超声波检测新技术

1超声波检测新技术-TOFD摘要：本文通过简单介绍超声波检测中TOFD方法的物理原理和在无损探伤中的应用，提出了TOFD检测技术将会更加广泛应用于焊缝的无损检测工作中。TOFD检测技术的发展过程、TOFD检测的原理、优点及其局限性，对TOFD检测主要应用范围进行了阐述。给出了TOFD检测的一般工艺流程,并结合实际操作,说明了该技术的重要用途，对TOFD技术对缺陷精确定量进行了简要说明。关键词:超声波；TOFD；检测NewtechnologyofultrasonicTOFDABSTRACT:inthispaper,thephysicalprincipleofTOFDinultrasonictestingmethodisbrieflyintroducedandappliedinnon-destructiveinspection,putforwardanondestructivetesttechniqueforthedetectionofTOFDwillbemorewidelyusedintheweldingseam.TOFDdetectiontechnologydevelopmentprocess,theTOFDdetectionprinciple,advantagesandlimitationsofTOFDtesting,mainapplicationrangearedescribed.ThegeneralprocessofTOFDdetectionispresented,andcombinedwiththeactualoperation,explainstheimportantusesofthetechnology,theTOFDtechnologyofthepreciseandquantitativedefectsareintroducedbriefly.Keywords:ultrasonic;TOFD;detection0引言TOFD(Time-of-flight-diffractiontechnique)检测技术于1977年，由英国Silk教授根据超声波衍射现象首次提出。现已在核电、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技术的检测费用是脉冲回声技术的1/10。现在，TOFD检测技术在西方国家是一个热门话题，现已开始大量推广应用，几年以后，将有取代RT的可能。2006年9月TOFD标准组成立暨首次会议上，中国特检院提出由全国锅容标委归口，2009年12月《固定式压力容器安全技术监察规程》（简称“新容规”）开始实施，后延至2010年11月正式实施。TOFD监测系统由计算机超声波探伤仪本体、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。仪器能以不可更改的方式将所有扫描信号和TOFD图像存储于磁、光等永久介质，并能输出其硬拷贝。[1]《固定式压力容器安全技术监察规程》第4.5.3.1无损检测方法的选择：压力容器的对2接接头应当采用射线检测或者超声检测，超声检测包括衍射时差超声检测（TOFD）、可记录的脉冲反射法超声检测和不可记录的脉冲反射法超声检测；当采用不可记录的脉冲反射法超声检测时，应当采用射线检测或者衍射时差超声检测（TOFD）做为附加局部检测。第4.5.3.4.2超声检测技术要求：采用衍射时差超声检测（TOFD）的焊接接头，合格级别不低于II级。[2]1TOFD检测的原理和应用1.1基本原理TOFD检测原理：当超声波遇到诸如裂纹等缺陷时，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。也可理解为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。两束衍射波信号在直通波与底面反射波之间出现。缺陷两端点的信号在时间上将是可分辨的，根据衍射波信号传播的时间差可判定缺陷高度的量值。因为衍射波分离的空间（或时间）与裂纹高度直接相关。[3]非平行扫查一般作为初始的扫查方式，用于缺陷的快速探测以及缺陷长度、缺陷自身高度的测定，可大致测定缺陷深度。必要时增加偏置非平行扫查作为初始的扫查方式。平行扫查一般针对已发现的缺陷进行，可精确测定缺陷自身高度和缺陷深度以及缺陷相对焊缝中心线的偏移，并为缺陷定性提供更多信息。在很多场合，因为需要迅速地完成检测，或者受到资金的限制，仅能执行非平行扫查进行检测。发现缺陷后，若要得到合理的缺陷类型和准确的尺寸，将采用平行扫查。如果缺陷长，将沿着缺陷长度的不同的点进行平行扫查检测。[4]1.2TOFD的特点优点:TOFD检测技术对缺陷检出能力强，缺陷定位精度高，节约了设备的制造时间，使用安全，检测数据可用数字形式永久保存，具体优点有：（1）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。（2）同射线检测相比，TOFD可以检测出与检测表面不相垂直的缺陷和裂纹。（3）可以精确地确定缺陷的高度。（4）在安全方面，不需要一个独立的安全操作空间，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。（5）可以在线得到检测结果，并且可以将结果用数字信号形式永久保存在光盘中，以便于3以后在役检验进行对比分析。（6）可以在线应用相关的工程评定标准，对缺陷进行评定，可以仅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。（7）由于检测速度快，对于板厚超过25mm的材料，检测费用比RT少得多。（8）可以在200℃以上的表面进行检测（已有在400℃检测的实例）。（9）TOFD检测系统易于搬运，可以在方便的任何地方进行检测。（10）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。（11）检测率高于常规的超声UT。[5]缺点：（1）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。（2）在检测表面下，存在一个检测不到的死区；根据各生产单位的技术条件，此死区在2～10mm不等。（3）检测人员必须经过专门的训练，且应积累相应的操作经验。采用非平行扫查和偏置非平行扫查时，TOFD检测在扫查面和底面均存在表面盲区。TOFD检测前应根据探头设置及所选择的扫查方式，通过试验测定其扫查面表面盲区高度。对于盲区采取其他检测方法进行补充，如内部缺陷可辅以射线或超声检测，对于表面缺陷采用磁粉、渗透、涡流检测等。综上所述，TOFD检测技术越来越多地运用到生产实践中，且超声TOFD技术的应用对国内大型压力容器的制造发展具有重要意义，应在检验实践中推广使用并对其相关技术进行广泛的探讨。[6]2TOFD检测应用TOFD检测的特点是它完全不同于传统超声波检测技术，根据反射信号及其幅度来检测和评定缺陷，即不是以缺陷回波幅度作为定量评判依据，而是靠脉冲传播时间来定量，能够不受声束角度、检测方向、缺陷表面粗燥度、工件表面状态及探头压力等因素的影响，对于判定缺陷的真实性和准确定量十分有效，而且TOFD可以和脉冲反射法相结合相互取长补短。这在数字化的多通道系统上能够实现TOFD和脉冲回波同时进行检测和分析的。[6]例如在焊缝检测上，TOFD对于焊缝中部缺陷检出率很高，容易检出方向性不好的缺陷，可以识别判断缺陷是否向表面延伸，采用TOFD和脉冲回波相结合，可以实现100%焊缝覆盖，沿焊缝作一维扫查，具有较高的检测速度，缺陷定量、定位精度高，并且根据TOFD的检测结果有助于进行缺陷寿命评估（ECA）分析。[7]王晓姝[8]在180万吨／年柴油加氢精制装置基础设计中对TOFD进行研究指出超声衍射时4差法(TOFD)是根据超声波与缺陷端部相互作用产生衍射波的原理发现缺陷的，并基于衍射波时间差与缺陷自身高度的关系对缺陷尺寸精确定量。郑晖，林树青[9]在研究TOFD的应用中指出。TOFD不使用信号幅值作为判定缺陷的依据，从很大程度上消除了缺陷角度对检测结果的影响，缺陷检出率高，定量准确，弥补了传统超声检测技术的不足。杨先明，王海涛，赵大丹，等[10]在TOFD和结合相控阵技术中表明超声相控阵是通过控制换能器阵列中各阵元发射(或接收)超声波的相位延时，形成不同角度的波阵，从而实现声束聚焦偏转的技术。刘畅，张国福[11]在厚壁压力容器近表面TOFD检测研究中指出，从厚壁压力容器近表面缺陷的检出率和缺陷尺寸定位定量的精准性角度出发，开展205mm厚壁试块超声波衍射时差法(TOFD)上分区检测实验，结合上分区的整体成像结果，验证理论计算得出的通过改变探头间距和入射角来减小上表面盲区的方法是否可靠。郭永良，郑晖，刘礼良等[12]在厚壁压力容器TOFD检测技术参数时的实验结果表明，TOFD具有很强的独立发现上表面盲区内缺陷的能力，但无法获得缺陷自身深度和高度的精确定量，结合相控阵技术则可以有效提高近表面检测效果。元亚明，叶宇峰，蔡刚毅，邓易[13]在TOFD检测技术在液化气球罐定期检验中的应用时表明球罐作为一种特殊的压力容器，在石油化工行业中得到了广泛的应用，简单介绍了TOFD检测技术，以2000立方米液化气球罐为例，阐述了TOFD检测技术在液化气球罐定期检验中的各项要求，对TOFD检测仪器调节方法、主要检测工艺参数、扫查面和底面盲区进行了分析，得出扫查面盲区比底面盲区要大的多，建议增加有效的检测方法来减小盲区的影响。纪虎[14]在TOFD技术在海底管线检测中的应用研究时表明TOHI设备自动化检测工装设计与研究目前T0FD检测扫查器和耦合剂的添加，均为手动式，特别是大管径检测中，长时间推动扫查器容易产生疲劳，推动的力度不均匀，且有时抖动，这对检测结果产生不利的影响，为了提高检测效率，保证检测结果的可靠、有效性，需要研制自动扫查机构，即手持遥控自动爬行扫查机构，实现平稳行走，传感器匀速获得焊缝质量信息信号，不至于抖动产生扭曲失真，同时实现根据实时图像结果和检测人员命令反复微距离、灵活扫查运动。陆俊，张琼，杨俊安，王一，刘辉．[15]在嵌入深度信念网络的点过程模型用于关键词检出啪信号处理时做出了总结TOFD技术海底管线焊缝检测应用研究在理解理论、标准及具体设备技术性能的基础上，开展实际海底管线焊缝检测工程方面的应用研究。马勇，鲍长春，夏丙寅研究基于辨别性深度信念网络的说话人分割[16]时根据海底管线环焊缝检测特点及典型缺陷类型标准试块的制定用于仪器设备的校准。自然缺陷试件的制作用于设备的进一步验证，结合其它辅助检测手段，如磁粉渗透、射线等，验证TOFD检测技术的高灵敏度。5夏智，[17]对厚壁压力容器超声波周向检测工艺的分析中，以200mm壁厚的压力容器说明了检测时的缺陷，TOFD自身存在的固有缺憾——表面盲区问题，严重削弱了该技术在近表面的检测效果，不利于设备的安全稳定运行。笔者试图结合理论计算和试块试验分析TOFD在200mm厚壁压力容器上分区的成像可靠性，结合相控阵技术完成缺陷的精确定量，从而提高检测工艺。吴熳红，杨继旺几种电力负荷预测方法及其比较[18],从电力负荷计算过程中可以看出，机泵所输送介质在设计操作条件下的扬程、流量、温度、密度、粘度等参数不变的情况下，轴功率的计算数值与机泵效率有关，选用的需要系数及功率因数角相对应的正切值不同，计算负荷结果也不同，在计算最大负荷时选取的电机最大负荷同时系数及馈电线路损耗后的综合系数不同，对无功功率补偿的容量也有较大的影响，计算的结果也会影响变压器的选型。张超，吕玉琴，侯宾，陈小军，俎云霄[19]基于BP神经网络短期电力负荷预测研究指出根据海底管线环焊缝检测特点及典型缺陷类型标准试块的制定用于仪器设备的校准。自然缺陷试件的制作用于设备的进一步验证，结合其它辅助检测手段，如磁粉渗透、射线等，验证TOFD检测技术的高灵敏度。6结束语电机转子不平衡是一种常见故障，它的存在直接影响设备运行工况。对于不平衡故障的诊断，较常用的方法是通过频谱分析的手段进行判断。对于简支转子（转子位于两个轴承之间）和悬臂梁转子（被驱动转子位于两轴承外侧），不平衡引起的故障特点是不同的。本文介绍的1＃电机，虽然其工作转子在两轴承之间，但呈