超声TOFD检测方法

一 超声TOFD检测技术的起源和国外发展现状

TOFD（Time Of Flight Diffraction）技术是1972年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。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）。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。

自上世纪 9O年代起，超声TOFD检测法在国外工业无损检测领域已得到广泛应用，欧、美、日均已推出相应的应用标准。1992年英国标准BS7706问世，1996年美国ASME标准将其列入规范案例2235和第ⅴ卷《无损检测》附录，2000年欧、日分别推出专用标准。用于不同壁厚的承压设备焊接接头的制造和在用检测。

二 超声TOFD检测技术国内发展现状

2.1 超声TOFD检测设备的研制

武汉中科创新技术有限公司国产研制的国产第一台便携式TOFD超声波检测仪2005年研制成功,2006年HS800型产品在特检行业应用,2007年底HS800成型产品推出市场, 2008年产品开始销售,并逼迫进口TOFD检测仪器价格”跳水”

2.2 超声TOFD检测人员的培训与考核

二〇〇七年开始到目前国家特种设备无损检测人员资格考委会共组织了三次培训与考核，考核通过人员颁发了超声TOFDⅡ级资格证书。

2.3 国内锅炉压力容器压力管道中超声TOFD检测技术的应用的规定

二〇〇七年六月七日发布的关于进一步完善锅炉压力容器压力管道安全监察工作的通知( 国质检特函〔2007〕402号)对超声TOFD检测技术的在锅炉压力容器压力管道中的应用规定如下:

第六条、关于衍射波时差法超声波检测（TOFD）方法的应用

对现场制造壁厚度60mm以上的压力容器，可以采用TOFD检测方法替代射线法进行无损检测。从事TOFD检测的无损检测机构必须符合以下条件：

（一）在我国TOFD无损检测标准未公布前，应当参照国外成熟标准制订相应的企业标准，经全国锅炉压力容器标准化技术委员会审核通过后，按照《中华人民共和国标准化法》规定进行备案。

（二）从事TOFD检测的无损检测机构至少应具有超声波无损检测（UT）Ⅲ级人员1名，UTⅡ级资格4年以上（含4年，下同）人员2名，作为TOFD检测责任人和操作复核人员。

（三）从事TOFD检测人员应当具有UTⅡ级资格4年以上（含4年），其TOFD操作技能经全国无损检测考核委员会

2.4 国内已制定TOFD检测标准

国内制定的TOFD检测标准为《承压设备无损检测第10部分：衍射时差法超声检测》标准编号JB/T 4730.10－2007,此标准在送审中。

三 术语和定义

GB/T 12604.1规定的以及下列术语和定义适用于本部分。

3.1 坐标定义(coordinate definition)：

图1 坐标定义

O：设定的检测起始参考点 X：沿焊缝长度方向的坐标

Y：沿焊缝宽度方向的坐标 Z：沿焊缝厚度方向的坐标

3.2 TOFD（Time of Flight Diffraction）

衍射时差法超声检测或超声波衍射时差法，是利用缺陷端点的衍射波信号探测和测定缺陷尺寸的一种自动超声检测方法。

3.3 扫查面(scanned surface)

放置探头的工件表面，超声波声束从该面进入工件内部。

3.4 底面(back wall)

与扫查面相对的工件另一侧表面。

3.5 直通波(lateral wave)

从发射探头沿工件以最短路径到达接收探头的超声波。

3.6 底面反射波(back wall echo)

经底面反射到接收探头的超声波。

3.7 探头中心间距(probe centre separation)（PCS）

发射探头和接收探头入射点之间的直线距离。

3.8 缺陷深度(flaw depth)

缺陷上端点与扫查面间的最短距离，见图2中d1。

3.9 缺陷高度(flaw height)

缺陷沿X轴方向上、下端点在Z轴投影间的最大距离，见图2中h。

图2 缺陷深度和缺陷高度

3.10 平行扫查(parallel scan)

探头运动方向与声束方向平行的扫查方式。

3.11 非平行扫查(non-parallel scan)

探头运动方向与声束方向垂直的扫查方式，一般指探头对称布置于焊缝中心线两侧沿焊缝长度方向（X轴）的扫查方式。

3.12 偏置非平行扫查(offset-scan)

偏移焊缝中心线一定距离的非平行扫查。

3.13 A扫描信号(A-scan signal)

超声波信号的波形显示图，通常水平轴表示声波的传播时间，垂直轴表示波幅。

3.14 TOFD图像(TOFD image)

TOFD数据的二维显示，是将扫查过程中采集的A扫描信号连续拼接而成，一个轴代表探头移动距离，另一个轴代表深度，一般用灰度表示A扫描信号的幅度。

四 超声TOFD检测原理

4.1.1 TOFD是一种利用超声波衍射现象、非基于波幅的自动超声检测方法。通常使用纵波斜探头，采用一发一收模式。

4.1.2 在工件无缺陷部位，发射超声脉冲后，首先到达接收探头的是直通波，然后是底面反射波。有缺陷存在时，在直通波和底面反射波之间，接收探头还会接收到缺陷处产生的衍射波。除上述波外，还有缺陷部位和底面因波型转换产生的横波，一般会迟于底面反射波到达接收探头。工件中超声波传播路径见图3，缺陷处A扫描信号见图4：

（1）平板工件

（2）凸面工件

（3）凹面工件

图3 不同形状工件中超声波传播路径

图4 缺陷处A扫描信号

4.1.3 TOFD检测显示

4.1.3.1 TOFD检测显示应至少包括A扫描信号和TOFD图像。

4.1.3.2 TOFD应使用射频波形式的A扫描信号。

4.1.3.3 TOFD图像的形成

将每个A扫描信号显示成一维线条图像，位置对应声程，一般以灰度表示信号幅度，将扫查过程中采集到的连续的A扫描信号形成的图像线条沿探头的运动方向拼接成二维视图，一个轴代表探头移动距离，另一个轴代表扫查面至底面的深度，形成TOFD图像。

图5所示为含埋藏缺陷的平板对接焊接接头的TOFD检测显示，图中右下方为TOFD图像，右上方为从TOFD图像中缺陷部位提取的一个A扫描信号，其中包括直通波、上端点衍射波、下端点衍射波和底面反射波。

图5 TOFD检测显示

4.2 缺陷深度与高度计算

4.2.1 在平板工件中，假定探头中心间距为2S，缺陷深度为d1，缺陷距焊缝中心线的偏移量为X，见图6：

图6 缺陷深度计算图

根据几何关系，有：

（1）

其中：c：声速；T：超声波传播的总时间；t0：超声波在探头楔块中传播的时间

假定缺陷位于焊缝中心线上，此时X=O，所得d1值最小：

（2）

4.2.2 若以直通波为参考起点，假定X=0，则缺陷深度为：

（3）

其中：t：缺陷上端点的衍射波与直通波间的传播时间差

c：声速

2S：探头中心间距

缺陷下端点与扫查面间的距离以d2表示，同理可计算出缺陷下端点的深度d2。

则缺陷的高度h=d2-d1。

4.3 扫查方式

4.3.1 扫查方式一般分为非平行扫查、平行扫查和偏置非平行扫查三种。扫查方式示意图分别见图7、图8和图9。

图7 非平行扫查 图8 平行扫查

图9 偏置非平行扫查

4.3.2 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和缺陷长度测定，可大致测定缺陷高度，但无法确定缺陷距焊缝中心线的偏移量。

4.3.3 采用偏置非平行扫查可增大检测范围，提高缺陷高度测量的精度，改进缺陷定位并有助于降低表面盲区高度。

4.3.4 对已发现的缺陷进行平行扫查，可改进缺陷定位和缺陷高度测定的准确性，并为缺陷定性提供更多信息。

4.4 检测程序

TOFD检测的一般程序为：

a） 原始资料查阅；

b） 编制检测工艺作业指导书；

c） 人员、设备、试块准备；

d） 检测准备；

e） 检测设置和校准；

f） 检测；

g） 数据分析和解释；

h） 缺陷评定与验收。

4.5 表面盲区

4.5.1 TOFD检测存在两个表面盲区：

a） 扫查面盲区，其高度为： （4）

其中c：声速；：直通波宽度； 2S：探头中心间距；

b） 底面盲区。

4.5.2 可以通过采用宽频带窄脉冲探头、减少探头中心间距或增加扫查方式等方法降低表面盲区高度。

4.5.3 对于表面盲区应采取其他有效的检测方法，可采用脉冲反射法超声检测或表面检测方法进行补充。

五 TOFD技术的特点

5.1 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。

5.2 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。

5.3 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

5.4 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。

5.5 当今使用的TOFD检测系统都是高性能数字化仪器，完全克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。

5.6 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。

六 TOFD技术与常规脉冲回波超声检测技术相比，重要的不同点

6.1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。

6.2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。

七 TOFD技术与常规X射线检测技术相比，重要的不同点

7.1 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

7.2 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

7.3 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。

7.4 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。

7.5 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。

7.6 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。

7.7 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

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