TOFD第6章缺陷信号特征和数据评定2016-5

第六章缺陷信号特征和数据评定许遵言6.1缺陷信号特征TOFD检测发现的缺陷分为表面开口缺陷和埋藏缺陷两大类。其中表面开口缺陷可分为三小类，即：（1）上表面开口缺陷；（2）下表面开口缺陷；（3）贯穿性缺陷。埋藏缺陷也可分为三小类：（1）点状缺陷；（2）没有自身高度的缺陷；（3）有自身高度的缺陷。缺陷的类型及位置，高度及长度是TOFD技术的检测结果评定分级的基本依据。需要指出的是，上述分类只是按照缺陷位置和尺寸划分了缺陷的类型，并没有要求确定缺陷的性质。众所周知，缺陷性质对于判断其危害性，在使用过程中是否会扩展而导致破坏十分重要，但由于TOFD技术的局限性，根据其信号特征和图像尚不能准确判断缺陷的性质，所以到目前为止，有关技术规范和标准一般并不要求对发现的缺陷定性。在应用常规脉冲回波超声技术检测时，有经验的人员可以从信号的A扫描波型和其在焊缝中的位置，以及对材料特性、焊接技术的认识和工厂质量管理情况，综合分析推测该缺陷的性质。对TOFD技术来说同样如此，并没有更有效的手段可用，除了信号特征外，相关常识和尽可能多的背景知识是缺陷定性的重要依据。对于脉冲回波，随着探头角度而变化的信号幅度有助于判别体积型缺陷和平面型缺陷，但是对于TOFD来说，这种方法不能采用，必须使用其他的线索。对TOFD技术，缺陷定量和定性的一个重要线索就是尖端衍射信号的相位。与直通波相位相同的信号是下尖端产生的衍射信号，与直通波相位相反的信号是上尖端产生的衍射信号。增加辅助检测可以得到更多更详细的信息。平行扫查用于缺陷定性是非常重要的，因为在焊缝横截面上的缺陷位置和缺陷延伸的方向可以显示出来，这将为判断缺陷类型提供重要提示。如有可能应同时采集脉冲回波以及TOFD数据，因为这两个技术是相互补充的，检测数据越多，就越能得到缺陷的表现特征。对于不能归类的缺陷或者不确定的缺陷，一般将其看作最坏的情况，即裂纹，除非有充分证据证明其不是裂纹，这样处理是非常必要的。6.1.1上表面开口缺陷信号特征上表面开口缺陷有两个特征：（1）直通波消失或下沉；（2）仅有下尖端衍射。这一类缺陷的A扫直通波信号会消失，图像中的直通波会断开（图6.2）。但对长度或高度较小的上表面开口缺陷，其A扫直通波信号可能并不消失，仅仅是波幅减小；图像中的直通波并不断开，仅仅因传输时间延长而下沉（图6.3）。此类缺陷的下尖端信号较弱，其相位与直通波相同。但对高度较小的缺陷，其下尖端信号可能被直通波掩盖。除非缺陷很大，一般情况底面波没有变化，且无异常变形波。图6.2上表面开口裂纹的图像12图6.3上表面和下表面开口槽的信号显示图6.4上表面开口缺陷的平行扫查图像采用平行扫查可以使上表面开口缺陷的信号更容易分辨，其高度和端点的位置测量也更准确（图6.4）。如果上表面开口缺陷的下尖端的信号被直通波掩盖，可采用直通波去除（差分）的处理方法使信号显示出来。如果扫查时探头相对工件提离，耦合剂厚度发生变化，图像中的直通波就会扭曲或上下跳动，影响表面开口缺陷的识别，这时需要使用软件进行拉直处理。为了保存掩盖在直通波内的真实信号，应采取拉直图像的底面波信号，而不是拉直直通波信号来进行处理，拉直直通波和拉直底波的效果是一样的，因为探头提离时直通波和底面回波信号是同时移动的。上表面开口缺陷的定性可通过目视观察，或应用磁粉、渗透等表面检测方法确认。如果较大的裂纹在表面只有很小开口，表面检测难以判断，可以使用爬波探头检测验证。使用斜角横波探头的二次波来寻找角反射来验证。6.1.2下表面开口缺陷信号特征下表面开口缺陷的两个主要特征是：（1）底面回波消失或减弱；（2）仅有上尖端衍射。有三种情况:①如果高度很大，则A扫的底波信号会消失，图像中的底波会断开（图6.5）;②如果缺陷高度不太大，其A扫底波信号可能并不消失，仅仅是波幅减小，图像中的底波并不完全断开，仅仅信号减弱而灰度变浅或因传输时间延长而下沉（图6.6）；③如果底面开口缺陷高度很小，则底面波的信号将几乎不发生变化。此类缺陷的上尖端信号相位与直通波相反。除非缺陷很大，一般情况下直通波没有变化。图6.5高度很大的下表面开口缺陷，底波消失图6.6高度中等的底面开口缺陷，部分底面波切断靠近底面的信号的识别是比较困难的，因为底部可能发生的缺陷种类众多，例如裂纹、条状夹渣，条形气孔、未熔合、未焊透、内凹、错边、根部腐蚀等。另一方面，对底部缺陷的验证也比对上表面缺陷的验证困难。可以通过比较上尖端信号波幅来区分裂纹和其他缺陷。来自裂纹上尖端的信号很弱，而内凹和条形缺陷能产生比裂纹尖端更强的信号，比较图6.7与图6.6可以看到这一现象。需要注意的是，虽然大多数情况是这样，但并非总是如此。其他可以验证裂纹的办法是进行更多的扫查，使用脉冲回波或者爬波去寻找角反射体来进行验证。图6.7高度很小底面开口弧形槽(深2mm，板厚40mm）图6.8表面开口缺陷的轮廓如果一个底面开口的缺陷具有图6.8所示的轮廓，其TOFD信号就如图6.7所示：缺陷图形向两边有较大的延伸，与底波连接是清晰和连续的。而当缺陷轮廓相对于底面边缘形成大角度过渡时，衍射的有效能量下降，信号就可能不会延伸到底面。例如裂纹或表面气孔，其TOFD信号与底波连接往往是不清晰和连续的。这种情况可见图6.9，气孔的信号显示。图6.9下表面气孔，深3mm图下表面开口缺陷图根部未焊透图根部内凹6.1.3贯穿性缺陷的特征贯穿型缺陷会导致所有信号缺失或减小，可能会出现整个图象从上到下的不连续，直通波和底面回波都会有断开的迹象，比较容易识别（图6.10）。在扫查过程中，如果发生探头与表面耦合不良的情况而导致信号丢失，也会出现图像不连续的类似情况（图6.11），必须注意不能与贯穿型缺陷混淆。两者的一个重要区别是，贯穿型缺陷左右有衍射的特征弧线，而信号丢失则没有。只要图像不连续，无论哪一种情况都不能轻易放过，需要仔细辨认，重复检测。图6.10贯穿型裂缝显示（直通波和底波消失，贯穿部位衍射信号左右一致）图6.11缺少耦合剂，信号丢失6.1.4埋藏的点状缺陷的信号特征体积型埋藏缺陷的典型实例是气孔和夹渣。小夹渣和气孔的长度和高度很小，D扫描中产生的信号呈现弧形，气孔的圆球形状使得它的弧线比夹渣更长一些。如果气孔和夹渣有一定长度，信号会有一段对应长度的平坦显示。一般来说，它们高度很小，不可能有明显的上尖端和下尖端信号。(参见图6.12)。这些缺陷形状容易识别，且一般不写入报告中。如果存在密集气孔，就有必要测量其体积。如果超出标准的规定，就需要报告它的大小（图6.13）。对密集气孔群的图像，如果使用SAFT技术处理，可以得到更清晰的显示。D扫描中气孔和夹渣的显示图6.12点状气孔和夹渣显示图6.13数量较多的点状缺陷显示图6.13数量较多的点状缺陷显示6.1.5埋藏的没有自身高度的缺陷的信号特征埋藏的没有自身高度的条形缺陷主要是指条状夹渣和条形气孔，当然也包括一些自身高度较小（例如小于1mm）的未焊透、未熔合和裂纹。一般来说，能从信号或图像中分辨出气孔或者夹渣高度的情况很少，因为它们不仅高度很小，而且上尖端和下尖端信号不够明显。从圆形反射体发出的信号，如气孔和夹渣，上部反射信号较强，得不到衍射信号，只有下部的回波是衍射产生的。虽然这两个信号有相位差，但是可能难以辨认。条状夹渣往往会断成几节，如图6.14、图6.15所示。图6.14条状夹渣和分段夹渣显示图6.15链状气孔和单个气孔显示6.1.6埋藏的有自身高度的缺陷的信号特征埋藏的有自身高度的缺陷主要是指裂纹和未熔合，当然也包括一些自身高度较大的条状夹渣和条形气孔。裂纹和未熔合都属于面积型缺陷，其信号比较相似。有一定高度的内部裂纹和未熔合的信号由上下尖端衍射波组成，两个信号的相位相反，振幅比较弱(见图6.17、图6.18)。相位信息非常重要，因为如果相位相同，信号就不是来自于同一缺陷。图6.17埋藏裂纹，16MnRT=62mm缺陷深度35~42mm图6.18埋藏裂纹(材质：16MnR；厚度：50mm；深度：22~35mm)裂纹与未熔合信号有一些细微的区别：焊接产生的裂纹上下端点一般不太规则，在深度平面上很少是一条直线；有些裂纹除上下端点信号外，在两者之间可能还有其他杂散信号。未熔合与裂纹相比，其上下端点信号比较规则，在深度平面上基本上为直线或曲线，除上下端点外，其它杂散信号较少。比较图6.17、图6.18和图6.19、图6.20，可以看出这种区别。图6.19埋藏未熔合（材质：16MnR；厚度：50mm；深度：17~23mm)图6.20埋藏未熔合和夹渣如果埋藏的体积型缺陷（例如条状夹渣）有足够的高度，其信号看起来有些像裂纹，但是通常其上端点信号要强的多(见图6.20)，这是区分平面型缺陷和体积型缺陷的判据之一。但由于裂纹尖端轮廓有多种变化，所以这种幅度差别仅仅作为参考，不是绝对的。如果TOFD检测的结果不能确定，可以利用斜角横波探头来帮助区分平面型缺陷和体积型缺陷。图6.20条状夹渣的信号，上端点信号波幅更强6.1.7焊缝根部缺陷和形状缺陷回波特征对管道和小直径容器的单面焊焊接接头，有好几种焊接缺陷可能出现在根部，包括咬边、焊瘤、未焊透和错边等。这些缺陷的存在使检测的难度增加，用常规脉冲回波法很难从各种缺陷信号中识别出裂纹信号，但在TOFD的D扫描中，裂纹信号是可以识别的。对在用管道和容器，根部腐蚀是常见缺陷，用TOFD来检测焊缝根部的腐蚀也是有效的方法，这种检测在海上石油工程中应用很多（图6.22）。图6.22焊缝根部严重腐蚀显示焊缝形状缺陷的存在会导致在TOFD扫查中出现靠近底面的信号，如果它们在高度上有变化，则在外形上看起来很像裂纹。通常焊缝形状缺陷会将底面回波分成两条或更多条，其信号比裂纹信号长，波幅也高。错边，将导致双倍或更多倍数的底波信号，比裂纹信号要长得多，波幅也高得多。TOFD对不等厚的板对接焊缝或管对接焊缝的扫查也会导致双倍或更多倍数的底面回波，底面回波会覆盖一部分需要检测的焊缝体积（图6.23至图6.26）。图6.23焊缝根部腐蚀显示（发生在焊缝两侧的热影响区）图6.25由于不同的壁厚造成的两次下表面反射图6.26管道环焊缝错口造成的显示6.1.8横波和波型转换信号的识别在第一章中我们说，TOFD使用纵波是因为它们在所有的横波到达之前最先到达接收器，这样用纵波信号的传输时间来测量和计算衍射点深度就简便易行。一般情况下，纵波底波之前应该只有纵波信号，不会出现横波信号或变形波信号，这里变形波是指发生波型转换：纵波在缺陷端点衍射转换为横波，或横波在缺陷端点衍射转换为纵波。但在实际检测中，我们可能在TOFD扫描图上看见波型转换信号出现在纵波底波之前或出现在纵波信号观测区，给信号的识别和解释带来困难，有两种情况容易出现这种现象：1.厚工件进行非平行扫查时PCS过小正常检测我们按照2/3T法则设置PCS，在纵波信号观测区是不会出现波型转换干扰信号的。但在厚工件检测的分区扫查时，最近的一个区的PCS较小，有可能是变型波信号跑到纵波底波前面，或者跑到设定的深度显示范围里。我们通过一例计算来说明PCS过小会导致变型波信号出现的现象。【例】检测厚度60mm焊缝，分两个区进行扫查，第一对探头角度为60°，聚焦在20mm处，分别计算：（1）第一对探头的PCS;（2）纵波底波信号到达时间；（3）30mm深度气孔的纵波入射纵波反射信号到达时间；（4）10mm深度的裂纹下端点的变型波（纵波入射横波衍射）信号到达时间；（5）裂纹下端点的变型波信号会在观测区的哪一深度上出现？图6.27PCS过小导致变型波信号出现的图示解：（1）第一对探头的PCS:PCS=2×20×tg60°=69.28mm，S=34.6mm（2）纵波底波信号达到时间：t=2×（602×34.62）1/2/5950=0.02328s（3）30mm深度气孔的纵波入射纵波反射信号到达时间：t1=2×(302×34.62)1/2/5950=0.01539s（4）10mm深