-2015標準提出了TOFD-A～TOFD-E對比試塊，其參數如表1所示。標準要求檢測前應在對比試塊上對A掃時間窗口的覆蓋性、合理性、深度校準以及掃查靈敏度進行驗證或校準。

表1 TOFD-A～TOFD-E試塊參數

由表1可知，隨著檢測產品厚度的增加，相應的對比試塊重量明顯變大，內部人工側孔反射體數量也隨之增加。

為此筆者特意設計、加工了適用于TOFD檢測的“連續(xù)尖角人工缺陷”對比試塊，并驗證其有效性。

1 TOFD 檢測試塊使用現狀

近年來，大型電站建設中所用壁厚為50～200 mm的工件越來越多，同樣壁厚大于100 mm且服役于高溫、高壓環(huán)境的反應容器越來越多，其壁厚最厚已達350 mm。筆者在電站第三方金屬監(jiān)督的工作中發(fā)現，在設置TOFD檢測工藝中A掃描時間范圍、相鄰聲束區(qū)覆蓋值、深度范圍內-12 dB聲束覆蓋有效性、分區(qū)通道靈敏度等參數時，大多數施工單位主要依靠計算和經驗進行，究其原因是TOFD檢測對比試塊配備不齊全，對標準沒有理解到位，這些均會直接影響檢測結果的可靠性。

筆者以TOFD-C試塊為例進行分析，該試塊結構如圖1所示。該對比試塊適用于厚度為12～100 mm的工件。觀察試塊結構，該試塊內部側孔人工反射體距上表面高度分別為4，8，12，25，40，60，80 mm，側孔人工反射體長度分別為30，45，60 mm，側孔直徑分別為2，3，4，5 mm。

圖1 TOFD-C試塊結構示意

以水電站常見的厚度t為66 mm的工件為例，按照NB/T47013.10-2015標準將該試件分成2個深度范圍進行分區(qū)檢測，上層厚度為26.4 mm(2t/5)，下層厚度為39.6 mm(3t/5)。檢測設備均采用頻率為5 MHz,晶片直徑為6 mm，楔塊延遲為5.45 μs的60°探頭對，經測試該探頭對-12 dB聲束上邊界角為85°，下邊界角為40°。該掃查參數對應的有效聲束覆蓋范圍如圖2所示(圖中Δh為一區(qū)深度的25%)，66 mm工件在TOFD-C對比試塊上的驗證結果如表2所示。

圖2 掃查參數對應的有效聲束覆蓋范圍示意

表2 66 mm工件在TOFD-C對比試塊上的驗證結果

檢測靈敏度可以采用對比試塊上對應檢測深度范圍內側孔衍射信號的波高來確定；在對比試塊上以設置好的參數進行數據采集，然后分析圖譜中和對比試塊中側孔深度、高度的差異，可簡單判斷系統(tǒng)的檢測誤差。

計算得到分區(qū)A掃時間參數后，對應深度范圍內的A掃波幅是否滿足標準NB/T 47013.10-2015規(guī)定(探頭聲束所在檢測深度范圍內相對聲束軸線處的聲壓下降差值小于12 dB)，通過TOFD-C對比試塊是很難對其進行驗證的。表2中深度覆蓋情況無法驗證是因為TOFD-C對比試塊上沒有深度為26.4，19.8 mm的孔。若存在PCS(探頭中心距離)調節(jié)誤差、時間參數計算錯誤、耦合情況變化等情況，可能會使A掃時間范圍發(fā)生變化，進而導致時間范圍與檢測深度不一致。如果時間窗口過小則可能造成漏檢，時間窗口過大會使設備處理數據的任務增大，影響數據采集率。

由圖2可知，陰影位置重合區(qū)域在工藝制定時應該為該探頭-12 dB聲束所對區(qū)域，隨著聲程的變大，信號會發(fā)生衰減，分辨力會降低，深度誤差也會變大。此時試塊上固定的聲程測算擴散角有效范圍是否會發(fā)生變化；聲束有效覆蓋區(qū)域是否能夠滿足向上覆蓋深度Δh(一區(qū)深度的25%)，都無法進行有效驗證。

在對厚板產品進行TOFD分區(qū)檢測時，檢測前應在試塊上對A掃描時間設置(分區(qū)內-12 dB聲束范圍的深度覆蓋、時間窗口合理性)、深度校準、靈敏度設置等進行工藝驗證，否則會影響產品的缺陷檢出率及檢測結果可靠性。因而制作出一種實用性強，價格便宜，便于加工的TOFD檢測分區(qū)用對比試塊是很有必要的。

2 連續(xù)尖角人工缺陷TOFD對比試塊的構想

當被檢工件內部有缺陷時，探頭接收到的波形依次為直通波、缺陷上尖端衍射波、缺陷下尖端衍射波、底面回波以及橫波信號或其他波型轉換信號[9]。根據TOFD檢測原理分析，TOFD檢測時必須準確測得衍射信號的到達時間，并將時間轉化為需要的缺陷深度。但是探頭中心距測量誤差、耦合層厚度、探頭對楔塊磨損等原因都會使檢測深度的誤差[10]，為了減少誤差，就應當在對比試塊上進行驗證。

考慮到衍射時差法檢測技術的原理，制作對比試塊時宜采用尖角缺陷。為此筆者設計了一種含有尖角缺陷的對比試塊，該缺陷尖角角度為60°，且該角度的選取可參考NB/T 47013.10-2015標準附錄D(規(guī)范性附錄)[7]，60°尖角缺陷結構如圖3所示(圖中h為尖角缺陷深度;W為尖角缺陷寬度)。

圖3 60°尖角缺陷結構示意

制作含有如圖3所示的尖角槽的對比試塊時[7]，對機加工要求較高,所以該對比試塊制作比較困難。為此，筆者采用電火花數控線切割機床加工一種連續(xù)尖角人工缺陷TOFD檢測新型對比試塊，其結構如圖4所示(圖中h′為人工反射體自身高度；h″為對比試塊高度)。

圖4 連續(xù)尖角人工缺陷TOFD檢測新型對比試塊結構示意

由圖4可知，該對比試塊內部有一個高度為3 mm的連續(xù)深度菱形尖角槽，該尖角槽上下尖角為60°，該人工反射體沿著試塊長度方向深度不斷加深。該人工反射體與水平方向存在一個已知的夾角α，且該夾角應在加工試塊前確定。該對比試塊應做到：① 每一個水平距離x位置下的人工反射體深度h已知；②h″值能覆蓋工件檢測厚度；③ 夾角α不易過小，宜在30°～45°之間，以控制對比試塊的合理長度。

在適用于TOFD技術的連續(xù)尖角人工缺陷對比試塊表面標上水平刻度，根據式(1)可以準確地計算某一深度h對應的水平位置x。并在試塊上表面將這一對應關系結果標出，以便于在驗證時準確得到探頭對中心位置x處人工反射體距上表面的高度h；可以得到。

(1)

適用于TOFD技術的連續(xù)尖角人工缺陷對比試塊外形垂直度和平行度應不大于0.05 mm，圖4所示上表面粗糙度不大于1.6 μm，其余面粗糙度不大于3.2 μm。人工反射體自身高度誤差應不大于±0.1 mm，人工反射體水平度誤差不大于0.05°。加工所述對比試塊的其他要求應符合標準JB/T 8428-2015和JB/T 10063-1999的規(guī)定。連續(xù)尖角人工缺陷TOFD技術分區(qū)用的對比試塊主要有以下功能：① 對A掃時間窗口覆蓋性及合理性進行驗證，保證時間窗口與預檢厚度一致，并驗證所在檢測深度范圍內相對聲束軸線處的聲壓下降差值；② 對分區(qū)內掃查靈敏度進行合理設置，以保證缺陷不漏檢；③ 對深度進行校準，保證后續(xù)圖譜中缺陷高度的測量準確性。

3 連續(xù)尖角人工缺陷對比試塊預期效果

3.1 A掃時間窗口覆蓋性驗證

TOFD檢測為了保證聲束有效地覆蓋預定的檢測深度，就要對A掃時間窗口進行正確設置并盡可能在試塊上驗證其覆蓋性。

當采用單通道檢測工藝時，A掃時間窗口為直通波-底波-變形波，這3個波形均可以在被檢工件上校準并確定。當采用分區(qū)檢測時要求相鄰分區(qū)在深度上能夠互相覆蓋，此時下區(qū)的時間窗口內應包含上區(qū)的檢測深度。檢測工藝參數制定后需對時間窗口起始、結束位置對應的檢測深度進行驗證。A掃時間窗口覆蓋位置如圖5所示。

圖5 A掃時間窗口覆蓋位置示意

對分區(qū)檢測，中間層既沒有直通波也沒有底波顯示，且每一個區(qū)域的時間窗口在深度方向必須覆蓋相鄰分區(qū)以避免缺陷漏檢[10]，因此文章僅對上覆蓋檢測進行討論。由圖5可知，一區(qū)(PCS1)的A掃時間窗口覆蓋性及合理性為t1～t2，對應檢測深度為OA，即右圖h1。二區(qū)(PCS2)的A掃時間窗口覆蓋性及合理性1～2，對應檢測深度為(包含覆蓋厚度)為B-C，即右圖h2，此時二區(qū)檢測范圍包含有一區(qū)檢測深度B-A。

采用連續(xù)尖角人工缺陷TOFD對比試塊驗證時，對時間參數進行設置。

(1) 一區(qū)設置。將PCS1掃查架居中放置在A點的水平位置，時間起始窗口應觀察到直通波時間t1，此時時間窗口結束位置應觀察到A點的人工反射體衍射波信號到達時間t2。

(2) 二區(qū)設置。將PCS2掃查架居中放置在B點的水平位置，此時在時間窗口起始位置應觀察到B點的衍射波信號時間1，在時間窗口結束位置應觀察到C點的人工反射體(如果只有二區(qū)也可以是底波)衍射波信號時間2，以保證A掃時間窗口覆蓋性符合要求。

3.2 掃查靈敏度的驗證

根據TOFD技術原理可知,只要有缺陷尖端的存在就會產生衍射信號，然而過低的衍射信號在檢測圖譜中很容易被忽略，甚至無法觀察到，因此掃查靈敏度(A掃描幅度)直接決定了是否會造成漏檢。過高的檢測靈敏度會造成檢測圖譜過顯示，不利于圖像觀察分析。因此TOFD檢測時必須設置合適的檢測靈敏度，這就要求產品檢測前應對檢測靈敏度進行驗證。

一區(qū)檢測時可以將直通波波幅設置為滿屏波高的40%80%來作為掃查靈敏度，也可將圖5中O-A深度范圍內對比試塊產生的最弱衍射信號波波幅設置為滿屏高的40%80%來作為掃查靈敏度。二區(qū)檢測用圖5中B-C深度范圍內對比試塊產生的最弱衍射信號波波幅設為滿屏高的40%80%來作為掃查靈敏度。文章第4節(jié)將對該結論進行驗證。

3.3 深度校準

TOFD檢測采用一發(fā)一收模式，通過分析測量缺陷上尖端與下尖端的衍射波信號時間差，來計算缺陷的高度。當檢測時間窗口能夠同時觀察到直通波和底面反射波時，此時直通波和底面反射波的時間間隔所反映的厚度校準為已知的工件厚度值。然而如果檢測產品厚度大于50 mm，分區(qū)檢測時采用上述方法將失效，應當采用對比試塊校準。

以圖5為例，分區(qū)檢測深度校準應該對每個通道檢測參數單獨校準，上層分區(qū)即直通波時間t1與人工缺陷A位置缺陷反射波時間t2的時間間隔t，即t=t2-t1，可推出人工缺陷A位置的深度值h1，依此類推下層分區(qū)即為人工缺陷B位置1與底面反射波時間2的時間間隔t′，即t′=2-1，可推出人工缺陷A位置到下層的深度值h2，通過TOFD軟件進行分析，如果時間差值與已知人工反射體深度一致，則該設置下的系統(tǒng)深度參數可靠。

4 連續(xù)尖角人工缺陷TOFD對比試塊效果驗證

4.1 連續(xù)尖角人工缺陷TOFD對比試塊深度校準

筆者采用66 mm厚的WSD690E高強鋼為材料加工了如圖4所示的新型TOFD技術分區(qū)對比試塊。檢測設備為OmniScan MX2型超聲波探傷儀，上下分區(qū)均采用頻率為5 MHz，晶片直徑為6 mm的探頭對，設置楔塊角度為60°，將探頭放置在同一水平面上(即探頭偏移量為0),按照標準NB/T 47013.10-2015進行檢測。在此配置下，采用非平行掃查方式，一區(qū)采用直通波高80%作為掃查靈敏度，二區(qū)采用起始處人工反射體波高80%作為掃查靈敏度，人工缺陷對比試塊檢測圖譜如圖6所示，各區(qū)檢測參數如表3所示。

表3 厚度為66 mm的工件各區(qū)檢測參數

圖6 人工缺陷對比試塊掃查圖譜

在該圖譜上采用分析軟件對缺陷進行分析，如果分析軟件得到的人工反射體位置、深度與對比試塊上的數據不一致，則應對整個檢測系統(tǒng)聲速、楔塊延遲、編碼器等參數進行校準，這也是深度校準的過程。

4.2 檢測靈敏度的驗證

筆者分別在TOFD-C對比試塊和連續(xù)尖角人工缺陷TOFD對比試塊上進行TOFD檢測靈敏度、A掃描時間窗口校準，并在含有缺陷的焊縫是進行檢測試驗，然后對數據進行對比分析。

被檢工件焊縫厚度為66 mm，采用表3參數設置。一區(qū)以直通波高80%作為檢測靈敏度；將TOFD-C對比試塊深度為45，60 mm的側孔產生的最弱衍射信號波幅設置為滿屏高的80%作為二區(qū)掃查靈敏度，TOFD-C對比試塊上校準后的檢測圖譜如圖7所示。以新型TOFD對比試塊厚度范圍(26.466 mm)內最弱衍射信號波幅設置為滿屏的60%作為二區(qū)掃查靈敏度，連續(xù)尖角人工缺陷對比試塊上校準后的檢測圖譜如圖8所示。將圖7與圖8檢測數據進行對比，其結果如表4所示。

表4 圖7與圖8的檢測數據對比

圖7 TOFD-C對比試塊上校準后的檢測圖譜

圖8 連續(xù)尖角人工缺陷對比試塊上校準后的檢測圖譜

對圖7和圖8二區(qū)數據進行對比，可以看出一區(qū)(0～26.4 mm)雖然都是采用直通波進行校準，但是同一缺陷衍射信號A掃幅值仍然有細微的區(qū)別，差值為1.8%，這可能與檢測時探頭與工件之間耦合層厚度、掃查時探頭與工件耦合情況等有關；二區(qū)(26.4～66 mm)采用不同的對比試塊校準后進行檢測，同一缺陷衍射信號A掃幅值差值為6.3%，且連續(xù)尖角人工缺陷對比試塊上校準后得到圖譜A掃幅值較高(見表4)。筆者所設計新型對比試塊的人工反射體上尖端最大深度為55 mm，雖然沒有達到最大深度(即工件厚度)，但從原理上看不會對試驗數據產生大的影響。

由于一區(qū)采用的檢測參數一致，不對一區(qū)檢測結果做重點討論。連續(xù)尖角人工缺陷對比試塊主要會對二區(qū)的數據產生影響，觀察圖7和圖8可以看出該試樣的缺陷均能被有效檢出，可以認為缺陷的檢出率是一致的。

4.3 A掃描時間窗口覆蓋性及合理性驗證

按照檢測工藝設置的時間窗口在新型對比試塊上進行掃查，并對一區(qū)、二區(qū)圖譜進行分析，圖譜中的檢測深度與預定工藝檢測深度一致，可以證明該檢測參數下A掃時間窗口覆蓋性較好，滿足檢測分區(qū)的深度覆蓋。A掃描時間窗口通常與探頭角度、探頭中心距離以及被測工件厚度有關，驗證原理如圖9所示。

圖9 TOFD檢測A掃時間窗口在新型試塊上的驗證原理示意

分析可知，采用連續(xù)尖角人工缺陷對比試塊進行工藝驗證能夠符合標準要求，除了可以進行檢測深度校準和檢測靈敏度設置外，還可以在分區(qū)檢測時對深度覆蓋(即時間覆蓋)進行驗證，且操作較為方便，驗證結果較為直觀。筆者對新型對比試塊TOFD檢測圖譜(見圖10)一區(qū)、二區(qū)人工缺陷的A掃幅值變化情況進行分析，觀察是否一、二區(qū)聲速覆蓋深度內陷信號最大值與最小值變化在-12 dB(即波幅降低到滿屏高度的25%)之內。

圖10 各區(qū)對應人工缺陷A掃圖譜

各分區(qū)內A掃波幅極值參數如表5所示，可見，一區(qū)人工缺陷A掃幅值最大位置出現在掃查開始位置，幅值為-37%，深度為16. 8mm，雖然一區(qū)掃查深度很大，可是幅值降為-9.25%(下降12 dB)的深度為29.1 mm，可以認為一區(qū)的聲束有效覆蓋范圍為0～29.1 mm，超出區(qū)域掃查數據無效。同樣適分析二區(qū)圖譜，二區(qū)信號幅值變化不明顯(下降2.2 dB)，說明該區(qū)域處于當前PCS下良好的聲束覆蓋范圍。因此可以對聲束覆蓋深度內的最大波幅與最小波幅下降范圍進行驗證，準確測定標準規(guī)定的-12 dB擴散區(qū)域在檢測工件中對應的上下邊界范圍。

表5 各分區(qū)內A掃波幅極值參數

有文獻指出，如果使用已知反射體的信號進行深度校準，就可以使這個測量誤差大為減小。而該對比試塊上每個對應掃查位置的人工反射體深度均已知，且該對比試塊采用電火花數控線切割機床加工而成，加工工藝較為便捷，成本較低，數控加工精度可控[11]。在保證試塊加工精度的條件下，該人工反射體深度誤差可以控制在0.1 mm以內。

由于TOFD掃查的上下表面附近存在盲區(qū)，所以某些缺陷的性質難以解釋，還夸大了一些危險性不大缺陷(如氣孔等)[12]，這就要求檢測人員應嚴格按照標準進行TOFD檢測技術參數設置。檢測數據分析人員應具有豐富的分析經驗，必要時還可采用常規(guī)UT檢測、射線檢測進一步補充檢測。

5 結論

(1) TOFD檢測連續(xù)尖角人工缺陷對比試塊內部人工反射體的自身高度在驗證中并不是很關鍵的因素。上尖角特征人工反射體制作的對比試塊更加有優(yōu)勢，同時人工反射體上端點距工件表面的高度必須精確。

(2) TOFD檢測連續(xù)尖角人工缺陷對比試塊在驗證過程中可以得到與NB/T47013.10-2015標準對比試塊相同的靈敏度設置效果。

(3) TOFD檢測連續(xù)尖角人工缺陷對比試塊尺寸較小，覆蓋深度范圍大，加工較為方便，價格較為便宜，適合施工現場。

(4) 使用TOFD檢測連續(xù)尖角人工缺陷對比試塊調整敏度設置時，可將深度覆蓋范圍內任一深度產生的衍射時差信號波調至滿屏高的60%～80%，以作為該區(qū)的掃查靈敏度。

(5) 利用該方法同樣可以制作曲面對比試塊。

(6) 該對比試塊可用于A掃時間窗口覆蓋性驗證、探頭聲束所在檢測深度范圍內相對聲束軸線處的聲壓下降差的計算。

(7) 受連續(xù)尖角人工缺陷對比試塊加工方法的制約，在試塊內部人工反射體下方會有一個細小的加工槽，觀察試驗圖譜，該槽不影響試塊的使用。