武汉中科创新技术有限公司-2008年12月19日

武汉中科创新技术有限公司2008年12月19日TOFD技术概念TOFD技术,即Timeofflightdiffractiontechnique,超声波衍射时差检测技术．概念：一种依靠超声波与缺陷端部相互作用发出的衍射波来检出缺陷并对缺陷进行定量的检测技术．发展条件：因其原理与传统检测方式有很多不同，弥补了传统方法的不足之处．TOFD技术的发展历史背景1.TOFD即衍射时差法是由上个世纪七十年代由国际原子能中心的哈韦尔（英国原子能权威人士－UKKAEA）提议下发展而来。2.TOFD最初的发展仅仅是作为定量工具，最初的想法是：使用常规技术探测到缺陷后使用TOFD进行精确的定量和监测在线设备裂纹的扩展（例如检测压力容器）。3.很多年以来TOFD一直在实验室里，各国做过大量实验直到八十年代才为业界所认同；在这些实验中，用事实证明了TOFD在可靠性和精度方面都是非常好的技术。4.利用TOFD技术探伤沿焊缝进行扫查基本能发现焊缝所有缺陷，收集扫查数据组成B扫或D扫图像比单纯看A扫更容易判断缺陷的尺寸和性质。TOFD技术的优势1)TOFD技术的可靠性好。由于其主要是利用衍射波进行检测，而衍射信号不受声束影响，任何方向的缺陷都能有效的发现，使该技术具有很高的缺陷检出率。国外研究机构的缺陷检出率的试验得出的评价是：手工UT，50-70%；TOFD，70-90%；机械扫查UT+TOFD，80-95%。由此可见，TOFD检测技术比常规手工UT的检测可靠性要高得多。2）TOFD技术的定量精度高。采用衍射时差技术对缺陷定量，精度远远高于常规手工超声波检测。一般认为，对线性缺陷或面积型缺陷，TOFD定量误差小于1mm。对裂纹和未熔合缺陷高度测量误差通常只有零点几毫米。TOFD技术的优势3）TOFD检测简单快捷，最常用的非平行扫查只需一人即可以操作，探头只需沿焊缝两侧移动即可，不需做锯齿扫查，检测效率高，操作成本低4）TOFD检测系统配有自动或半自动扫查装置，能够确定缺陷与探头的相对位置，信号通过处理可以转换为TOFD图像。图像的信息量显示比A扫描显示大得多，在A型显示中，屏幕只能显示一条A扫信号，而TOFD图像显示的是一条焊缝检测的大量A扫信号的集合。与A型信号的波形显示相比，包含丰富信息的TOFD图像更有利于缺陷的识别和分析。TOFD技术的优势5）当今使用的TOFD检测系统都是高性能数字化仪器，完全客服了模拟超声探伤仪和简单数字超声波探伤仪记录信号能力差的特点，不仅能全过程记录信号，长久保存数据，而且能够高速进行大批量信号处理。6）TOFD技术除了用于检测外，还可用于缺陷扩展的监控，是有效且能精确测量出裂纹增长的方法之一。７）TOFD能对缺陷深度位置进行精确定位，对缺陷自身高度进行定量．８）由于缺陷衍射信号与角度无关，检测可靠性和精度不受角度影响。９）根据衍射信号传播时差确定衍射点位置，缺陷定量定位不依靠信号振幅。TOFD技术的优势1）TOFD检测结果与射线检测结果都是以二维图像显示，不同的是TOFD能对缺陷的深度和自身高度进行精确测量，而射线只能得到缺陷的俯视图信息，对于判断缺陷危害性程度的重要指标，厚度方向的长度，射线是很困难的2）TOFD技术可探测的厚度大，对厚板探伤的效果比较明显，但射线对厚板的穿透能力非常有限3）TOFD技术检测缺陷的能力非常强，特殊的探伤方式使其具有相当高的检出率，约90%左右，而相比之下，射线检测的检出率稍低，大约75%，在实际工作中，我们也发现有TOFD检测出来的缺陷，X射线未能发现的情况，这给质量控制带来了极大的隐患。TOFD技术与射线技术比较的优势TOFD技术的优势4）TOFD技术所采集的是数据信息，能够进行多方位分析，甚至可以对缺陷进行立体复原。这是因为TOFD技术是将扫查中所有的原始信号都进行了保存，在脱机分析中我们可以利用计算机对这些原始信号进行各种各样的分析，以得出更加精确的缺陷判断结果；而射线检测只能将射线底片置于观片灯前进行分析，不可以再进一步利用软件对缺陷进行更加全面的分析。５）TOFD检测操作简单，扫查速度快，检测效率高；而射线检测过程繁琐，耗时长，效率低下。TOFD技术与射线技术比较的优势TOFD技术的优势６）TOFD技术是利用超声波进行探伤，对检测时的工作环境没有特殊的要求。超声波检测是一种环保的检测方式，对使用人员没有任何伤害，所以在工作场合不需要特殊的安全保护措施；而射线检测因其放射的危害性受到国家政策的严格控制，现场只能单工种工作，降低了检测工作效率，阻碍了整个工程进度。7）TOFD检测成本低，重复成本少；而射线检测，建造暗室需要较高的投入，平时工作中的耗材成本重复发生，综合成本相对较高TOFD技术与射线技术比较的优势TOFD技术的国内发展情况１．２０世纪９０年代，我国开始引进ＴＯＦＤ检测技术，最早应用的单位有核动力研究所和中国一重．２．２０００年左右在西气东输中进行了大量应用．３．２００４年一重与中国特检院合作编订国内第一个ＴＯＦＤ企业标准，并对神华煤液化工程中世界上最大的加氢反应器（壁厚３４０mm）进行ＴＯＦＤ检测．４．２００５年，武汉中科创新技术有限公司研发出国内第一台ＴＯＦＤ专用检测设备．５．２００７年通过全国特种设备无损考委会培训和考核的共６０人．６．２００８年ＪＢ／Ｔ４７３０－２００５中ＴＯＦＤ检测标准出台，武汉中科创新技术有限公司是国内唯一一家参与标准制订的超声仪器生产厂家.TOFD原理1.波形衍射当超声波作用于一条长裂纹缺陷时，在裂纹缝隙产生衍射，另外在裂纹表面还会产生反射。TOFD就是利用声束在裂纹两个端点或端角产生的衍射波来对缺陷进行定位定量。探头入射波折射波衍射波探头被测工件发射探头接收探头被测工件TOFD扫查焊缝形成的A扫脉冲图像直通波上端点下端点底波－+－+3.波形的相位关系当超声波束由一个高阻抗的介质传播到一个低阻抗介质中时，在界面经过反射后波束相位发生改变，如果波束在遇到界面前是负向周期则在界面反射后转变为正向周期。发射探头接收探头如下图，波束经过上端点和底面时，在异质界面反射和相位发生转变，因此波形相位相似。而波束经过下端点时相当于波束在底缺陷底部环绕，相位不发生转变与直通波相位相似。根据理论和实验证明，如果两个衍射信号的相位相反，则在两个信号间一定存在一个连续不间断的缺陷。因此识别相位变化对于评定缺陷尺寸非常重要。利用上、下端点的时间差来计算缺陷深度和自身高度是TOFD探伤最重要的部分*注在一些特殊情况下，例如气孔，小夹渣之类的缺陷由于几何尺寸太小不会产生两个分离的端点信号ss4.深度计算公式ht如上图所示，两探头的信号是对称的，则在两探头之间的信号时间t可以用下式计算chSt222s＝两探头中心距的一半h=反射信号的深度c=声速由于时间可以由仪器自行测出，因此由左式可计算出缺陷深度22)2(stchSSh1h2h5.缺陷自身高度计算根据刚才的公式，计算出缺陷的上端点深度和下端点深度两者之差即为缺陷自身高度，如下式h=h1-h2h1=上端点深度h2=下端点深度TOFD扫描成像－+－+发射探头接收探头TOFD的成像并非是缺陷的实际图像显示，而是通过扫查时探头所接收到的A扫图形转换为黑白两色的灰度图，为了能有更清晰的图像因些要求至少256级的灰度分辨率＋100%0%－100%利用灰阶度来表示振幅，当回波处于0位时用中间灰色表示，当波形向正半周变化时向100%灰度（白色）渐变，当波形向负正半周变化时向-100%灰度（黑色）渐变A扫图像D扫图像直通波上端点下端点底波连续扫查时得到的扫描图像A扫波形D扫图像直通波底波有缺陷时扫描图像A扫图像D扫图像上端点下端点特殊缺陷的特征直通波被阻断下端点底波没有直通波和上端点的信号1.上表面开口裂纹当缺陷沿扫查方向有一定长度时，连续扫查得下如下D扫图像直通波被阻断下端点底波直通波断开只有下端点信号当表面开口深度非常小时，直通波并没有断开，但明显滞后直通波被阻断底波直通波滞后底波被阻断上端点底波2.下表面开口裂纹没有下端点和底波底波断开上端点底波被阻断上端点底波2.下表面开口裂纹由于开口深度较小，无法完全阻当直通波，因此底波并未消失，但明显滞后没有下端点和底波上端点底波滞后底波3.短小缺陷在焊缝中出现短小缺陷，上下端点距离很小，因此没有明显区分的上下端点衍射，因此会出现一个非常明显的不规则多次振荡信号底波4.近表面缺陷在近表面发现的缺陷，由于与直通波距离近，因此上端点与直通波叠加在一起难以区分。5.单个气孔由于几何尺寸小，因此没有明显分离的上下端点回波，形成一个独立的小月牙状，相位无法分辨TOFD扫查模式平行扫查:又称横向扫查,是指扫查方向与超声波束方向是平行的,扫查结果称为B-scan,所得结果主要是Ｙ轴和Ｚ轴方向值．该扫查方法能为我们提供很准确的深度结果，但因扫查时探头须越过焊缝，操作起来相对烦琐．非平行扫查:又称纵向扫查，是指扫查方向与超声波束方向不平行，扫查结果称为Ｄ－scan，所得结果主要是Ｘ轴和Ｚ轴方向值，扫查方便，适用大范围的焊逢检测，一般采用探头对称布置于焊缝中心线两侧沿焊缝长度方向扫查．⒈左偏置非平行扫查⒉右偏置非平行扫查TOFD扫查模式ＴＯＦＤ检测前要重点控制的指标分辨率分辨率是指识别２个信号所能代表的最小距离，分辨率在ＴＯＦＤ检测中决定了所能分辨的缺陷的高度尺寸极限，一般一个信号可以包含２－３个周期，相当于２－３波长，对于５Ｍ探头相当于２－３mm，对于小的夹渣和气孔，通常不能分辨其上下端点，但有时通过采用高频探头可以提高分辨率，不过会带来噪声并限制了检测厚度．声束扩散在ＴＯＦＤ检测中，一般情况下要尽可能少的扫查次数来检测大范围的金属材料，因此声束扩散角足够大是非常重要的，制定工艺时需要通过计算来确定声束覆盖范围．ＴＯＦＤ参数设置的设置与选择熟悉工件：焊缝类型，运行条件，需要检出缺陷的类型及位置，检验母材的分层和厚度，材料的衰减特性等．选择超声探头：探头频率，晶片尺寸，探头角度，探头对数，扫查次数等．设置探头间距：根据工件及探头的选择情况计算并设置探头中心间距．Ａ扫描采集参数选择：激发脉冲宽度设置，时间窗口的设置，阻尼设置等．增益设置：根据工件实际情况选择合适检测灵敏度．TOFD检测中探头的选择探头角度探头频率探头晶片尺寸探头对数选择1.探头角度TOFD检测中探头的选择角度在钢中５ＭＨＺ探头的波束扩散角D=6mmD=10mmD=15mm45°34.0-5738.8-51.840.8-49.960°47.3-8451.9-70.654.5-66.570°54.0-9059.6-90.062.6-82.1TOFD检测中探头的选择由上表我们可以分析出，４５°扩散角最小，但同一厚度时的时间差最大，即分辨率最好；７０°时扩散范围最大，但时间差太小，分辨率太低，可以看出角度与探头覆盖率成正比；与分辨率成反比．注：在直通波与底波之间容纳的周期数越多，分辨率越好．1.探头角度40mm厚度工件折射角度456070PCS,mm4883.2132LW,us8.11322.2BW,us15.719.425.9时间差，us7.65.423.8TOFD检测中探头的选择探头频率越高，波长越短，半扩散角越小（sinB=Fr/D）,覆盖率越低，增加了直通波与底波间的周期数，提高了分辨率．例：６０度测４０mm工件为例，直通波和底波间隔为５．４２us，对于１ＭＨＺ探头，一个振动周期为１us，则直通波和底面回波的时间间隔只有５个超声周期，这对显然是不够的，一般达到３０个周期能达到相当好的分辨率，如果是５ＭＨＺ探头，一个振动周期为０．２us，则直通波与底面回波的时间间隔有２７个周期，效果还比较好．２．探头频率TOFD检测中探头的选择从半扩散角公式，我们可了解到，晶片直径与扩散角成反比，即覆盖范围成反比．．３．探头晶片尺寸４．探头间距（PCS）探头间距与覆盖率成正比，比较直观．．TOFD检测中探头中心间距的选择探头中心间距：即我们常说的