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超声TOFD法原理和标准介绍

2014/11/13 21:41:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  李 衍

  (无锡华光锅炉公司, 江苏无锡214028)

  摘 要:介绍超声TOFD法用于焊缝缺陷检出、定位、定量的基本原理。TOFD法所采用的A、B、D三种显示为缺陷评价和结果记录提供了有效手段。还对世界上最先制订的TOFD法标准BS 7706:1993的重要内容作了简要介绍。企望该新技术在国内迅速得到应用。

  TOFD法是Time of Flight Diffraction(衍射时差法)的缩写。按原意,是利用缺陷端部的衍射波传播时间进行缺陷定量的方法总称。因此,广义地讲,凡是利用缺陷端部衍射波接收时间差来定量评价的方法统称为TOFD法。但近年来的实际应用和相关标准,已将使用两个纵波斜探头相向对置,一发一收,利用所谓“回波”(即侧向波、散射波、衍射波和底面波)信息进行缺陷定位、定量、定性评价的方法专指为TOFD法。这种方法是英国AEA(原子能机构)最先提出的,随后在1993年的BS 7706中规定了用TOFD法进行缺陷定量评价的具体程序和要求,最早曾用于发电设备的在役检测。两年前,用TOFD法检测压力容器和动力锅炉焊缝的方法和验收条件,又在ASME规范案例2235中作出了详细规定。但作为检测方法的专用标准,BS 7706是唯一的标准。用此法时,要将两个同角度的纵波斜探头间距固定,用所谓D扫描或B扫描的扫查方法获取显示图像,并据此对缺陷进行测深定高。目前就将此法称为狭义的TOFD法。以下对狭义的TOFD法,就其基本原理以及世界上第一份TOFD标准BS 7706的有关内容作一介绍,以期在国内相关行业得到广泛应用。

  1 TOFD法基本原理

  1.1 双探头布置和波形图模式

  TOFD法原理和示波屏波形图模式(AC波形)见图1,双探头布置和缺陷测深模式见图2。TOFD法的一大特点是只利用在固体中声速最快的纵波进行检测。在焊缝两侧,将一对频率、尺寸、角度相同的纵波斜探头相向对称放置(两探头间距取决于板厚、声束角度和探测频率)。发射探头将声束指向角甚大的纵波从侧面入射被检焊缝断面。在无缺陷部位,接收探头会接收到沿试件表面传播的侧向波A(Lat-eral Wave,声速与纵波同)和底面的反射纵波C;有缺陷存在时,在A、C两波之间,接收探头会接收到缺陷上端部的散射波B1和缺陷下端部的衍射波B2,B1和B2的传播路径即传播时间不一。除上述各波外,还有缺陷端部由波型变换产生的横波信号出现在示波屏上,因其声速较慢,会迟后显示,故分析时可忽略不计,而只着眼于接收到的纵波信号,这样分析起来就较容易。

  用TOFD法时,一般要测定沿试件表面传播的侧向波和缺陷端部的散射波或衍射波的传播时间差tD,只要已知试件纵波声速C和两探头间距2Y,根据几何关系,由下式即可求出缺陷端部的埋藏深度

  要测定的唯一变量就是声波的传播时间差tD。用TOFD法时,无需象普通的横波斜探头波幅法探伤一样,要使探头在试件表面作前后或左右或转动扫查,以找到反射回波强度最大时的位置,因此缺陷定量精度与扫查间距基本上无关。另外,所测定的时间与接收的信号强度无关,故缺陷定量可靠性高。测定时,缺陷最好处于两纵波斜探头的间距中线,这样按(1)式求出的缺陷端部深度就相当准确。当缺陷位置偏离两探头间距中线时,只要此偏距X较小,用(1)式计算出的结果虽有误差,但几何测定误差还是较小。

  1.2 D扫描—焊缝缺陷纵断面图像显示

  按BS 7706等标准规定,实际使用的TOFD法如图3所示:使一对纵波斜探头置于焊缝两侧,靠自动行走装置(附编码器)沿焊缝长度方向作平行扫查(称为D扫描)。将所得到的探伤信息,通过亮度改变,使接收信号强度变成图像显示。图4即D扫描图像的模式图。目前列入欧、美、日等国标准的TOFD法,多指具有这种图像显示的方法。与一般靠直角座标式探伤波形(即A型显示)用波幅法测定的情况相比,TOFD法测定结果是焊缝纵断面的图像显示,在显示屏上,由缺陷端部产生的微弱散射波所变换成的图像,能被直观地读出,判读可靠性高。D扫描是一维性单向扫查方法,只要探头设备条件等适当,就可望迅速、高精度地对缺陷测高。对较小的缺陷显示,如图4所示,可在月牙形图像上测定。这是由于探头在缺陷上方偏移时,接收波的传播距离会变长些,只要在月牙形中心位置测定最短tD,就可用(1)式测出缺陷端部的深度位置。

  对内部缺陷,因对其上下两端的端部波同样可观测,故测出上下两端深度,就可判定缺陷高度。

  1.3 B扫描—焊缝缺陷的横断面图像显示

  TOFD法D扫描是以两纵波斜探头将被测缺陷夹在探头间距中线位置为前提的。当缺陷位置偏离探头间距中线时(如坡口面未熔合等),用(1)式计算对缺陷测深定高,就会产生几何误差。因此,要作高精度的检测,用TOFD法时还要在D扫描的基础上,加适当的B扫描动作,即必要时,应将两探头对着被检焊缝作适当的前后移动,使缺陷慢慢移至两探头间距中点的正下方位置,此扫查方式就称为B扫描。如图5所示,在焊缝右侧坡口面上有一未熔合,就要在两探头间距不变的情况下,使发射探头朝缺陷位置移动;反之,若在焊缝左侧坡口面上有一未熔合,也要在两探头间距不变的情况下,使接收探头朝缺陷位置移动。使探头作B扫描动作的目的是为了使被检缺陷位于两探头间距中线的位置。注意!无论是D扫描或B扫描,声束扫查时,始终要保持两探头间距(2Y)不变!与测定D扫描图像的方法一样,在B扫描图像中,也要寻找tD最小的位置。只有当缺陷处于两探头间距中线位置时,用TOFD法所得缺陷测高定深数据才最准确。

  2 英BS 7706(1993)TOFD法标准构成和概要

  TOFD法在欧、美、日等国曾最先用于发电设备的在役检测,而后在锅炉、压力容器(包括反应器、热交换器、球罐等石化设备)、压力管道上也得到实际应用。作为TOFD法技术升华、工艺轨道、经验总结和质量评定的专用标准,英BS 7706标准于20世纪70年代一马当先,脱颖而出,而后经七、八年的实用拓展,又引来欧洲TOFD法标准草案DDEN Y583:2000,美ASME 2235:2000,日ND IS 2423:2000“三标”齐发,“三花”竟放!

  超声TOFD法之所以引人注目,是由于此法对缺陷检测、定位、定量较一般的波幅法容易、直观,且有客观记录。这对在役设备检测中的缺陷评价特别有价值。如果结合常规的缺陷测长方法,就可掌握缺陷二维形状,就可利用断裂力学对被检设备进行剩余寿命评价。而且TOFD法基本上是作线扫查即可,缺陷定位、定量所费时间较短,就是单纯以掌握缺陷有无为目的也很实用。日本是焊缝无损检测ISO标准的起草国,正在为制订TOFD法的ISO标准作技术准备。

  关于TOFD法的BS标准,BS 7706:1993是最新版,但经十年来的工业应用,该标准中有关检测设备的说明已与现状稍有不符。然而,TOFD法原理简单,世界上有关TOFD法的测定方法标准,几乎都是以BS 7706:1993为基础,加进随后的一些试验成果和应用经验制订而成的。学习并消化吸收BS的这份TOFD法标准,对我国国内积极开展TOFD法在有关工业上的试验研究和实际应用,具有现实意义和推动作用。

  BS 7706:1993《用于缺陷检测、定位、定量的超声衍射时差(TOFD)法—校验和调整指南》,正文除前言外,总共12条,另有5个附录。各条条目如下。这里对各条内容作一简略介绍,限于篇幅,有关细节详见标准原文。

  (1)适用范围

  介绍用D扫描和B扫描的测定目的,正文及附录目次。不象日JIS等标准,有具体适用范围。交代了本标准指南的基本方针。标准建议:要对重要缺陷作评价,作高精度评价,除采用D扫描外,还要同时采用B扫描和脉冲回波法(即A扫描—直角座标式)。

  (2)参考标准

  与本标准相关的BS标准和参考文献。

  (3)术语定义

  包括D扫描和B扫描等TOFD法专用术语。

  (4)TOFD法原理

  对采用理想的双探头布置(以缺陷为中心,双探头对称布置)时,如何用纵波斜探头法,根据缺陷上下端部的散射波和衍射波进行缺陷检测并对缺陷测深定高的原理,作了说明。列出了缺陷定量(特别是缺陷测高)用的基本公式,也对缺陷偏离两探头中线位置时的测定误差,提出了有关表示式。

  (5)检测设备

  1)电子回路和数据贮存

  以采用自动探伤装置作D扫描、B扫描扫查和图像显示为主,也可用手动TOFD法进行验证。根据已有的应用经验,提出了有关TOFD法的设备性能、规格要求,有效的测定装置,以及数据的提取方法。目前,实际上可考虑采用数字式超声探伤仪为主。

  2)探头选择

  提到了用纵波宽声束斜入射整个焊缝断面的要求及其意义,但未规定具体的探头规格和性能。罗列了某些性能因素对缺陷检测和定位,定量的影响。

  (6)缺陷检出程序

  指出:TOFD法测定中,精度和SN比两者都很重要。定性地说明了探头布置与探伤系统性能的关系,也提到了凸面试件和表面粗糙度的影响,以及缺陷偏离两探头间距中线位置的影响。另外,对两探头间距、探头折射角选择与分辨力的关系,以及对测定中必不可少的闸门设定方法,指出了各种影响因素,以引起注意。特别是闸门设定,强调了TOFD法的概念与常规探伤法中探伤灵敏度的设定不同,提醒不要根据接收波的强度来校正,同时还详述了能可靠地捉到微弱散射波和衍射波的闸门设定方法。

  (7)数据解释

  由检测到的信息数据,可判定各种缺陷性质:是面状或条状或点状?并能识别底面几何反射波。对以上种种定性方法作了经验性的介绍。还指出:缺陷性质果真不明时,可结合常规方法进行综合判断。

  (8)缺陷检出后的定量评价

  对检出的缺陷,要根据接收波进行定量评价,对此简述了有关注意事项。特别提到要注意那些会影响测定准确性的相位信息。

  (9)为对缺陷定量准确所设定的程序

  为能对缺陷作出精密的定量评价,指出:除通常的D扫描之,还要加作B扫描。提出:对D扫描不能分离的接收波,有时可用B扫描分离开来。规定用TOFD法时,两种扫描要同时并举。

  (10)验证测定

  用TOFD法,不仅能检出缺陷,对缺陷进行定量,还能对缺陷性状进行评价。为此,本标准要求审慎地进行验证操作,视情况,还应采用其他超声波法和其他NDT法,然后作出最终判断。

  (11)测定精度

  列举了有关测定精度的因素,定性地叙述了一些影响。同时要求在选定测定条件时,要考虑精度。提到了数据解释不正确、声速误差、缺陷位置不居中造成的误差、入射点误差、扫查装置的误差,提醒要将这些误差限制到最小程度。

  (12)人员培训和资格认证

  为进行TOFD测定,简述了有关人员培训和资格认证的要求。

  附录

  附录A TOFD特殊技术

  附录B TOFD的应用和报告

  附录C TOFD法中各种缺陷的接收波特征

  附录D 典型扫查,TOFD图像示例

  附录E 人员培训和资格认证体制方案

  3 特别注意事项

  BS 7706中有关测定方法和测定精度的具体规定和说明,还是非常有限。该标准叙述了原理,列举了影响缺陷测定的一些因素,意在引起注意。由于方法原理简单,对应予注意的各种因素,亦无详细规定,因此该标准可能会给人一种错觉,似乎方法太容易,谁都会使用。但考虑实际,对那些应予注意的因素,该如何具体选择,例如探头频率、尺寸、角度的选定,测定条件(双探头间距等)的选择,究竟有多少自由度,总会使操作者感到有点困惑。毕竟,与常规的波幅法相比,TOFD法是利用微弱的端部散射波和衍射波来进行缺陷定位和测深定高的,若测定条件选择不当,不仅影响缺陷定位、定量精度,而且也可能造成有害缺陷漏检。BS 7706这份标准因推出时间较早,这方面的考虑似乎还不够充分。但该标准根据当时已有的经验和相关理论,列举了影响TOFD法缺陷检测评定的可能因素,对实际操作仍有启导。至于适于检测的最佳条件,还要求检测人员在实践中进行探索。换言之,应用该标准时,要求对熟悉常规探伤UT人员,应通过特殊的讲习,通过具体的实践,使之对TOFD法累积经验,从而能熟练地选择最佳检测条件,对缺陷进行检测和评价。在BS 7706问世后,由19个成员国组成的欧洲标准化委员会(CEN)又于2000年推出了一份有关TOFD法的新标准(草案):《用超声衍射时差法进行探伤和定量》。有关内容,笔者将另文发表。

  参考文献:

  [1] M.G.Silk.The Role of Ultrasonic Diffractionin NDT. Proceeding of the 28 th AnnualBritish Conference in NDT

  [2] British Standard BS 7706(1993):Guicle to Cal-ifration and Setting - up of the UltrasonicTime of Flight Diffraction (TOFD) Tech-nique for the Detection,Location,and Sizing ofFlaws British Shandard Institution.〔1993〕

  [3]三原毅.超音波自动探伤画像研究委员会报告,日本非破坏检查协会超音波分科会资料,NO.21633

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