焊接质量检测与评价课程大作业。
超声tofd法缺陷检测技术原理、应用及研究现状。
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超声tofd法缺陷检测技术原理、应用及研究现状。
摘要：：tofd 衍射时差法超声检测作为一种日臻成熟的超声检测新技术，已越来越多地应用在机械、船舶、特种设备的无损探伤工作中。本文主要介绍了超声衍射时差检测技术的基本技术原理、国内外研究应用情况及前景展望。
关键词：超声tofd法；缺陷检测；应用现状。
0 前言。tofd 是time of flight diffraction technique的缩写，即超声衍射时差检测技术，它是利用超声波在缺陷端部发生衍射所产生的衍射波导致的传播时间差来进行缺陷检测和定量的方法。
20世纪70年代末，英国harwell试验室(ukaea)的silk和lidington先生率先提出了tofd技术，当时只是作为一种用于科学研究的工具引起科学界的关注，而作为一种用于现场检测技术的开发则是在80年代以后的事。从20 世纪90年代，tofd 检测技术在国外逐步应用于核工业、石油、化工、电力的承压设备和海上采油、铁路、桥梁等钢结构的焊接接头检测。
本世纪初，国内开始研究和应用该技术，研究和应用结果表明，在检测精度、可靠性、降低成本、提高效率、环境保护等各个方面，tofd技术的表现均十分优异。与传统的超声检测方法相比，该方法具有检出能力强、精度高、检测方便、成像直观等优点，有胜过常规波幅法检测不可多得的长处：可根据被检材料的几何尺寸，充分利用直通波的相位和缺陷端部的时间差信息，来对缺陷进行测深定高。
而与x射线检测相比，tofd的检测更为直接，并能检测出x射线容易发生误判甚至漏检的一些缺陷。可以预见，该项技术将在国内得到快速发展，并具有良好的应用前景。
1超声tofd法缺陷检测技术原理。
tofd 技术作为一种较新的超声波检测技术，不同于以往的脉冲反射法和声波穿透法等技术，它利用的是在固体中声速最快的纵波在缺陷端部产生的衍射来进行检测。
1.1衍射现象。
衍射是波在传输过程中与传播介质的交界面发生作用而产生的一种有别于反射的物理现象。当超声波与有一定长度的裂纹缺陷发生作用，在裂纹两尖端将会发生衍射现象。衍射信号要远远弱于反射波信号，而且向四周传播，没有明显的方向性。
如图1所示：
图1.裂纹端部衍射过程说明。
任何波都可以产生衍射现象，如光波和水波。
衍射现象可以用惠更斯（huygens）原理解释，即介质中波动传播到的各点都可以看作是新的发射子波的波源，在其后任意时刻这些子波的包络面就构成了新的波阵面，图2为惠更斯原理示意图。由图可以看出，裂纹尖端的子波源发出了方向不同于反射波的超声波，即为衍射波。缺陷端点越尖锐，则衍射现象越明显，反之，端点越圆滑，衍射越不明显。
图2.衍射现象说明。
1.2 tofd技术方法。
tofd方法在应用时是在焊缝两侧，将一对频率相同的纵波斜探头相向对称放置（入射角的范围通常是45°～70°），一个作为发射探头，另一个作为接收探头。发射探头发射的纵波从侧面入射到被检焊缝断面，在无缺陷部位，接收探头会接收到沿工件表面传播的直通波（lateralw**e）和底面反射波（backwall echo），而在有缺陷存在时，在上述两波之间，接收探头会接收到缺陷上端部和下端部的衍射波。如下图：
图技术方法说明。
图4.接收到的衍射波。
接收到上图这种衍射波是由于高阻抗介质中的波在与低阻抗介质界面处反射会产生180度的相位变化(如钢到水或钢到空气)。这意味着如果到达界面之前波形以正循环开始，在到达界面之后它将以负循环开始。
当存在缺陷时，缺陷顶端的信号类似底面反射信号，存在180°相位变化，即相位像底波一样从负周期开始。然而，缺陷底部波信号如同绕过底部没有发生相变，相位如直通波，以正周期开始。理论研究表明，如果两个衍射信号具有相反的相位，他们之间必定存在连续的裂纹，而且只在少数情况下上下衍射信号不存在180度相位变化，大多数情况下，他们都存在着相位变化。
因此，对于特征信号和更精确的尺寸测量，相位变化的识别是非常重要的。例如试样中存在两个夹渣而不是一个裂纹时，可能出现两个信号。在这种情况下信号没有相变。
夹渣和气孔通常太小一般不会产生单独的顶部和底部信号。
1.3 扫查方式的选择。
tofd 法扫描方式有a 扫描、b 扫描和d 扫描3 种。如果用独立的a 扫描波形图， 缺陷信息不便观察， 故通常采用自动扫查系统进行b 扫描和d 扫描， 进行数据记录， 以灰度或单色等级的幅度显示。
执行tofd检查的最常见的方式叫做非平行扫查。这种扫查方式，探头的移动方向是沿着焊缝方向，垂直于声束的方向。它适用于焊缝的快速检测，而且常常在单一通道时使用(见下图a)。
非平行扫查的结果称为d扫描，它显示的图像是沿着焊缝中心剖开的截面。由于两个探头置于焊缝的两侧，焊缝余高不影响扫查，这种扫查方式效率高，速度快，成本低，操作方便，只需一个人便可以完成。
图5. tofd非平行扫查及d扫描结果图。
为详细分析检测结果，有时必须进行所谓平行扫查。平行扫查时，将探头放置在检测的指定位置，在探头声束的平面内移动探头。这通常是指垂直于焊缝中心线移动探头，如下图b所示。
平行扫查的结果称为b扫描，它显示的图像是跨越焊缝的横截面。在这种扫查方式中，焊缝的余高会明显阻碍探头的移动，从而降低扫查效率。因此大多数情况下都将焊缝的余高打磨平之后再进行扫查。
这种扫查方式会在非平行扫查无法得出满意的结果时给一个补充。
图6. tofd平行扫查及b扫描结果图。
无论是在平行还是在非平行扫查的图形中，缺陷的两端都显示出弧形形状。其原因是缺陷在焊缝中线或两探头连接线中点时声程路径最短，而离开中线时声程路径又变长。因此我们需要特殊的测量工具弧形光标来拟合缺陷端点的弧形，以便得出比较精确的缺陷相关数据。
1.4信号的位置测量。
当接收到如下的衍射波形时候，根据几何关系易知以下关系式：
图技术中的几何参量。
图8 c ＝ 超声波的声速 pcs = 探头入射点间距
t = 两探头间通过测量点总声程时间。
t ＝ 工件厚度 s = 入射点距测量点水平距离
t0 = 探头沿迟时间 d = 测量点深度。
以上关系式是超声tofd法对缺陷位置进行计算的基础，衍射波信号的振幅虽然不显示，但是接收到信号的时间间隔却能测量出来。因此，可精确的测量出缺陷的位置、缺陷的长度、和缺陷的高度。这样，对于检测面状或球面型的缺陷的能力（pod）与传统的超声波探伤方法相比大大地提高了（可达90%）。
在数字化技术的帮助下，可以快速的计算评估检测到的信号。计算机技术可保证扫查速度在每秒几百毫米的情况下的数据处理，实际使用的扫查速度仅仅受到机械系统的限制。
1.5 超声tofd技术特点。
tofd检测技术具有以下典型优点：
1） 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的影响， 任何方向的缺陷都能发现， 该技术有很高的缺陷检出率。
2） 定量精度高。通过衍射时差计算方法，缺陷的高度可被精确地计算出来。
3） 检测效率高， 更灵活。单组探头检测时对焊缝覆盖率大， 只需做线性扫查， 不需要做锯齿形移动即可完成对焊缝的扫查， 且探测装置可采用手动或自动（爬行器）方式， 现场检测更方便灵活。
4） 能全过程记录信号， 长久保存数据， 且能高速进行大批量信号处理。
5） tofd 技术除了用于检测外， 还可以用于缺陷的监控， 是有效测量出裂纹增长的方法之一。
但同时也存在以下局限性：
1） tofd 法要用两个探头同时进行扫查，所以要有较复杂的探头夹持装置。
2） 若缺陷靠近表面或底面， 在缺陷端部产生的衍射波或散射波有可能与侧向波或底面回波相重叠， 以致产生探伤盲区。
3） 目前超声tofd 技术在缺陷定位方面还存在一定的误差， 且受人为因素影响较大， 必要时应综合运用其他无损检测技术。信号处理和成像性能有待进一步改进， 以提高缺陷定性的准确性。
2超声tofd法缺陷检测技术的应用。
超声tofd法的发展史并不长， 从20世纪70年代才开始起步， 但其发展速度却非常惊人。20世纪90年代， tofd 技术在西方发达国家已经被广泛应用于核工业、铁路和石油化学工业的锅炉、承压设备等工程中的金属检测 , 21世纪初， 该技术在国内也逐步开始得到了应用。
2．1 压力容器超声tofd法的应用。
压力容器在工作中所处理的介质多为高温或易燃易爆， 一旦发生事故， 将会对人们的生命和财产造成不可估量的损失。所以提高压力容器缺陷的检出率及缺陷定量精度， 对压力容器的安全运行具有重要的意义。关于缺陷检出率的试验评价：
手工超声检测： 50% ~70% ;超声tofd 法70% ~90%, 所以就焊缝缺陷的检出率和定量精度而言，超声tofd 法有着其他传统方法无法比拟的优势。由此可见， 超声tofd法比常规无损检测方法更适用于压力容器的检测。
超声tofd 法对于大厚度压力容器的检测在国外的应用很早。kobe stee l于1997 年首次应用asme规范实例2235 在重型厚壁压力容器上采用ut 代替rt。随后， 日本的m iti、khk 和japan energycorp1 提出了将超声tofd 法应用于厚壁压力容器。
1997~ 2000 年， 美国一检测公司， 按照美国asme规范实例2235及2235- 1的要求， 用超声tofd法共检查了40台制造中的高温高压厚壁反应容器， 并得到了很好的检测结果。
在我国目前已有21个锅炉压力容器制造单位及特种设备检验检测机构开展了tofd 检测技术的研究与应用工作。中国第一重型机械集团有限责任公司于2023年初与中国特检院合作成立了课题组，对加氢反应器环焊缝进行了超声tofd 法的应用研究， 随后公司对神华煤液化工程中壁厚为340mm的容器进行了检测。山东省特种设备检验研究院也采用超声tofd法对华能日照发电厂机组锅炉的主要承压部件进行检验， 都取得了良好效果。
2．2 工业管道焊缝超声tofd 法的应用。
工业管道广泛应用于石油、化工、冶金和环保等行业， 担负着高温、高压、易燃、易爆和有毒等介质的输送任务， 一旦发生泄漏或**， 有可能导致灾难性的事故。工业管道的施工及验收规范除国家标准gb 50236- 1998 5《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》外， 许多行业都制订了行业标准， 如sh 3501 5《石油化工剧毒、可燃介质管道工程施工及验收规范》、dl 5007 5《电力建设施工及验收技术规范火力发电厂焊接篇》 及hg20225 5《化工金属管道工程施工及验收规范》等 。
2023年， 韩相勇等采用加拿大r /d tech公司的超声tofd检测仪器对管道环焊缝进行检测研究。在检测过程中分析了探头参数的选择以及灵敏度的校准等问题， 为超声tofd法应用于工业管道检测提供了一定参考。同年， 郭学研究了超声tofd 法对管道弯头部分实施检测的可行性， 并制定了弯头超声tofd检测的工艺方法， 分析和解释了不同类型缺陷tofd检测图像特征， 确定缺陷性质， 实现了缺陷的定量检测。
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