超声相控阵&TOFD技术无损检测领域的应用

超声相控阵超声相控阵&TOFD&TOFD技术技术在无损检测领域的应用在无损检测领域的应用uu相控阵技术相控阵技术uuTOFDTOFD技术技术uu相控阵相控阵&TOFD&TOFD技术与传统技术与传统NDTNDT技术对比技术对比uu相控阵相控阵&TOFD&TOFD技术的应用现状技术的应用现状概要概要uu超声相控阵技术背景超声相控阵技术背景uu超声相控阵工作原理超声相控阵工作原理uu超声相控阵在无损检测中的应用超声相控阵在无损检测中的应用uu超声相控阵技术的优点超声相控阵技术的优点超声相控阵技术应用超声相控阵技术应用uu超声相控阵技术最早应用于军用雷达。超声相控阵技术最早应用于军用雷达。uu现在医院里采用的现在医院里采用的BB超也是基于相控阵技术。超也是基于相控阵技术。uu加拿大加拿大OlympusNDTOlympusNDT公司（即以前的公司（即以前的R/DTechR/DTech）最早将）最早将相控阵技术引入到工业无损检测领域。相控阵技术引入到工业无损检测领域。uu目前在世界范围内有超过目前在世界范围内有超过10001000台超声相控阵系统正应用于台超声相控阵系统正应用于不同无损检测领域，包括电厂、石化、船舶、航空航天、工不同无损检测领域，包括电厂、石化、船舶、航空航天、工业在线、锅炉压力容器、长输管线等。业在线、锅炉压力容器、长输管线等。超声相控阵技术背景超声相控阵技术背景超声相控阵定义u通过软件可以单独控制相控阵探头中每个晶片的激发时间，从而控制产生波束的角度、聚焦位置和焦点尺寸。相控阵探头类型12345678910111213141516X=-7.9,Y=-8.0--X=7.9Y=8.01234567891011121314151617181920212223242526272829303132X=-3.9,Y=-1.9--X=3.9Y=1.9线形阵1维线形阵2维矩形阵相控阵探头类型12345678910111213141516X=-4.4,Y=-4.4--X=4.4Y=4.412345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455565758596061X=-6.5,Y=-6.5--X=6.5Y=6.5•圆形阵–1维环形阵–2维扇形阵相控阵探头设计参数相控阵探头设计参数u相控阵探头晶片由复合材料制成，比常规压电陶瓷材料探头的信噪比高10-30dB。u将复合材料用机械方法切割成若干个小晶片，每个晶片都可以单独激发。相控阵扫查类型相控阵扫查类型•线形扫查：阵列中每组晶片都使用相同的聚焦法则。•扇形扫查：使用同一组晶片，但聚焦法则不同不同。•动态深度聚焦：通过硬件随时改变接收晶片的聚焦法则实现的。波束形成波束形成•每一个晶片的激发时间可以单独控制，产生的球面波在传播过程中波前相互叠加。如果所有晶片的激发时间都相同，形成的波阵面为纵波。电子扫查电子扫查u探头不作任何机械移动，而波束沿晶片阵列方向作电子扫查。u通过对激活晶片组进行多路延时，使波束产生移动。u扫查宽度局限于:–阵列中晶片的数量–采集系统支持的通道数量波束偏转•波束偏转是通过软件控制每一个晶片激发的延时使波阵面沿特定角度传播来实现的。DirectionofenergyDirectionofenergy波束聚焦•波束聚焦是通过软件控制每一个晶片的触发时间使波前在指定的位置进行叠加实现的。焦点尺寸取决于所用晶片的大小和数量。FocussedtocrossatthispointFocussedtocrossatthispoint相控阵脉冲发射/接收相控阵三维视图IndexaxisScanaxisVC-SIDE(B)VIEWUsoundaxisIndexaxisUsoundaxisVC-END(D)VIEWScanaxisVC-TOP(C)VIEWIndexaxisScanaxis超声相控阵技术典型应用焊缝检测-线性扫查焊缝检测-扇形扫查全自动超声相控阵焊缝检测T型焊缝扫查厚壁压力容器焊缝检测法兰盘腐蚀检测插管焊缝检测螺栓检测涡轮燕尾槽/转子检测螺纹检测TopnotchMiddlenotch完好工件有缺陷工件异种金属粗晶材料焊缝检测TRLPA探头腐蚀检测动态深度聚焦厚壁工件检测MechanicalDisplacementc=velocityinmaterialFOCUSDEPTH(PULSER)DYNAMICFOCUSING(RECEIVER)Beamdisplacement非DDFDDF超声相控阵技术优势uu实时彩色成像，包括实时彩色成像，包括A/B/C/DA/B/C/D和和SS--扫描，便于缺陷判读；扫描，便于缺陷判读；uu相控阵技术可以实现线性扫查、扇形扫查和动态深度聚焦，从而同时具相控阵技术可以实现线性扫查、扇形扫查和动态深度聚焦，从而同时具备宽波束和多焦点的特性，因此检测速度可以更快备宽波束和多焦点的特性，因此检测速度可以更快；；uu相控阵具有更高的检测灵活性，可以实现其它常规检测技术所不能实现相控阵具有更高的检测灵活性，可以实现其它常规检测技术所不能实现的功能，如对复杂工件的检测的功能，如对复杂工件的检测；；uu容易检出各种走向、不同位置的缺陷，容易检出各种走向、不同位置的缺陷，缺陷检出率高，缺陷检出率高，定量、定位精度定量、定位精度高；高；uu扫查装置简单，便于操作和维护；扫查装置简单，便于操作和维护；uu检测结果受人为因素影响小，数据便于存储，管理和调用检测结果受人为因素影响小，数据便于存储，管理和调用。uuTOFDTOFD技术背景技术背景uuTOFDTOFD工作原理工作原理uuTOFDTOFD在焊缝检测中的应用在焊缝检测中的应用uuTOFDTOFD技术优缺点技术优缺点TOFDTOFD技术应用技术应用uu衍射时差技术首先应用上世纪衍射时差技术首先应用上世纪6060年代的英国核工年代的英国核工业领域，作为一种精确的缺陷定量定位技术很快广业领域，作为一种精确的缺陷定量定位技术很快广泛应用于其它无损检测领域，如石化、锅炉压力容泛应用于其它无损检测领域，如石化、锅炉压力容器、电力、长输管线等。器、电力、长输管线等。uu目前，目前，TOFDTOFD技术已经得到技术已经得到ASTME2373ASTME2373--0404，，ASMEVIIICode2235ASMEVIIICode2235，，CENENV583CENENV583--66(2000)(2000)，，BS7706(1993)BS7706(1993)等标准的认可。等标准的认可。uu国内于国内于20012001年首先成功引入年首先成功引入TOFDTOFD技术，用于国家技术，用于国家重点工程重点工程--西气东输项目。西气东输项目。TOFDTOFD技术背景技术背景TOFD定义uTOFD-超声波衍射时差法：TOFD采用一发一收两个探头产生非聚焦的纵波，从待检工件内部结构（主要是指缺陷）的“端角”和“端点”处得到的衍射能量，用于缺陷的检测、定量和定位。衍射现象缺陷衍射波衍射波入射波反射波•基于惠更斯原理•衍射波向各个方向传播•衍射能量低•衍射方向不取决于入射角TOFD典型配置发射探头接收探头直通波内壁反射信号上端点下端点为了便于缺陷判读，通常TOFD采用灰度图显示TOFD灰度图显示TOFD深度计算公式()02222tcdSt•++•=()220222Sttcd--•⎟⎠⎞⎜⎝⎛=12ddh-=TOFD数据显示A扫缺陷表面波反射波TOFD典型成像直通波底面回波波形转换信号不同类型缺陷在TOFD中的显示焊趾裂纹在TOFD中的显示裂纹阻挡了直通波，下尖端衍射信号显示在A-扫描中。12根部未焊透在TOFD中的显示注意缺陷上下尖端的两个信号1234根部未焊透在TOFD中的显示注意直通波和缺陷信号之间的波形相位转换123根部裂纹在TOFD中的显示缺陷造成底面回波信号减弱123侧壁未熔合在TOFD中的显示注意缺陷上下尖端的两个信号1234密集气孔在TOFD中的显示密集型气孔123横向裂纹在TOFD中的显示在直通波上我们可以看到宽波束在缺陷上的反映123根部内凹在TOFD中的显示底面回波产生变形123层间未熔合在TOFD中的显示层间未熔信号包含反射信号和衍射信号层间未熔信号包含反射信号和衍射信号123TOFD应用实例TOFD常规焊缝检测平板分层检测堆焊层容器检测容器内壁腐蚀氢致裂纹焊缝根部冲蚀管道内壁腐蚀锻钢中的长裂纹TOFD+PE检测配置TOFD+PETOFD+PE可以实现可以实现100%100%焊缝覆盖焊缝覆盖TOFDPE45°SWPE60°SWTOFD+PE检测成像TOFD60-SW(右)60SW(左）45-SW(右)45-SW(左)探头移动方向厚壁焊缝TOFD检测TOFD分区扫查法，最大检测焊缝厚度可达400mm。TOFD技术优越性•缺陷定量定位精度高，可检出焊缝中任意走向的缺陷；•可以识别向表面延伸的缺陷；•检测速度快，缺陷定量、定位精度高。•根据TOFD可进行ECA分析（寿命评估）；•采用TOFD和脉冲回波相结合，可以实现100%焊缝覆盖。TOFD技术局限性•在被检工件上、下表面存在盲区•对“噪声”敏感•夸大了一些良性的缺陷,如气孔,冷夹层,内部未熔合。•TOFD一维扫查不能确定缺陷在焊缝Index方向的位置。•注意标准问题(有待解决)。相控阵&TOFD技术与常规NDT技术的对比uu常规超声（常规超声（UTUT）的局限性（）的局限性（11）：）：––检测速度慢：检测速度慢：以焊缝检测为例，常规超声需采用多种角度探头进行栅以焊缝检测为例，常规超声需采用多种角度探头进行栅格扫查，如进行自动检测，扫查装置复杂；格扫查，如进行自动检测，扫查装置复杂；––检出率低：检出率低：由于焊缝中缺陷的走向和特征各异，常规超声只能发现反由于焊缝中缺陷的走向和特征各异，常规超声只能发现反射效果较好的缺陷；射效果较好的缺陷；––定量精度低：定量精度低：常规超声通常依靠波幅法进行缺陷定量，但波幅受缺陷常规超声通常依靠波幅法进行缺陷定量，但波幅受缺陷的走向、性质、位置等多种因素的影响，因此依靠波幅定量缺陷非常的走向、性质、位置等多种因素的影响，因此依靠波幅定量缺陷非常不准确；不准确；––检测结果受人为因素影响大：检测结果受人为因素影响大：检测结果受操作人员职业素质，技术水检测结果受操作人员职业素质，技术水平和工作经验等多方面因素的影响，不同的操作人员对同一个工件进平和工作经验等多方面因素的影响，不同的操作人员对同一个工件进行检测可能会得出不同的检测结果。行检测可能会得出不同的检测结果。传统无损检测技术的局限性传统无损检测技术的局限性uu常规超声（常规超声（UTUT）的局限性（）的局限性（22）：）：––成像单一成像单一：常规超声只有简单的：常规超声只有简单的AA扫描，不能可靠反映出缺陷的整体扫描，不能可靠反映出缺陷的整体特征，缺陷定性能力差；特征，缺陷定性能力差；––无法存储检测数据：无法存储检测数据：常规超声不能完全存储检测数据，不能进行离线常规超声不能完全存储检测数据，不能进行离线分析和数据回读分析和数据回读；；––应用范围小：应用范围小：常规超声只能对几何形状简单的工件进行检测，对诸如常规超声只能对几何形状简单的工件进行检测，对诸如角焊缝、搭接焊缝等复杂的结构检测时，几何反射信号会干扰操作人角焊缝、搭接焊缝等复杂的结构检测时，几何反射信号会干扰操作人员对检测结果判断的准确性。员对检测结果判断的准确性。传统无损检测技术的局限性传统无损检测技术的局限性uu射线检测（射线检测（RTRT）的局限性（）的局限性（11）：）：––安全性低安全性低：射线对人体有伤害，化学药剂对环境有污染；：射线对人体有伤害，化学药剂对环境有污染；––检测速度慢：检测速度慢：射线检测需要经过拍片、洗片和评片等多道程序，检测射线检测需要经过拍片、洗片和评片等多道程序，检测效率低。另外，射线检测时需要清场，影响其他部门的