衍射波时差法超声检测技术（TOFD）

衍射波时差法超声检测技术（TOFD）


简介：本文简要介绍了工业发达国家正在兴起和应用的TOFD技术的起源，原理，优缺点，标准规定和在实际产品订货中节约的费用和时间。
主题词：TOFD起源  原理  优缺点   相关费用
1. 衍射波时差法检测技术（TOFD）的起源
TOFD(Time-of-flight-diffraction technique)检测技术是在1977年，由Silk根据超声波衍射现象提出来，意大利AEA sonovatiion公司在TOFD应用方面，已经有15年历史，此技术首先是应用于核工业设备在役检验，现在在核电，建筑，化工，石化，长输管道等工业的厚壁容器和管道方面多有应用，TOFD技术的成本是脉冲回声技术的1/10。现在，TOFD检测技术在西方国家是一个热门话题，现在已经开始推广应用，经过几年以后，将有取代RT趋势的可能。
2. TOFD原理及系统组成
2.1 TOFD原理是当超声波遇到诸如裂纹等的缺陷时，将在缺陷尖端发生叠加到正常反射波上的衍射波，探头探测到衍射波，可以判定缺陷的大小和深度。
TOFD原理
当超声波在存在缺陷的线性不连续处，如裂纹等处出现传播障碍时，在裂纹端点处除了正常反射波以外，还要发生衍射现象。   衍射能量在很大的角度范围内放射出并且假定此能量起源于裂纹末端（图1）。这与依赖于间断反射能量总和的常规超声波形成一个显著的对比。

图1
1 =发射波   2 =反射波   3 =穿透波     4 =顶部裂纹端衍射波    5 =底部裂纹端衍射波

除了发现由缺陷衍射的能量变化以外，TOFD方法也探测到一个直接穿过两个探针的表面（横向）波和达到试块底部（测试对面）没有受到缺陷干涉的底部反射波（图1中的注1和4）。

图. 2
1- 横向波               2 - 顶部裂纹端衍射波
3 - 底部裂纹端衍射波    4- 对面器壁反射波
这种现象的研究产生了用于下列应用衍射波时差法无损检测方法：
■ 探伤检验因为来自于缺陷范围的信号可记录。
■ 裂纹定尺寸因为衍射波分离的空间（或时间）与裂纹高度直接相关。
用一对发射接受配对的单探头组（见图2）的TOFD技术，通常应用的纵向探头的入射角是450～700，通过接受探头接受衍射信号，同时根据超声系统来评估B-扫描图像。

图. 3
裂纹定位原理图

图. 4
      B－扫描
通过扫描探头组，可以得到两种B－扫描图像（收集数据方式）：
1. 沿裂纹或焊缝长度方向的常规扫描。B－扫描结果过去习惯用于裂纹定位和判断缺陷大小（图3上图）。
也就是人们常说的线性的、非平行的或纵向扫描。
在文献中，这种图像经常被称作D-扫描，但这与欧洲标准prEN1330－4“用于超声试验中的术语”是不一致的，在这个规范中，D-扫描有另一种定义。因此欧洲标准草案中在TOFD标准上没有用“D-SCAN”代替TOFD。
2. 垂直于焊缝和裂纹的长度方向的横向扫描（图3下图），此种B－扫描结果过去习惯用于判断缺陷大小，也就是人们常说的横向的，平行的或侧向扫描。
缺陷尺寸定位
在方向上垂直于表面的裂纹尺寸和深度可以被定位，一个可以用于精确定位的典型的图是1mm. 此时假定进入和离开试块的超声能量是在探头下面的固定点并且探头是相距2S的距离(见图 4)。
这是真实情况的简化，但对许多目的是足够精确的）。T，超声能量到达裂纹尖端D点，然后返回试块的时间，如下给出：
C T= {d2 + (S - X) 2}1/2 + {d2 + (S + X) 2}1/2    (1)
此处
C －超声波速度
T －时间
d －表面到D点深度
X －衍射点到两个探头中线平面的距离
当X是零时，T值最小，并且在此情况下，表达式简化成：
C T = 2 {d2 + S2}1/2       (2)
通常参考是侧向频率特性，如：从衍射时间计算得出的深度d，介于横向波和衍射脉冲之间的TD，在这里：
d = 1/2 { TDC 2 + 4TDC S}1/2      (3)
在分析TOFD数据时，通常用公式（2）并且此公式是基本的、重要的。假定对称地位于探头之间的缺陷发出了一个错误的信号，此错误信号能够调整到对分析估定缺陷深度在精确度上影响很小的程度。
通过今天高级计算机技术的使用，可能非常快的评定得到的信号。那就使每秒完成几百次的毫米扫描成为可能。在现实中，速度仅仅是由技工水平限制的。
2.2系统组成
   TOFD监测系统由计算机型超声波探伤仪本体、发射探头、接收探头、前置放大器、光学或磁性编码器以及连接电缆组成。
3. TOFD的应用
衍射波时差法技术主要应用如下方面：
◆在役缺陷检测
◆制造期间缺陷的监测，记录，评定
在技术上，由于TOFD在检测的外部表面存在一个死区，而且根据每一个应用TOFD技术的公司的水平和技术的差异，这个死区的厚度是不一样的。因此，近表面的缺陷是不能够用TOFD检测到的（表面穿透性裂纹是可以检测到的）。意大利AEA sonovatiion公司成功的将死区减小到2mm，这是一个巨大的进步。因此AEA sonomatic公司可以检测厚度在6mm以上的容器或管线。常规公司这个死区在8mm左右。TOFD可以应用于壁厚达到350mm以上厚壁容器的检验。
4. TOFD的优缺点
4.1 TOFD的优点
TOFD技术缺陷检出能力强，缺陷定位精度高，节省设备的制造时间，安全，检测数据可以用数字型式永久保存。
（a）与常规的脉冲回声检测技术相比，TOFD在缺陷检测方面，与缺陷的方向无关。
（b）同射线相比，TOFD可以检测出与检测表面不相垂直的缺陷和裂纹。
（c）可以精确的确定缺陷的高度。
（d）在安全上，不需要一个安全的独立的操作空间，因此可以在不中断工艺生产的情况下进行检测，节约设备制造时间。
（e）可以在线得到检测结果，并且可以将结果用数字信号型式永久保存在光盘中，以便于以后在役检验进行对比分析；
（f）可以在线应用相关的工程评定标准对缺陷进行评定，仅将按标准评定的缺陷进行挖补修复，避免了无用的破坏焊缝整体性的修补现象。
（g）因为检测速度快，对于板厚超过25mm的材料，成本比RT少的多。
（h）可以在200℃以上的表面进行检测（已经有在400℃检测的实例）。
（i） TOFD检测系统易于搬运，可以在方便的任何地方进行检测。
（j）由于可以在产品制造期间进行检测，由此可以节约大量的时间和修复成本。
（k）检测率高于常规的超声UT。
4.2 TOFD的缺点
（a）焊缝的两边必须有能够安放用于TOFD检测的发射和接收探头的位置，
（b）在检测表面下，存在一个检测不到的死区；根据各公司的技术条件，此死区在2～10mm不等。
（c）检测人员必须经过专门的训练，并积累相应的经验，
5. 根据TOFD的原理和特点，在检测厚壁容器和大管径的管道方面具有巨大的优势，根据2005年2月采购的厚壁加氢反应器（规格是，在采用TOFD技术时，每个投标商价格均可以节省20000到25000美元，生产周期可以缩短2～3周（这是主要的）。但是，根据中国现行的相关法律，如果采用此技术的设备安装于中国，则应用TOFD技术的制造商必须按台次向中国国家质量技术监督检验检疫总局提出申请并要获得批准使用，否则是非法的。
6. TOFD的相关支持标准
6.1检验方法标准
英国的BS7706,欧洲的PrEN586Pt6.
6.2检验规范
英国的BS4515,美国的ASME VIII  Pt1&2(code case 2235-6),欧洲非直接受火压力容器规范CEN/TC54/WGEN51,
6.3缺陷的评定标准
各检验公司根据自己试验和经验，制定相应的检验规范。同时ASME规范2235－6也规定了不同的壁厚的缺陷的验收标准。
6.4检验人员的资格
必须依据EN473,BS5750,ASNT’s snt-tc-1等进行资格认证。

参考文献
1  李  衍   超声TOFD法与射线照相法对缺陷检出能力的比较   中国锅炉压力容器安全  2004，20（5），37~41
2  ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL Code，Case 2235-6:Use of Ultiasonic in lieu of Radiography
3  The British TOFD standard BS 7706: Guide to Calibration and setting-up of the Ultrasonic Time of Flight diffraction (TOFD) technique for defect detection, location and sizing of flaws.