劉禮良，鄭 暉，鄔冠華

（1.南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100013）

在超聲衍射時(shí)差法檢測(cè)（TOFD）技術(shù)中，工件表面缺陷信號(hào)可能隱藏在直通波信號(hào)下而導(dǎo)致漏檢，形成檢測(cè)盲區(qū)［1］，有研究者［2］試圖通過TOFD信號(hào)處理方法分離盲區(qū)內(nèi)缺陷，但是檢測(cè)結(jié)果的工程應(yīng)用缺乏驗(yàn)證。

筆者采用超聲脈沖反射檢測(cè)、磁粉檢測(cè)及超聲爬波檢測(cè)，在檢測(cè)試塊和對(duì)比試塊上對(duì)TOFD 檢測(cè)表面盲區(qū)的檢測(cè)工藝進(jìn)行了試驗(yàn)，并在工程檢測(cè)中進(jìn)行了應(yīng)用。

1 TOFD檢測(cè)技術(shù)表面盲區(qū)

1.1 表面盲區(qū)的理論計(jì)算

在TOFD 技術(shù)中，縱波信號(hào)從入射探頭進(jìn)入工件后的擴(kuò)散角度較大，不同區(qū)域處信號(hào)能量和頻率是不同的，越靠近主聲束區(qū)域的信號(hào)能量和頻率越高；而距離主聲束較遠(yuǎn)的工件表面區(qū)域縱波信號(hào)能量和頻率則較低。較低的頻率造成信號(hào)的脈沖寬度加大，使得缺陷信號(hào)被埋藏在較寬的直通波信號(hào)中而造成漏檢，形成工件表面的檢測(cè)盲區(qū)［3］。

根據(jù)TOFD 技術(shù)原理數(shù)學(xué)模型存在的三角函數(shù)關(guān)系，盲區(qū)高度Dds的計(jì)算公式如下［4］：

式中：c為縱波聲速；s為探頭中心距P的一半；tp為直通波脈沖時(shí)間寬度。

通過式（1）可計(jì)算出表面盲區(qū)的理論值。表1為探頭頻率為5 MHz，縱波聲速取5 900m／s，不同P（探頭中心間距）值，tp取1個(gè)周期（0.2μs）時(shí)的理論表面盲區(qū)高度值。由于tp的取值受很多因素的影響且存在誤差，計(jì)算的理論表面盲區(qū)與實(shí)際表面盲區(qū)會(huì)有較大誤差。

表1 不同參數(shù)表面盲區(qū)理論值

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)

1.2 表面盲區(qū)的實(shí)測(cè)試驗(yàn)

試驗(yàn)中，筆者采用OMNISCAN－MX TOFD 檢測(cè)系統(tǒng)作為超聲波發(fā)射和接收設(shè)備；OLYMPUS生產(chǎn)的頻率5 MHz，晶片尺寸φ6mm 探頭2只，探頭編號(hào)為：627822／627824；60°楔塊2 只，楔塊編號(hào)為：ST1－60LM－IHC／ST1－60LM－IHC。檢測(cè)系統(tǒng)裝置如圖1所示。在TOFD 檢測(cè)技術(shù)中，表面盲區(qū)分為開口型和埋藏型，為了更合理地測(cè)量在某一特定檢測(cè)參數(shù)條件下TOFD 表面盲區(qū)，采用40 mmTOFD 盲區(qū)專用試塊，設(shè)計(jì)不同深度的刻槽和側(cè)孔來模擬表面開口型和埋藏型缺陷，刻槽及側(cè)孔位置及深度如圖2所示。

圖2中，盲區(qū)試塊上端面有4個(gè)長(zhǎng)2 0mm、寬0.2mm的刻槽，4 個(gè)深度分別為3，4，5，6 mm、長(zhǎng)40mm的側(cè)孔；下端面同樣有4 個(gè)長(zhǎng)20 mm、寬0.35mm的刻槽，4個(gè)深度分別為7，8，9，10mm、長(zhǎng)40mm 的側(cè)孔。試驗(yàn)時(shí)探頭分別對(duì)厚度15，21，30，43mm 時(shí)所對(duì)應(yīng)的P值在TOFD 盲區(qū)試塊上進(jìn)行非平行掃查。但當(dāng)工件厚度為15 mm 時(shí)，P值過小，不能進(jìn)行試驗(yàn)，故將其P調(diào)整為49mm，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3（a）左邊為最小可見埋深為4mm 的槽，右邊為5mm 側(cè)孔；3（b）左邊為最小可見埋深為4mm的槽，右邊為5mm 側(cè)孔；3（c）左邊為最小可見埋深為5mm 的槽，右邊為6mm 側(cè)孔；3（d）左邊為最小可見埋深為5mm 的槽，右邊為7mm 側(cè)孔。試驗(yàn)分析結(jié)果表2所示。

表2 不同參數(shù)設(shè)置試驗(yàn)分析結(jié)果 mm

由表2可知，隨著P值的增加，TOFD 檢測(cè)表面盲區(qū)也逐漸增大。因?yàn)楫?dāng)探頭折射角不變，增大P值意味著焦點(diǎn)下移，使得在上表面檢測(cè)區(qū)域的分辨率與檢測(cè)精度降低，從而導(dǎo)致上表面盲區(qū)增大。

由表2中檢測(cè)編號(hào)A 與B可知，試驗(yàn)所得盲區(qū)高度是相同的，但從圖譜中，可以明顯看出，圖3（a）中發(fā)現(xiàn)的缺陷均比圖3（b）中的缺陷分辨率與清晰度高。并且可知，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)刻槽的能力比發(fā)現(xiàn)孔的能力強(qiáng)，因?yàn)榭滩鄣难苌湫盘?hào)更強(qiáng)。

對(duì)比分析表1與表2可知，在相同的設(shè)置參數(shù)下，理論計(jì)算值比試驗(yàn)實(shí)際所測(cè)值要大，并且隨著P值的增加，理論值與測(cè)量值誤差增大。因?yàn)楫?dāng)根據(jù)式（1）計(jì)算表面盲區(qū)時(shí)，tp的取值對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很大，并且在實(shí)際應(yīng)用中，在直通波區(qū)域并不是完全不能發(fā)現(xiàn)缺陷，實(shí)際測(cè)量也存在一定的誤差，所以導(dǎo)致理論計(jì)算值與試驗(yàn)值有誤差。

并且從上述分析可知，隨著P值的增大，上表面檢測(cè)區(qū)域的分辨率與檢測(cè)精度降低，故導(dǎo)致誤差逐漸增大。由理論分析與試驗(yàn)結(jié)果可知，TOFD檢測(cè)在表面檢測(cè)區(qū)域存在較大的盲區(qū)，為了提高TOFD檢測(cè)可靠性，需要其他有效的方法對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充。

表3 超聲脈沖反射法試驗(yàn)結(jié)果

2 TOFD盲區(qū)內(nèi)缺陷檢測(cè)方法

2.1 常用無損檢測(cè)方法

2.1.1 超聲脈沖反射法

超聲脈沖反射法采用汕頭超聲研究所生產(chǎn)的斜探頭對(duì)15，21，30，43mm 厚的TOFD 對(duì)比試塊的上表面缺陷分別進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)采用一次反射法，選用機(jī)油為耦合劑。試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表3所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知：超聲脈沖反射法可解決TOFD 檢測(cè)中試件表面盲區(qū)問題，為TOFD 檢測(cè)結(jié)果的可靠性提供了有效依據(jù)。但隨著被檢工件厚度的增加，超聲波能量的衰減較大，并且橫波比縱波衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致散射回的缺陷信號(hào)湮沒在草狀雜波中無法辨認(rèn)［5］。故：對(duì)TOFD 檢測(cè)表面盲區(qū)，超聲脈沖反射法可作為一種有效的輔助檢測(cè)方法，但應(yīng)注意隨著工件厚度的增加，缺陷信號(hào)的信噪比會(huì)降低，對(duì)檢測(cè)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響。

2.1.2 磁粉檢測(cè)法

采用交流磁軛法對(duì)盲區(qū)試塊的側(cè)孔進(jìn)行檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)：埋深為3mm 的側(cè)孔不能有效檢出。據(jù)大量研究表明，對(duì)表面下2mm 以內(nèi)的缺陷，磁粉檢測(cè)有較高的檢出率［6］。所以，在TOFD 檢測(cè)應(yīng)用中，對(duì)于表面下2mm 以內(nèi)的盲區(qū)，磁粉檢測(cè)可作為一種有效的輔助檢測(cè)方法。

2.2 超聲爬波檢測(cè)方法

超聲爬波是在自由表面的位移有垂直分量的縱波［7］。當(dāng)縱波以第一臨界角α1附近的角度入射到界面時(shí)，就會(huì)在第二介質(zhì)中產(chǎn)生表面下的縱波，即為爬波。爬波產(chǎn)生原理如圖4所示。圖4中的α1為第一臨界角，β1 為橫波折射角，β2 為縱波折射角，其指向即為爬波聲束方向。并且由于爬波在傳播時(shí)，大部分能量主要集中在表面下某個(gè)范圍內(nèi)，對(duì)工件表面粗糙不敏感［8］，但其在往下傳播的過程中，能量急劇衰減，因此適用于檢測(cè)表面及近表面的缺陷。

圖4 爬波產(chǎn)生原理

筆者通過在盲區(qū)試塊上進(jìn)行試驗(yàn)，來測(cè)定爬波可檢測(cè)表面區(qū)域范圍。采用4 MHz鳳凰爬波探頭進(jìn)行試驗(yàn)，工藝設(shè)計(jì)為：在盲區(qū)試塊上以埋深3mm的表面刻槽為校準(zhǔn)缺陷對(duì)象，來設(shè)置爬波檢測(cè)［9］靈敏度及探頭前端與有效檢測(cè)區(qū)域的距離；首先將爬波探頭前端與3mm 刻槽的一端重合，找到爬波圖譜上的缺陷信號(hào)；將該信號(hào)調(diào)節(jié)為滿屏高的80%，并提高增益12dB 后，此時(shí)靈敏度即為檢測(cè)應(yīng)用靈敏度；探頭向后移動(dòng)（垂直于缺陷對(duì)象），當(dāng)移動(dòng)一定距離后，波高降為滿屏80%時(shí)，測(cè)量探頭前端與缺陷對(duì)象的距離，即為檢測(cè)應(yīng)用時(shí)探頭前端距離焊縫中心線的距離。按以上方法進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果為：爬波探頭前端距缺陷對(duì)象距離為40mm，靈敏度為63dB。

按照以上的超聲爬波工藝，分別用40mm 盲區(qū)試塊上的刻槽及側(cè)孔進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：該盲區(qū)試塊上的刻槽及側(cè)孔均能有效檢出。超聲爬波檢測(cè)中，隨著檢測(cè)深度的增加，爬波信號(hào)有較大的衰減，距離表面越近，缺陷的爬波信號(hào)越強(qiáng)。圖5是埋深為8mm 刻槽和10mm 的側(cè)孔的爬波檢測(cè)圖譜，由圖5可清晰判別刻槽及側(cè)孔缺陷。雖然由于超聲爬波檢測(cè)的特點(diǎn)，無法測(cè)量缺陷深度，對(duì)水平位置的測(cè)定也存在一定誤差，但在目前對(duì)厚工件表面盲區(qū)無有效解決方案的情況下，超聲爬波檢測(cè)不失為一種解決TOFD 表面盲區(qū)檢測(cè)的有效輔助方法。

3 工程實(shí)例

在某壓力容器廠，對(duì)規(guī)格為φ6 100×（98＋5）mm容器的對(duì)接環(huán)焊縫進(jìn)行TOFD 檢測(cè)，第一通道的部分檢測(cè)參數(shù)分別為：頻率為5 MHz；晶片尺寸為φ6mm；楔塊角度為70°；P為147mm。上表面盲區(qū)高度實(shí)測(cè)值為9mm。

現(xiàn)場(chǎng)采用100%TOFD＋100%脈沖反射UT（針對(duì)上表面盲區(qū)部分）＋100%MT＋100%超聲爬波的檢測(cè)工藝，保證焊縫的100%全檢測(cè)，進(jìn)而驗(yàn)證各個(gè)TOFD 表面盲區(qū)輔助檢測(cè)方法。

在進(jìn)行超聲爬波檢測(cè)中，爬波工藝參數(shù)設(shè)置為4 MHz爬波探頭，探頭前端距焊縫中心為40 mm，靈敏度為63dB進(jìn)行掃查，在該工藝參數(shù)設(shè)置下進(jìn)行爬波檢測(cè)共發(fā)現(xiàn)3處缺陷。其中一例缺陷在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的回波信號(hào)，如圖6所示。在同一位置處進(jìn)行TOFD 檢測(cè)，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷顯示。同樣，在該缺陷位置處采用手動(dòng)超聲及磁粉檢測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)該缺陷顯示。

對(duì)上述發(fā)現(xiàn)缺陷進(jìn)行返修，發(fā)現(xiàn)該缺陷為未熔合缺陷，經(jīng)測(cè)量，缺陷距離上表面為8 mm，返修結(jié)果照片如圖7所示。

從以上的工程實(shí)例可知：在幾種常用的TOFD表面盲區(qū)輔助檢測(cè)方法中，超聲脈沖反射法對(duì)壁厚較大工件的表面盲區(qū)有一定的局限性，對(duì)壁厚較薄工件的盲區(qū)是一種有效輔助檢測(cè)；爬波檢測(cè)對(duì)工件壁厚無特殊要求，且以成像的方式反映缺陷，對(duì)TOFD 表面盲區(qū)檢測(cè)是一種很好的補(bǔ)充檢測(cè)方法。

圖7 缺陷返修結(jié)果

4 結(jié)論

（1）常用無損檢測(cè)方法中超聲脈沖反射法與磁粉檢測(cè)法在一定程度上可有效地解決TOFD 表面盲區(qū)檢測(cè)問題。

（2）超聲爬波檢測(cè)法對(duì)近表面缺陷的檢出與工件壁厚無關(guān)，當(dāng)采用4 MHz爬波探頭，探頭前端距焊縫中心為40mm，靈敏度為63dB進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可發(fā)現(xiàn)1～8mm 深的刻槽及埋深為3～10 mm 的側(cè)孔，并且缺陷以成像的方式直觀反映，因此，爬波檢測(cè)法是TOFD 表面盲區(qū)檢測(cè)中一種有效的輔助檢測(cè)方法。

［1］ 郝曉軍，牛曉光.TOFD 檢測(cè)盲區(qū)的研究及其解決方法［J］.河北電力技術(shù)，2009，28（5）：26－28.

［2］ 盧超.近表面缺陷的超聲TOFDR 和TOFDW 檢測(cè)［J］.失效分析與防護(hù)，2012，7（3）：153－157.

［3］ 強(qiáng)天鵬，肖雄，李智軍，等.TOFD 技術(shù)的檢測(cè)盲區(qū)計(jì)算和分析［J］.無損檢測(cè)，2008，30（10）：738－740.

［4］ ASTM E2373－2004采用衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程［S］.

［5］ HATANAKA H，F(xiàn)URIKOMA N，et al.Application of ultrasonic TOFD method for welds of LNG storage tanks［J］.Ishikawajima－Harima Engineering Review，2002，42（3）：151－156.

［6］ 任吉林，林俊明.電磁無損檢測(cè)［M］.北京：科學(xué)出版社，2008：222.

［7］ SMITH P H.Practical application of“creeping”waves［J］.British Journal NDT，1987（9）：318－322.

［8］ 樊利國(guó)，荊洪陽.爬波檢測(cè)及其應(yīng)用［J］.無損檢測(cè)，2005，27（4）：212－216.

［9］ 張國(guó)豐，嚴(yán)智，袁光華，等.爬波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用［J］.無損檢測(cè)，2010，32（1）：28－31.