陳業(yè)漢,范 良,孫小兵,張曉斌

(廣西特種設(shè)備監(jiān)督檢驗院,南寧 530219)

TOFD技術(shù)是一種基于超聲波信號傳輸時差實現(xiàn)缺陷檢測的無損檢測技術(shù)。由于其具有比常規(guī)脈沖回波超聲檢測技術(shù)更大的優(yōu)越性,近年來隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和無損檢測市場的需求迅速發(fā)展。新的《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》已經(jīng)把TOFD技術(shù)列入正式條文,成為與常規(guī)UT和 RT并重的無損檢測方法之一?？梢灶A(yù)料,在未來的幾年中,TOFD技術(shù)將會大規(guī)模應(yīng)用于特種設(shè)備的檢驗檢測中。由于這是一門嶄新的檢測技術(shù),目前一些專業(yè)教材對 TOFD技術(shù)的介紹基本上以基礎(chǔ)理論為主,具有實際指導(dǎo)意義的文獻(xiàn)還很缺乏。TOFD技術(shù)的應(yīng)用難點之一是圖像的識別判讀比較困難,需要有較深的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗,如果檢測參數(shù)的選擇不當(dāng)和對圖譜的分析一知半解,非常容易造成誤判。筆者主要針對TOFD檢測圖像判讀中影響評定結(jié)果的一些非相關(guān)信號顯示和變形波信號顯示進(jìn)行詳細(xì)的分析解讀,以希對初學(xué)者有所幫助。

1 TOFD檢測技術(shù)超聲波形分析

由于TOFD檢測是以超聲波信號傳輸時差來確定缺陷深度的,而超聲波的傳輸時間和其傳播的距離與聲速密切相關(guān),因此聲速必須有唯一性才能正確計算缺陷深度。在鋼中,縱波聲速為5.93 mm/μs,橫波聲速為3.23 mm/μs,由于縱波的傳播速度幾乎是橫波的兩倍,通常情況下橫波信號總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于縱波信號,直通縱波和底面縱波之間的時間窗口只有縱波信號,聲速具有唯一性,可以正確計算深度,此窗口稱為縱波檢測窗口。由于探頭發(fā)出的縱波在鋼中會發(fā)生折射、反射和衍射,在折射、反射和衍射過程中會產(chǎn)生縱波變橫波或橫波變縱波的波型轉(zhuǎn)換,在某些特殊情況下,轉(zhuǎn)換出來的變形波信號有可能比底面縱波信號先到達(dá)接收探頭。這樣,在縱波檢測窗口內(nèi)可能同時具有縱波和變形波信號,聲速不再具有唯一性,這對缺陷的識別和深度計算就會造成困難。

如圖1和2所示,為簡便起見,用C代表縱波,用S代表橫波。探頭A發(fā)射的縱波進(jìn)入工件,一部分轉(zhuǎn)換為折射縱波C,另一部分轉(zhuǎn)換為折射變形橫波S。折射縱波可產(chǎn)生直通縱波CC,折射變形橫波可產(chǎn)生直通橫波SS;折射縱波在缺陷F處可產(chǎn)生反射縱波CCF和反射變形波CSF;折射變形橫波在缺陷F處可產(chǎn)生反射變形波SCF和反射變形波SSF;折射縱波在底面可產(chǎn)生底面縱波CCD和底面變形波CSD;折射變形橫波在底面可產(chǎn)生底面變形波SCD和底面橫波SSD。通常的TOFD檢測,主要觀察的是縱波檢測窗口即CC和CCD之間的信號,以確定是否有缺陷并測定缺陷大小。在該窗口內(nèi)變形波一般不會造成干擾。但是如果缺陷偏離兩探頭連線中點較遠(yuǎn)或缺陷深度較淺時,如果探頭中心距P取較小值,各種波的位置就有可能發(fā)生變化,在縱波檢測窗口內(nèi)出現(xiàn)變形波信號,導(dǎo)致圖像判讀困難。

2 各種超聲波信號的傳輸時間

2.1 傳輸時間的計算

各種超聲波信號中,CSD,SCD,SSF和SSD在時間軸上比較靠后,實際檢測中不會造成干擾,計算時可不必考慮。有可能影響檢測的各信號傳輸時間計算如下：

以下將討論哪些信號在什么情況下會出現(xiàn)在縱波檢測窗口內(nèi)。由于h＜T,tCCF＜tCCD,因此CCF總是出現(xiàn)在縱波檢測窗口內(nèi),這對實現(xiàn)檢測目的是有利的。檢測過程中不希望除CCF以外的其它信號在縱波檢測窗口內(nèi)出現(xiàn),但是如果滿足tSS＜tCCD,tCSF＜tCCD或tSCF＜tCCD等條件,那就不可避免。

2.2 tSS＜tCCD

由2.1節(jié)可知：若tSS＜tCCD,則P/3.23＜2×[T2+(P/2)2]1/2/5.93,化簡為：

式(1)的意義是：當(dāng)探頭中心距P＜1.3T時,直通橫波信號SS出現(xiàn)在縱波檢測窗口內(nèi)。對一般規(guī)范推薦的最佳檢測設(shè)置,P取值是使波束中心聚焦在厚度的三分之二處,即P=2×(2T/3)tanβ=(4/3)Ttanβ,由于縱波折射角β取值通常≥45°,由此可計算得P≥1.33T,因此通常不會發(fā)生SS出現(xiàn)在縱波檢測窗口內(nèi)。如果是某些特殊原因,例如為提高近表面缺陷的分辨率而取較小的探頭中心距P,則有可能發(fā)生SS落在縱波檢測窗口內(nèi)的情況;另外,在厚板分區(qū)檢測中,由于相鄰分區(qū)厚度方向要有25%以上的覆蓋,即使探頭中心距P采用推薦的計算值,在檢測窗口內(nèi)仍有可能出現(xiàn)直通橫波信號SS。當(dāng)然SS是否出現(xiàn)還與探頭的入射角度和波束的擴(kuò)散角范圍有關(guān),由于橫波聲速較小,其折射角比縱波小,直通橫波信號SS要比直通縱波信號CC弱得多,甚至不能識別,分析時要注意考慮到這種情況。

2.3 tCSF或 tCSF＜tCCD

由2.1節(jié)可知：若tCSF＜tCCD,則(h2+L12)1/2/5.93+(h2+L22)1/2/3.23＜2×[T2+(P/2)2]1/2/5.93,即：

若tSCF＜tCCD,同樣可得：

由于L2=P-L1,式(2)和(3)實際上有T,h和L1三個可變參數(shù),它們之中的任何兩個參數(shù)取值確定,就可以求出另外一個參數(shù)的值。該兩式的意義是：如果缺陷的深度和探頭中心距已知,則可求出探頭水平偏置多少時,變形波信號CSF或SCF會出現(xiàn)在縱波檢測窗口內(nèi);如果缺陷的水平位置和探頭中心距已知,則可求出缺陷多深時,CSF或SCF會出現(xiàn)在縱波檢測窗口內(nèi)。這是一個相當(dāng)復(fù)雜的數(shù)學(xué)關(guān)系式,當(dāng)缺陷水平位置位于探頭連線中心點時,即L1=L2=P/2,兩式均可化簡為：

如果T和P取值確定,通過式(4)可以判斷缺陷深度為多少時變形波信號CSF或SCF會出現(xiàn)縱波檢測窗口內(nèi)?；蛘?若缺陷深度已知,檢測厚度越大,探頭中心距越小,縱波檢測窗口內(nèi)底越容易出現(xiàn)變形波信號。

3 實際計算

以折射角為60°的探頭檢測壁厚T=50 mm的試塊(圖3)為例,通過實際計算來說明上述問題。分三種情況討論：①探頭中心距取常規(guī)推薦值,缺陷位于兩探頭的中間位置進(jìn)行掃查。②探頭中心距取常規(guī)推薦值,探頭偏置掃查(即讓缺陷偏離兩探頭連線中點一定距離)。③探頭中心距取比常規(guī)推薦值小,缺陷位于兩探頭連線的中間位置進(jìn)行掃查。分別計算深4 mm和深12.5 mm兩個縱孔各種信號波的傳輸時間;對于深37.5 mm的縱孔,由于其深度較大,其變形波信號不會造成干擾,不必計算。

3.1 P取波束中心聚焦在厚度的處時

3.1.1 缺陷F水平位置處于探頭連線的中點時

對于深4 mm縱孔：

對于深12.5 mm縱孔：

由以上計算可見,深度分別為4和12.5 mm的兩個孔的各種信號只有 CCF(分別為 19.44和19.84μs)的傳輸時間小于CCD(25.70μs)的傳輸時間,它們的變形波CSF(或SCF)的傳輸時間均大于CCD的傳輸時間,即在縱波檢測窗口內(nèi)只有縱波信號,無變形波信號,TOFD圖譜見圖4。

圖4 缺陷中置掃查TOFD圖譜(P=115 mm)

3.1.2 偏置掃查時,取L1=13.5 mm,探頭中心距仍取P=115 mm

對于深4 mm縱孔：

對于深12.5 mm縱孔：

由以上計算可見,除CCF外,深度分別為4和12.5 mm的兩個孔的變形波SCF的傳輸時間(分別為21.48和 22.94μs)也小于CCD的傳輸時間(25.70μs),其余信號的傳輸時間均大于在CCD的傳輸時間,此時在縱波檢測窗口內(nèi)不僅有縱波信號,還有兩個孔的變形波信號。TOFD圖譜見圖5。

圖5 缺陷偏置掃查TOFD圖譜(P=115 mm)

3.2 當(dāng)探頭中心距P=58 mm時(假定缺陷水平位于探頭連線中點)

對于深4 mm縱孔：

對于深12.5 mm縱孔：

由以上計算發(fā)現(xiàn),除CCF外,深度分別為4和12.5 mm的兩個孔的變形波CSF(或SCF)的傳輸時間(分別為14.00和15.10μs)均小于CCD的傳輸時間(19.49μs),此時在縱波檢測窗口內(nèi)除縱波信號外還出現(xiàn)兩個孔的變形波信號。此外,直通橫波SS的傳輸時間(17.96μs)也小于CCD的傳輸時間(19.49μs),即SS落在縱波檢測窗口內(nèi),但是由于聲束覆蓋范圍較小的原因,這個信號很微弱,只有在靈敏度足夠大的情況下才會看到,TOFD圖譜見圖6。

4 TOFD圖譜變形波檢測實例分析

以下是幾個TOFD檢測實例的圖譜,圖中所示的變形波信號時間位置可參照前面的公式計算確定,此不贅述。

圖6 缺陷中置掃查TOFD圖譜(P=58 mm)

(1)某石化公司儲罐(厚48 mm)定期檢驗發(fā)現(xiàn)的缺陷,同一位置采用不同的探頭中心距掃查的結(jié)果比較：

當(dāng)P=128 mm時,變形波不出現(xiàn),如圖 7(a)所示。

當(dāng)P=58 mm時,出現(xiàn)變形波,圖中看似有兩條近平行的缺陷,實質(zhì)是同一條缺陷的兩個影像,如圖7(b)所示。

(2)中海油海上平臺某儲罐 T字焊縫(厚46 mm)檢測,掃查示意圖如圖8。由于在T字縫位置聲束掃過的焊縫截面比其他位置大很多,出現(xiàn)缺陷的幾率也就大很多,而且在縱縫處的缺陷,其變形波傳輸時間很容易滿足前面3.3提到的條件,從而在縱波檢測窗口出現(xiàn)變形波信號,導(dǎo)致成像復(fù)雜,判讀困難,很容易把缺陷判嚴(yán)重。

圖8 T字焊縫掃查示意圖

圖9為探頭穿越處的縱縫下剛好有幾個小缺陷,這幾個缺陷基本在一個深度層,圖像中形成縱波和變形波兩組信號,這相當(dāng)于3.1.2節(jié)中提到的缺陷偏離探頭連線中點較遠(yuǎn)的情況。粗看似兩組緊靠的缺陷,這兩組信號實質(zhì)是一組缺陷的兩個影像,他們的影像特征很像,結(jié)合簡單的計算就可以初步判斷。

圖9 中海油海上平臺某儲罐T字焊縫1TOFD檢測圖像

圖10是同一儲罐的另一 T字焊縫,粗看缺陷信號幾乎貫穿焊縫厚度,似乎很嚴(yán)重。實際情況是探頭穿越的那段縱縫下不同深度有幾缺陷。不同深度缺陷的縱波信號和變形波信號混雜在一起,造成復(fù)雜的影像信號。遇到這種情況須慎重,除要了解清楚掃查區(qū)段的焊縫結(jié)構(gòu)特征外,還應(yīng)盡可能結(jié)合其他無損檢測方法綜合判定。

圖10 中海油海上平臺某儲罐T字焊縫2TOFD檢測圖像

5 非相關(guān)顯示的識別

5.1 表面狀況不良引起的非相關(guān)顯示

檢測表面狀況對TOFD成像有重要影響,如果表面凹凸不平嚴(yán)重,甚至導(dǎo)致圖像無法判讀,檢測前必須對檢測面進(jìn)行處理,其粗糙度應(yīng)≤6.3μm。下面是兩個表面狀況不良檢測的典型例子

圖11為探頭覆蓋的地方有凹坑,凹坑里充滿機(jī)油,超聲波經(jīng)過較厚的機(jī)油層(約1 mm)再進(jìn)入工件,由于機(jī)油的聲速大約只有鋼的四分之一,聲波傳播被延遲,導(dǎo)致直通波和底波下沉。

圖12為探頭被焊縫邊沿抬起,探頭被抬起的地方,直通波有的地方下沉,有的地方不一定下沉,主要是探頭發(fā)射的一部分波直接接觸工件,一部分通過較厚的油層再傳到工件,且不同位置探頭被抬起的程度不同,導(dǎo)致了直通波下面出現(xiàn)波浪狀的影像信號。

5.2 電磁干擾導(dǎo)致的非相關(guān)顯示

電磁干擾導(dǎo)致編碼器跑偏,這是由于編碼器受到干擾,掃查距離、缺陷測長和水平定位都受影響,見圖 13。

圖13 TOFD檢測電磁干擾類型例子

6 總結(jié)

TOFD檢測采用縱波而不用橫波,主要目的是由于縱波速度大大快于橫波,使深度計算有唯一的結(jié)果,避免回波信號難以識別的困難。如果探頭中心距按聲束聚焦在工件厚度的2/3處進(jìn)行計算取值時,變形波通常不會造成干擾;但是,對于深度較小并且較靠近探頭一側(cè)的缺陷,其變形波信號有可能出現(xiàn)在底波之前,造成圖像判讀困難。如果采用較小的探頭中心距進(jìn)行掃查,對于深度較小的缺陷,即使其居于探頭連線的中間位置,其變形波也可能出現(xiàn)在底波之前,也會導(dǎo)致圖像判讀困難?？偟膩碚f,缺陷深度越淺,缺陷偏離兩探頭連線中間越遠(yuǎn),缺陷變形波越容易對缺陷的識別和評定造成干擾。在檢測一些特殊結(jié)構(gòu)的焊縫(如 T字縫)或采取非常規(guī)參數(shù)檢測普通焊縫時,縱波檢測窗口出現(xiàn)變形波的可能性很大,非常容易造成誤判。因此,對 TOFD圖譜上的一些可疑信號,必須結(jié)合焊縫結(jié)構(gòu)和檢測設(shè)置進(jìn)行計算分析,盡可能排除變形波的影響,避免誤讀誤判。對掃查時探頭通過的表面,應(yīng)盡可能進(jìn)行修磨平整,如果圖譜中直通波、底波出現(xiàn)下凹或直通波、底波發(fā)生其它變形,不能輕易作缺陷判斷,此時應(yīng)檢查探頭掃過的焊縫表面,觀察掃查時探頭與表面的接觸狀況,或改變探頭中心距進(jìn)行補(bǔ)充掃查,看是否有同樣的情況出現(xiàn),并且盡可能結(jié)合其它無損檢測方法綜合判斷?，F(xiàn)場的電磁干擾和震動,有時會出現(xiàn)虛假信號,編碼器也會受影響,在比較嘈雜的場所檢測,應(yīng)注意排除干擾,避免定位誤差。