1、 本文由 worklv 贡献pdf 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。内 蒙 古 电 力 技 术2010 年第 28 卷第 6 期 INNER MONGOLIA ELECTRIC POWER33衍射时差法超声检测在电站设备 无损检测中的应用研究Application Research of Ultrasonic TOFD Testing in Power Station Non-destructive Testing田力男，卫志刚，张（内蒙古电力科学研究院，内蒙古涛，张艳飞呼和浩特010020 ） 摘要 衍射时差法超声检测（TOFD）技术是一种
2、新型检测技术，与常规超声检测相比有 较大优势。 选用 OmniScan-MX 检测仪，对扫查装置进行改装，并设计加工特种试块；设置各类检测参数，制定出具体的 TOFD 检测程序对试块进行非平行扫查：检测出特种试块内不同性 质、不同方位的所有缺陷，且成像直观、易于识别。 将 TOFD 检测技术实际运用于电站设备的 无损检测，取得了较好的检测结果。 研究表明：TOFD 检测技术能够提高缺陷的检出率、降低误 判率，但也存在一些局限性。 关键词 衍射时差法超声检测；无损检测；焊缝缺陷；电站设备；OmniScan-MX 检测仪 文献标志码 B 文章编号 10086218 （2010）060033051
3、TOFD 技术概述1.1发展状况情况下，接收探头首先接收直通波，最后接收底面反 射波。如有缺陷存在，则在直通波和底面反射波之间 还会接收到缺陷端点（或边界）的衍射波，如图 1 所 示。 上述波信号最初表现为 A 扫描信号，连同位置 编码器传出的坐标值被主机接收， 经数字图像化处 理，最终形成 B、D 等二维图像扫描显示。 检测人员 主要根据这些显示进行缺陷的定性、 定位及定量 2。焊缝20 世纪 70 年代，衍射时差法超声检测（Time of flight diffraction ，以下简称 TOFD）技术问世于英国， 最初应用于核反应堆的厚壁压力容器检测 1。 20 世 纪末，随着计算机技术
4、的飞速发展，TOFD 技术与数字化超声设备相结合， 发展成为一种超声成像检测 技术。 21 世纪初，TOFD 技术引入我国，先后在西气 东输和神华煤液化工程中应用成功， 目前 TOFD 技 术被广泛应用于核工业、航空航天、电力、机械制造、 石油、化工等领域。发射探头 扫查方向接收探头焊缝中的 声束1.2检测原理TOFD 是 1 种新型超声检测技术， 它可通过超声波的尖端衍射来检测缺陷， 通过波的传播时差测 量缺陷，通过信号的图像化处理来显示缺陷 1。 进行 TOFD 检测时，发射探头发射声脉冲。 一般 收稿日期 2010-06-10图 1TOFD 扫查示意图1.3优缺点 与 常 规 超 声 检
5、 测 技 术 相 比 ，TOFD 技 术 主 要 具 作者简介 田力男（1968 ） ，男，内蒙古人，硕士，高级工程师，从事无损检测及金属技术监督工作。 基金项目 内蒙古电力科学研究院 2008 年自筹经费科研项目。34有以下优点 3：内 蒙 古 电 力 技 术2010 年第 28 卷第 6 期3特种试块的设计加工针对电站锅炉、压力容器、承压管道焊缝的结构（1） 测量精度高（一 般 为 1 mm） ，并 能 测 量 缺 陷的自身高度，但有一定的测量误差；常规超声检测 无法测量缺陷自身高度。 （2） 可以检出有效区域内任意方向上的缺陷。 （3） 借助 B、D 扫描显示，有效提高了缺陷检出 率及缺
6、陷定性的准确性，降低了误判率。 （4） 一次扫查即可得到整条焊缝的信息，并可 离线分析。 但 是 ，TOFD 技 术 是 由 超 声 检 测 技 术 发 展 而 来 的分支，仍然存在超声检测固有的局限性，如不能精 确检测近表面缺陷、难以检测各类粗晶材料等。 特点及焊接缺陷的类型和分布规律，设计了 10 个特 种 试 块 （编 号 为 TOFDD1 TOFDD10 ） ，在 试 块 的 不 同位置上制作了 14 个缺陷， 包括未熔合、 裂纹、气 孔、夹渣、未焊透 5 类缺陷。 试块焊缝的结构形式包 括等厚对接、不等厚对接及根部错边。委托山东某焊 接培训中心采用特种方法对试块进行加工， 在焊缝 中
7、形成了预规划的人工缺陷，见图 4。 试块加工完后 均进行了射线探伤（见图 5） 。2 TOFD 检测设备及配置使 用 加 拿 大 R/DTech 公 司 （现 属 奥 林 巴 斯 公 司 ）制 造 的 OmniScan-MX 检 测 仪 ，配 置 探 头 、楔 块 及简易扫查架（见图 2） 。 简易扫查架用于实际检测，但所配直杆长度仅为 200 mm，难以实现不同情况下图 4 部分 TOFD 特种试块PCS （发射探头和接收探头入射点之间的距离）的设 置 ，因 此 ，另 外 制 作 了 1 根 直 径 10 mm、长 500 mm的长直杆。图 5 图 2试块的射线探伤结果OmniScan-MX
8、 检测仪、探头、楔块及简易扫查架此外， 对某检测设备公司提供的 1 个扫查架研 发样品进行了工装改造， 设计并制作了楔块架及编 码器夹持装置， 使之与 OmniScan-MX 检测仪所配 置的楔块及编码器组联。 经工装改造后的扫查架能 够使探头与工件更好地耦合（见图 3） 。 现场试验表 明，扫查的稳定性和实用性均优于原简易扫查架。4TOFD 检测程序及参数设置4在不同领域中，被检测对象在材质、厚度、结构形式、缺陷特性等方面各不相同，不同制造商生产的TOFD 探伤仪又有各自的特点和和操作模式。 因此， 运用 TOFD 技术对电站设备进行无损检测， 就必须有针对性地通过试验对各类检测参数进行设置
9、，并 制定出具体的检测程序。编码器后置夹持4.1TOFD 检测程序经过反复试验，确定了适合电站锅炉、压力容器编码器前置夹持 楔块夹及承压管道对接接头的 TOFD 检测程序。4.1.1经工装改造后的扫查架检测面准备 检测区域应为焊缝本身宽度再加焊缝两侧各相图 3当 于 母 材 厚 度 30% 的 区 域 ；检 测 面 应 平 整 ，表 面 粗2010 年第 28 卷第 6 期内 蒙 古 电 力 技 术35糙度 Ra6.3 m ，一般均需要打磨。 由于 TOFD 采用2 种。 在电站设备 TOFD 检测中应尽量使用非平行扫查，不推荐使用平行扫查，这是因为：通过非平行 扫查就可以完成缺陷的探测、定量
10、、定性等所有检测 内容，但是无法判断焊缝中心线另一侧的缺陷，可以 辅之以常规超声探伤确定； 平行扫查尽管可以判断 焊缝中心线另一侧的缺陷，但检测效率低，加之检测 前需要打磨去除焊缝的加强高，现场不便实现。1 收 1 发 2 个探头的工作模式，因此，对检测面的平整性和光洁度要求均高于普通超声检测， 否则将难 以移动探头或造成信号丢失。4.1.2探头选择 主要是确定探头的中心频率、 晶片直径及主声束角度。4.1.2.1中心频率4.1.4 PCS 选择非平行扫查 PCS 一般根据（1）式确定： （1 ） PCS 4 tan， 3 其中 为工件厚度， 为主声束角度。 即让 2 个探头 的声束轴线交于工
11、件壁厚的 2/3 处。 当工件厚度大 于 60 mm 时， 在厚度方向分成若干区域进行检测。 分区检测可以使用多通道检测设备一次完成扫查， 也可使用单通道检测设备， 采用不同的探头进行多 次扫查。增大探头频率可以提高缺陷的分辨率及深度方 向测量精度，但在同一晶片直径下，频率越高，扩散 角越小，直通波会明显减弱甚至消失，因此很难进行 下一步的扫查和分析。此外，频率过高，衰减就大，对 厚壁工件的探伤影响很大。但频率过低，精度和分辨 率均达不到基本要求。 本试验推荐频率为 5 MHz 。4.1.2.2晶片直径在同一频率下， 晶片直径越小， 声速扩散角越 大，但晶片直径太小则发射能量不足，制造加工的难
12、 度也越大。 在 TOFD 现有的设备和探头制造水平下， 本次试验推荐晶片直径为 6 mm 。4.1.5标识 检测前， 应确定扫查路径并在被检工件上予以4.1.2.3主声束角度标识，包括扫查起始点和扫查方向等。探 头 主 声 束 角 度 通 常 为 45 、60 、 70 3 种 ，主 声束角度大，则 PCS 大。 在大 PCS 条件下形成的扫 描显示中，直通波和底波相对靠近，分辨率低、深度 测量误差大，且直通波信号降低；主声束角度为 45 时，PCS 最小，但在实际探伤中，探头会受到焊缝盖 面宽度的限制。 因此，在工件壁厚为 12200 mm 时，4.1.6耦合剂选择 实际检测时所采用的耦合
13、剂应与进行系统设置时的耦合剂相同。 如果耦合不良，直通波 LW 和底面 反射波 BW 难以形成直线形状；耦合剂过厚施加，可 能导致扫描图像中的黑白条纹加宽而增大测量误 差。从试验效果来看，不易采用浆糊、洗洁精、机油等 作耦合剂，最好采用专用的成品耦合剂。70 探头尽量不用 （除非由于 PCS 间距小于检测区域宽度而无法使用 60 探头） ；45 探头能用则用（尤 其是壁厚较大时） ；60 探头最为常用。 综上所述， 在工件壁厚为 12200 mm 的 TOFD 检测中，本试验推荐按照表 1 所示的探头参数选择。表 1工件厚度/4.1.7探头与楔块的组合TOFD 探 头 与 楔 块 一 般 按
14、图 6 的 方 式 进 行 组合，组合时需要在探头与楔块间添加耦合剂（最好是 固态状的机械黄油，在变干前及时更换） 。 探头必须 拧到位，否则超声束将不能有效进入工件。探头线插口电站设备 TOFD 检测的探头推荐性选择和设置对应设备 扫查数/ 次 深度 /mmmm声束角度/ 声束交点/ （） mm四大管道、 高中压 导汽管、 高低压加 1260 热器、 除氧器、扩 容器10t70602t/3纵波探头60100厚壁承压管道、汽 包20t/2 t/2t 0t/3 t/32t/3 2t/3t7060 6045 7060 6045 60452t/3 5t/6 2t/9 5t/9 8t/9探头楔块间添加
15、耦合剂 楔块（有机玻璃或 类似材料） 波束角度100200汽包3图 6典型的 TOFD 探头与楔块的组合方式注： t 表示工件厚度。4.1.3扫查方式选择4.2基于 OmniScan-MX 检测仪的系统设置TOFD 的扫查方式分为非平行扫查和平行扫查TOFD 检测前， 要最后完成对各种检测参数的36内 蒙 古 电 力 技 术2010 年第 28 卷第 6 期设置（即系统设置） 。 本次试验只基于 OmniScan-MX 检测仪进行系统设置，见表 2。55.1特种试块的 TOFD 检测检测结果 使用 OmniScanMX 检测仪对试块的焊缝进行了非平行扫查， 部分 D 扫描显示见图 7。 使用
16、TO-MOVIEWER 软件对缺陷进行了测量，结果见表 3。 5.2数据分析 通过 TOFD 检测，检出了试块内不同性质、不同 方位的所有缺陷，缺陷成像直观、易于识别。 在常规 超声检测中难以检出的与探测面接近垂直的根部裂 纹、侧壁未熔合等缺陷均被 TOFD 有效检出。 缺陷的 成像特征随缺陷性质的不同而不同， 如未熔合缺陷 的上、下端点信号都较强，成像较规则；夹渣信号的 下端点信号弱，且呈断续不规则形状等。 分析表 3 的数据可知， 缺陷长度方向的测量精 度高，可以达到 （12 ）mm；但埋藏深度的测量误差表 2检测参数 脉冲发射强度（电压 V ） 脉冲宽度 参数键值图 7部分试块 TOFD
17、 检测 D 扫描显示较大且有波动（最小 5% ，最大 50% ） ；缺陷自身高度 也有较大的测量误差。 深度方向上的测量误差主要 是由于检测图像在深度方向上不能按比例线性显 示，只是非线性的压缩显示，而且 LW 与 BW 的时间 间隔较短， 测量时指针稍有偏差就会带来较大的误 差。 减小深度测量误差的主要措施是减小 PCS、采用 窄脉冲等使 LW 与 BW 的时间间隔尽可能长。基于 OmniScan-MX 的系统设置关键控制点及说明 探头频率越高，需选的电压越低，否则可能会损坏探头，但 5 MHz 探头可选 最高电压 200 V ，以产生最大的脉冲发射强度 触发方波的持续时间按脉冲超声波的半个
18、周期来设置， 使发射的超声波的 幅值最大200 V 0.5 脉冲波周期脉冲重复频率（PRF ）设为“最优”PRF 太 高 ，则 可 能 产 生 幻 像 波 ，表 现 为 直 通 波 前 还 有 波 形 显 示 ，此 时 应 降 低 PRF 值，直到 A 显示中的直通波前变为直线； PRF 太低，扫查速度又太快、扫查步进设得太小，就可能丢失数据，表现为在 B 显示中出现一道道的黑线如果在调整其他因素后直通波仍很弱，则需降低高通值，避免把扩散到表面 的低频部分滤掉 进行 TOFD 检查必然设成全波整流 信号平均一般选最大值，以最大程度上消除噪声信号的干扰。 但信号平均次 数越大，最大允许扫查速度越
19、小滤波 检波 信号平均次数 抑制高通：f/2 低通：2f 设为全波整流 RF 设为最大值 16 设为 0 一般将直通波的波幅设定 到满屏高的 4080% 起始位置应设置 为 直 通波 到 达 接 收 探 头 前 至 少 1 s ， 窗 口 宽 度 为 工 件 底面的一次波形转换波后 1 s 平板TOFD 检测不设抑制可直接在工件上进行灵敏度设置，若直通波不适合或不可见，可将底面反射 波幅设定为满屏高的 80% ，再提高 2032 dB ； 灵 敏 度 太 低 ，可 能 无 法 得 到 直 通 波 并 漏 检 缺 陷 ；灵 敏 度 太 高 ，则 可 能 无 法 测 量峰值 可直接在工件母材上进行
20、设置 因对焊缝进行非平行扫查，容器和管道均按平板对待 即 A 扫描和 B 扫描结果同时显示，便于分析与测量 输入编码器上的分辨率铭牌值，必要时需进行校准 根据扫查方向实际确定 不能选时间触发，否则将无法采集数据 与工件上所做的标识相匹配 根据探头拟行走的距离决定 扫 查 步 进 如 太 小 ，则 数 据 所 占 字 节 几 何 级 数 增 大 ；扫 查 步 进 如 太 大 ，则 焊 缝 信息大量丢失灵敏度（增益）A 扫描时间窗口工件几何形状 显示方式 位置编码器分辨率 编码器极性 触发方式 扫查起始值 扫查终止距离 扫查步进A-B 12 step/mm正向或逆向 编码器触发0 mm略大于探头所
21、走的距离1 mm，即编码器每走 1 mm 取 1 个 A 扫描2010 年第 28 卷第 6 期表 3试块 序号内 蒙 古 电 力 技 术37特种试块内部缺陷的测量结果埋藏深度 /mm 自身高度 /mm 缺陷 性质 侧壁未 熔合 中心线 裂纹 夹渣 密集 气孔 未焊透 缺陷 B长度 /mm设计值 实测值 设计值 实测值 设计值 实测值缺陷 ATOFDD1 TOFDD5 TOFDD6 TOFDD8 TOFDD918 20 2017 18 19 188 5 108.4 3.7 6.3 6.55 6 36.3 6.6 5.4 7.6图 10连排扩容器筒体焊缝上缺陷的刨挖结果212073.567.16
22、.3高压加热器 使用 TOFD 技术先后对华宁电厂 1 号机组、金6 TOFD 在电站设备无损检测中的应用6.1大板梁 使 用 TOFD 技 术 对 华 润 金 能 热 电 厂 1 号 机 组 大板梁进行检测，在 2 块大板梁的腹板对接焊缝内， 发现了未熔合、密集气孔等几处超标缺陷。对缺陷部 位进行刨挖后，实际结果与检测结果吻合，见图 8 和 图 9。山电厂 2 号机组的高压加热器进行了检测， 没有发 现缺陷。7结论及建议（1） TOFD 检测能对缺陷成像显示， 直观且易识别，可以检出有效区域内任意方向上的缺陷，与常 规超声波检测相比，提高了缺陷的检出率，降低了误 判率； 缺陷的 TOFD 成
23、像显示与缺陷的性质有较好 的关联，提高了缺陷定性的准确性。 （2 ） TOFD 检 测 涉 及 多 种 检 测 参 数 的 设 置 ，关 键控制点多，对检测工艺和检测过程要求高。 （3 ） TOFD 检 测 在 长 度 方 向 上 的 测 量 精 度 较 高 ， 但 在 深 度 方 向 上 的 测 量 误 差 较 大 ，检 测 时 需 采 取措施尽量减小。图 8刨挖后显示出的焊缝内部未熔合缺陷（4 ） 通过试验对比发现，对 60 mm 厚工件进行 一次扫查的结果与对其进行分区扫查的结果差别并 不明显。 因此，在实际探伤中，建议对 60 mm 以上的 工件进行分区扫查 （JB4730.10 报批
24、稿中规定为 50mm ） ， 这种划分方式对发电厂四大管道的 TOFD 检测具有实际意义。 参考文献 图 9 对缺陷部位进行刨挖后显示出的群气孔1 李 家 伟 ， 陈 积 懋 无 损 检 测 手 册 M 北 京 ： 机 械 工 业 出 版社，20042 郑晖 超声检测 M 北京：中国劳动社会保障出版社，20086.2连排扩容器 使用 TOFD 技术对包头第三热电厂 1 号机组连3 Print P.Carter.TIME-OF-FLIGHT DIFFRACTION COURSE（Level I and II） M .UK：Lavender international NDT Con-排扩容器筒体（材质 16MnR ，壁厚 16 mm ）上的 T 型 焊缝进行检测，在纵缝上发现有 2 处超标缺陷，缺陷 深 度 均 为 12 mm ，长 约 25 mm 和 35 mm ，对 缺 陷 部 位进行刨挖后，结果吻合，见图 10。sultancyServices Ltd ，1999. 4 J.P.Charlesworth ，J.A.G.Temple.TIME -OF -FLIGHT DIFF RACTIONM.UK:engineering application （Version2 ） RESEARCH STUDIES PRESS LTD.，2001.编辑：张俊英1
