國內(nèi)超聲衍射時差技術(shù)應(yīng)用案例.doc

隨著國內(nèi)超聲衍射時差技術(shù)(Time of Flight Diffraction。TOFD)標準即將出臺，TOFD技術(shù)在各種焊縫檢測中的應(yīng)用越來越廣泛，尤其在大壁厚壓力容器生產(chǎn)制造過程中顯示出很大的優(yōu)勢。下面是Omniscan MX 2C設(shè)備和MS5800-8U設(shè)備的工程檢測實際應(yīng)用的TOFD檢測案例：案例一：某天然氣球罐焊縫檢測被檢工件描述： 焊縫厚度25mm，坡口形式：X型，檢測現(xiàn)場如下圖： 3、解決方案：先用模擬軟件模擬超聲波在工件中的傳播范圍， 采用Omniscan 2C對焊縫做非平行掃查， 使用ENC-01編碼器對數(shù)據(jù)做記錄， 后期使用TomoView軟件對數(shù)據(jù)做分析處理。 4、波束模擬如下：5、使用的Omniscan MX 2C設(shè)備圖：設(shè)備參數(shù)：外形尺寸：321mm209mm125 mm 重量：4.6公斤（含模塊和電池） 脈沖輸出：50V，100V，200V，300V 10%（可變脈沖寬度）； 系統(tǒng)帶寬：（0.2532）MHz (-3dB)； 脈沖發(fā)射/接收器數(shù)量：2； 增益范圍：（0100）dB ，每步0.1dB； 檢波方式：全波，正半波，負半波，射頻； 脈沖重復(fù)頻率：12KHz可調(diào)； A掃描采集頻率：每秒6000個A掃描； A掃描記錄：每秒6000個A掃描； 檢測模式：PE、PC、TT、TOFD； 圖像顯示方式：A、B、C-掃描實時顯示。 閘門數(shù)量：3個 記錄方式：編碼器或時鐘記錄； 實時平均次數(shù)：2、4、8、16 6、檢測成像如下圖： 射線對比圖像：7、方案優(yōu)勢：檢測速度快，數(shù)據(jù)便于保存； 設(shè)備操作簡便，檢測結(jié)果受人為影響較??； 可以對缺陷精確定位、定量，檢測結(jié)果可靠； 檢測所需成本低，對環(huán)境無污染，可與其他工種交叉作業(yè)，提高工作效率。 案例二：某廠大型加氫反應(yīng)容器焊縫檢測被檢工件描述： 筒體直徑3300mm，焊縫厚度270mm，坡口形式：窄間隙自動焊，檢測現(xiàn)場如下圖： 3、解決方案：先用模擬軟件模擬超聲波在工件中的傳播范圍， 采用MS5800-8U儀器，使用4通道TOFD對焊縫進行分區(qū)掃查，實現(xiàn)焊縫100覆蓋 使用編碼器對數(shù)據(jù)做記錄， 后期使用TomoView軟件對數(shù)據(jù)做分析處理。 4、波束模擬如下： 5、使用的MS5800-8U設(shè)備圖：設(shè)備參數(shù)：外形尺寸：45cm30cm22cm 最大重量：12.8公斤 脈沖輸出：50V300V，1V步進； 系統(tǒng)帶寬：（0.525）MHz； 脈沖發(fā)射/接收器數(shù)量：16； 增益范圍：（070）dB ，每步0.1dB； 檢波方式：全波，正半波，負半波，射頻； 脈沖重復(fù)頻率：20KHz可調(diào)； 檢測模式：PE、PC、TT、TOFD； 編碼器：2個正交編碼器或數(shù)字輸入； 記錄方式：時間，連續(xù)，位置或外部； 實時平均次數(shù)：116 高通濾波器：無，1,2,5,10MHz; A掃查長度：328092點 6、檢測成像如下圖： 7、方案優(yōu)勢：大直徑厚壁焊縫快速檢測，實現(xiàn)焊縫100覆蓋，提高工作效率； 可以檢測多種類型缺陷，對缺陷精確定位，定量； 現(xiàn)場檢測干擾較小，可以實時得出檢測結(jié)果； 檢測所需成本低，對環(huán)境無污染。 第一節(jié) TOFD檢測實驗分析 1 前言 隨著科技的發(fā)展，各行業(yè)設(shè)備運行參數(shù)的提高，對設(shè)備本身的質(zhì)量要求越來越嚴格。機械設(shè)備在焊接加工過程中，焊縫中難免會存在一些或大或小的標準允許范圍內(nèi)的缺陷，在設(shè)備長期運行過程中，這些缺陷都有擴展的可能。為保證設(shè)備的安全運行，需要監(jiān)控這些缺陷的狀態(tài)，判定這些缺陷是否已擴展。在檢測中如何獲得這些缺陷在各方向的精確尺寸特別是高度方向上的尺寸就成了迫切需要解決的問題。近年來，國內(nèi)同行對焊縫缺陷的精確測量，特別是在役設(shè)備裂紋高度的測量投入了大量的精力，取得了一定的效果。TOFD檢測技術(shù)以其在缺陷檢出率及精確定量方面具有的明顯技術(shù)優(yōu)勢，在眾多檢測技術(shù)中脫穎而出，得到業(yè)界的接受和認可。本節(jié)通過幾個實驗來介紹TOFD在缺陷精確測高方面的技術(shù)優(yōu)勢。 2 實驗比較 TOFD數(shù)據(jù)采集使用加拿大RDTech公司的OmniScanMX超聲探傷儀、5MHz 3mm 縱波探頭（1對）、45楔塊。 采用平行掃查，探頭中心距按PCS=2(2T/3)tan選擇。 實驗選用2塊0.2mm寬線切割槽試塊（試塊A、B）和一裂紋試塊（試塊C）。 2.1線切割槽試塊A實測實驗 采用下圖所示試塊A（長160mm、寬50mm、厚40mm） 試驗中使用常規(guī)超聲波將端角反射波調(diào)至80后，重復(fù)掃查，逐步增益30dB，直到噪聲信號達20，仍未發(fā)現(xiàn)可識別的獨立的衍射波信號；并且在TOFD檢測數(shù)據(jù)中，可以看到僅從A掃描波形中也很難區(qū)分衍射波。由此可以看出：開口很小，內(nèi)部緊閉的裂紋，衍射波信號并不如想像中明顯，僅從A掃描波形中基本不能區(qū)分衍射波與噪聲。這主要是由于裂紋兩個面接觸很緊密，大部分的聲波穿過了裂紋，導(dǎo)致衍射能量明顯降低。不過在TOFD中結(jié)合B掃描時還是較好識別。 在實際檢測中通常遇到由夾渣或其它體積型缺陷擴展的裂紋或局部開口較大的裂紋，對于這些裂紋通常在測高時會發(fā)生實測缺陷高度偏小的情況。這就與試塊C的情況非常類似，見圖11，在a點位置由于裂紋結(jié)合緊密，大多數(shù)聲波透過裂紋，僅有部分能量轉(zhuǎn)化為衍射波，b點位置由于開口較大，聲波無法穿過，衍射能量較強，波幅也較強。在實際檢測中若數(shù)據(jù)采集不合格或靈敏度偏低會導(dǎo)致a點衍射信號不可見，僅把b點當作上端點從而導(dǎo)致測高偏小、缺陷定性出現(xiàn)偏差。因此在檢測中我們需要對每一個有懷疑的信號進行重點分析，必要時應(yīng)改變檢測參數(shù)針對可疑部位重新采集數(shù)據(jù)。3 結(jié)論 通過這些實驗，可以看出： 1）當?shù)酌婢€切割槽自身高度為5mm左右及以上時，衍射波比較明顯，能與噪聲信號區(qū)分開來；2mm左右時A掃描單獨顯示情況下很難從噪聲信號中辨別出衍射波。但在B掃描上可以比較容易的識別缺陷衍射信號。 2）在實驗試塊上，使用TOFD法測得的切槽端點與尺寸精度偏差可達到0.3mm， 精度高，且重復(fù)性較好，更加直觀。 3）線切割槽端點比裂紋端點衍射波信號強。裂紋端點衍射信號能量低，僅依靠A掃描信號較難區(qū)分衍射波信號與噪聲信號。 在實際工作中，由于缺陷可能存在的形式千變?nèi)f化，衍射波信號或強或弱，特別是危害性缺陷裂紋等衍射信號有時很弱，不易分辨。為了準確有效的測量缺陷高度應(yīng)盡量選用TOFD法；為了設(shè)備的安全運行，對重要部件缺陷的監(jiān)控與評估要使用TOFD技術(shù)來測量、記錄、對比、分析缺陷。 第二節(jié) 常見對接焊縫TOFD檢測的基本程序 在電站設(shè)備中，廣泛采用了焊接結(jié)構(gòu)，常見的坡口結(jié)構(gòu)通常有X型、U型以及V型坡口等。在這些焊接結(jié)構(gòu)中，通常存在不等厚對接和掃查面受限的情況，給檢測工作帶來不少需要解決的問題。本節(jié)以某廠3#高壓加熱器焊縫為例來討論容器焊縫的TOFD檢測方法。 從外形上看，高壓加熱器主要由球形封頭、橢圓封頭、管板、筒身等組成見圖1，其焊縫坡口主要有下列幾種形式，見圖2。高壓加熱器水側(cè)與汽側(cè)溫度、壓力均不相同，因此各部位的壁厚也不一樣。一般汽側(cè)橢圓封頭、筒體壁厚基本一致，厚度不大；水側(cè)球形封頭壁厚較大，多在100mm左右，球形封頭與管板焊接時，由于焊縫兩側(cè)壁厚不同，且壁厚均較大，又受封頭形狀影響只能單側(cè)探傷，因此對該部件在進行常規(guī)超聲檢測時存在一定的局限性，聲束很難做到對焊縫的全覆蓋。 該高加基本情況：材質(zhì)SA516Gr70；規(guī)格(mm) Di140020（汽側(cè)筒體）/20(橢圓封頭)/100(球形封頭)；實測結(jié)果：汽側(cè)筒體與橢圓封頭厚度為20mm，管板與球形封頭對接焊縫兩側(cè)實際厚度為87、105mm，其坡口形式見圖2。管板與球形封頭對接焊縫蓋面寬度實測為70mm，封頭側(cè)焊縫邊緣采用斜面過渡。 1 檢測工藝設(shè)計 1.1檢測分區(qū)情況 對于小于75mm厚的鐵素體鋼，可以只使用1對探頭，為了達到好的分辨率和足夠的覆蓋率，選擇探頭時需選用合適的探頭頻率、晶片尺寸及楔塊角度。對于該高壓加熱器板厚20mm處的焊縫選用1對探頭即可。 對于管板與球封頭的焊縫由于壁厚大于75mm，應(yīng)進行分區(qū)檢測，每一個區(qū)域覆蓋不同的深度，對厚度在75300mm的焊縫，為了達到良好的分辨率和足夠的覆蓋率，應(yīng)根據(jù)不同分區(qū)選擇合適的探頭中心頻率、晶片尺寸及楔塊角度。對于該高壓加熱器管板與球形封頭焊縫檢測中分成兩個區(qū)：040mm、4087mm。 1.2探頭的選擇 參照ASTM E2373-04標準，針對該高加的實際情況，對壁厚為20mm的焊縫：非平行掃查時，為了提高分辨率、減小表面盲區(qū)，選擇10MHz,晶片尺寸6mm的探頭；為了保證對焊縫及熱影響區(qū)有足夠的覆蓋，選擇70度楔塊（見圖3）。對管板與球形封頭焊縫：非平行掃查時，由于壁厚較大，考慮到衰減的影響，適當降低探頭的頻率，選用5MHz，晶片尺寸為6mm的探頭；楔塊角度選擇60度、45度分別掃查040mm、4087mm深度區(qū)域。當發(fā)現(xiàn)近表面缺陷時（小于10mm），可采用高頻探頭（如10MHz探頭），小PCS值進行掃查，但減小PCS時應(yīng)考慮近場區(qū)的影響，考慮入射點偏移對定位的影響。 1.3 探頭間距PCS選擇 當探頭的聲束軸線交點在重點掃查部位且內(nèi)夾角為120度時，衍射的效率最高，在設(shè)定PCS值時可以參考這一點，以達到較好的掃查效果，增加缺陷的檢出率。通常非平行掃查時，在不考慮掃查面影響時，設(shè)置PCS使聲束中心線交于該區(qū)壁厚2/3處，即PCS=2(2T/3)tan。對于20mm板厚的焊縫，PCS=2(220/3)tan70=73mm；對于管板與球形封頭焊縫，選擇60度、45度分別掃查040mm、4087mm深度區(qū)域，通過計算PCS分別為92mm、142mm。由于封頭側(cè)存在一個緊挨焊縫的斜面，在實際掃查中要考慮計算得來的PCS能否正好讓探頭在斜面上行走或正好跨過斜面。通過現(xiàn)場實踐，選擇60度楔塊時PCS選擇100mm，選擇45度楔塊時PCS選擇142mm。 1.3顯示范圍的設(shè)置 通常情況下，顯示范圍的起始點設(shè)在直通波前2s處；終點設(shè)在底面一次變型橫波結(jié)束后2s處，終點之所以設(shè)在該處是因為變型波對于缺陷的判定及定性有很大的輔助作用，在數(shù)據(jù)判讀中是不可或缺的。當然在某些特殊情況下為了提高缺陷的定量精度，有時會使用較小的時間范圍。該步驟可在同壁厚的試塊上或在現(xiàn)場工件上進行。 1.4 靈敏度設(shè)置 TOFD檢測不基于波幅法進行檢測和定量，但必須具有足夠的靈敏度保證在掃查中發(fā)現(xiàn)缺陷，因此靈敏度的設(shè)置非常重要。靈敏度可在試塊上設(shè)置，也可在工件上直接設(shè)置。在大多數(shù)情況下，單個TOFD探頭組的靈敏度設(shè)置是將直通波波幅調(diào)到滿屏高的40-90%；若因工件表面狀況采用直通波不適合或檢測大厚壁焊縫的底面分區(qū)時，直通波不可見，可將底面反射波幅設(shè)定為滿屏高以上1830dB；若直通波和底面反射波均不可用時，可將材料的晶粒噪聲設(shè)定為滿屏高的510作為檢測靈敏度，但應(yīng)能保證與電噪聲相差6dB以上。 該高加壁厚相對不大，且所選用的探頭、楔塊等參數(shù)在現(xiàn)場實際檢測中能獲得良好的直通波信號，考慮到現(xiàn)場耦合存在不穩(wěn)定因素，現(xiàn)場工件上將相應(yīng)的直通波信號設(shè)在8090%。 1.5 掃查方式的確定 TOFD技術(shù)非平行掃查是假定缺陷在探頭連線中心線上，但實際焊縫中的缺陷位置是不確定的，有可能在中心也有可能偏向焊縫的一側(cè)，如坡口未熔等。對于薄壁焊縫由于衍射點不在焊縫中心線上造成的深度誤差會很小。然而，對于大壁厚材料的單V型或雙V型對接焊縫的檢測，缺陷與焊縫中心線的距離會導(dǎo)致一定的定位誤差。這些情況將導(dǎo)致深度評估錯誤或缺乏準確定位缺陷信息；并且對于厚壁焊縫若僅僅進行非平行的中心掃查，有可能會造成由于缺陷偏在焊縫一側(cè)，衍射波較弱而造成漏檢；因此有必要增加輔助掃查，以增加缺陷的檢出率與數(shù)據(jù)的可讀性。 在該高加中，對于20mm的焊縫采用非平行中心掃查一次即可，對于有懷疑的區(qū)域可增加偏心掃查。對管板與球形封頭焊縫，由于無法增加平行掃查，所以只能根據(jù)焊縫寬度及PCS值，適當增加偏心掃查。最終采用60探頭中心掃查一次，45探頭中心掃查一次，向封頭側(cè)偏心掃查一次。 1.6 耦合劑的選用 為了避免楔塊的磨損，很多楔塊的四角嵌入了防磨釘，在手動TOFD檢測中，為了有好的耦合，建議使用干法耦合劑，根據(jù)需要與水配制或稠或稀。 2 數(shù)據(jù)采集與分析 2.1數(shù)據(jù)質(zhì)量 數(shù)據(jù)質(zhì)量的高低對于缺陷的判斷起著決定性的作用，有關(guān)數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求可參閱相關(guān)標準。 按照上述檢測工藝，對該高加進行了抽檢，其中管板與封頭焊縫D掃描數(shù)據(jù)見圖4。 從圖4a)數(shù)據(jù)來看，即使是一側(cè)探頭在斜面上，60中心掃查數(shù)據(jù)噪聲仍較??；從圖4 b)、c）可以看出45中心掃查噪聲較45偏心掃查噪聲明顯變大，這主要是因為探頭角度較小，一側(cè)在斜面時，聲束角度相對管板側(cè)再變小，不利于聲波的接收。在厚焊縫的檢測中通常需要使用前置放大器以減小電噪聲，在上述數(shù)據(jù)采集中使用了40dB前置放大器，從數(shù)據(jù)質(zhì)量來看，完全滿足數(shù)據(jù)分析的要求。 2.2 數(shù)據(jù)分析的步驟 在確認數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足要求后，我們需要對數(shù)據(jù)進行分析。首先，對數(shù)據(jù)整體要有一個宏觀的認識，先確定缺陷的數(shù)量、長度方向的大致位置，并做好相應(yīng)的記錄或標記；如果對同一部位既進行了中心掃查又進行了偏心掃查，那么就需要對這幾組數(shù)據(jù)進行比較、觀察，根據(jù)同一缺陷在不同掃查數(shù)據(jù)中的表現(xiàn)特征，判斷缺陷相對焊縫中心線的位置。 第二步，就需要對第一步中所確定的各個缺陷進行細致的分析、定量與定性。針對某一特定缺陷，一般選擇表現(xiàn)特征明顯、圖像清晰的那一組數(shù)據(jù)來進行分析。有時雖然數(shù)據(jù)表觀質(zhì)量能滿足要求，但各組數(shù)據(jù)均不能滿足對某一特定缺陷的精確測量，此時還需要根據(jù)這一缺陷修改檢測參數(shù)，重新進行掃查。 第三步，根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，對照標準進行相應(yīng)評價得出檢測結(jié)論。 數(shù)據(jù)分析是檢測中非常重要的一個環(huán)節(jié)，需要進行大量的分析練習來積累經(jīng)驗與技巧。 2.3焊縫中缺陷的定性 對圖4顯示的數(shù)據(jù)進行分析可以看出，該焊縫中存在多處點狀缺陷，從性質(zhì)上看以氣孔為主，局部存在點狀夾渣。氣孔和夾渣有其相似之處，但主要特征還是有較大的區(qū)別。 2.2.1氣孔的特征 單個氣孔長度和自身高度都不大，在D掃描中的信號看起來象個弧形。一般來說它們的高度太小，很難有單獨的可分辨的頂部和底部衍射信號。這兩個信號應(yīng)該有一個相位差，但是信號很難分辨。在信號的強弱方面，上端是反射信號，信號很強，只有下部的回波是衍射波。單個氣孔在D掃描圖像上特征較明顯，氣孔的整個弧形信號較均勻。見圖5a)。 群氣孔是一個信號集合體，各個氣孔的信號局部相互疊加，掌握了單個氣孔的特征，對群氣孔的定性也相對較好判斷。 2.2.2 夾渣的特征 夾渣分點狀夾渣和條形夾渣。點狀夾渣的情況與氣孔相類似，在D掃描中的信號看起來象個弧形。上端是反射波，下端是衍射波，上下端點無法分辨。點狀夾渣和氣孔在D掃描數(shù)據(jù)上存在一定的差異，點狀夾渣的弧形頂部信號較強，常有明顯的亮點，弧形兩側(cè)信號較弱，可據(jù)此作為分辨兩者的特征。見圖5b)。 條形夾渣是在焊接過程中留下的，有一定的長度，這些缺陷不均勻，有時斷續(xù)相連。同樣由于上端是反射信號下端是衍射信號，在D掃描圖像上上端信號較強，下端信號弱，局部常有波幅較大引起的亮點出現(xiàn)，并且下端信號雜亂；變形橫波的圖像也較亂。判定時注意不要與裂紋相混淆。 TOFD是一項較新的技術(shù)，對檢測設(shè)備與檢測人員的要求比較高，檢測附件的選擇、檢測參數(shù)的設(shè)置會影響所采集的數(shù)據(jù)，從而使檢測結(jié)果產(chǎn)生偏差，嚴重時會導(dǎo)致漏檢。 1）檢測設(shè)備的性能參數(shù)、選擇的附件應(yīng)能滿足標準及TOFD實際檢測的需要； 2）檢測人員應(yīng)熟悉TOFD檢測原理，能分析主要檢測參數(shù)的變化對檢測結(jié)果的影響； 3）制定檢測工藝時需多方面綜合考慮，使得工藝既能符合理論要求又能滿足現(xiàn)場實際情況； 4）數(shù)據(jù)分析時應(yīng)先判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，數(shù)據(jù)質(zhì)量在反映缺陷細節(jié)、定性方面非常重要； 5）TOFD檢測數(shù)據(jù)比較形象，對典型缺陷的定性較為準確且相對比較容易掌握；但真正掌握各種缺陷的定性需要通過大量的解剖和實驗來積累經(jīng)驗。 華北地區(qū)的電廠中有多臺汽包存在缺陷，如何對帶有缺陷的汽包進行監(jiān)測，對缺陷進行定性，對缺陷進行精確的定性、定量 ，從而來保證機組的安全運行，這些都是擺在我們面前的重要課題，為將TOFD技術(shù)實際應(yīng)用在汽包焊縫檢測中 ，設(shè)計了試塊、專用掃查器和掃查方案，取得了良好的效果。 1、硬件設(shè)計 11 試塊 國際上目前在用的標準有:BS 7706（1993）校準和建立應(yīng)用超聲波衍射時差技術(shù)進行缺陷檢測、定位和定尺的指南，歐洲標準ENV583-6超聲波衍射時差技術(shù)作為一種缺陷檢測和定尺的方法，ASTM標準：E2373-04超聲波衍射時差技術(shù)（TOFD）標準,ASME code case 2235-6 鍋爐和壓力容器標準案例，CEN14751:2004用TOFD技術(shù)檢測焊縫等等。 目前我國沒有關(guān)于TOFD技術(shù)的國家、行業(yè)標準，因此也沒有標準試塊。根據(jù) 現(xiàn)場使用情況,參考國外標準，設(shè)計 、制作了一系列試塊， 上述試塊的用途：調(diào)整儀器的掃描比例； 測試整個檢測系統(tǒng)所能達到的檢測范圍； 校驗編碼器的分辨率； 12 專用掃查架 TOFD掃查需要2個探頭，且探頭聲束需在一條軸線上，因此必須要有專用掃查裝置，且配備匹配的編碼器，才能滿足要求。課題組設(shè)計制作了專用的掃查架，并設(shè)計了不同長度的導(dǎo)桿，可以用于對汽包不同深度范圍的掃查。 23 前置放大器 汽包的厚度約為100毫米，屬于厚工件，超聲在這樣厚的材料中衰減大，從而影響靈敏度。我們選擇了前置放大器以增加靈敏度。 3 TOFD檢測工藝的參數(shù)設(shè)計 31探頭 參照國外標準，針對汽包實際情況，非平行掃查時，選擇5MHz,晶片尺寸為6，角度為60度的探頭。平行掃查時，選用同一探頭，當發(fā)現(xiàn)近表面缺陷（小于10毫米），可采用高頻探頭，小PCS進行平行掃查，但減小PCS時應(yīng)考慮近場區(qū)的影響，考慮入射點偏移對定位的影響。 32分區(qū)掃查 參照國外標準CEN/TS 14751，非平行掃查時，分為2個掃查區(qū)域，分別為050毫米和50100毫米。整個系統(tǒng)設(shè)置時用設(shè)計的試塊驗證覆蓋范圍。平行掃查時，不必分區(qū)。 33 PCS設(shè)置 PCS的選擇要考慮：a 檢測區(qū)域 b 裂紋尖端是否有足夠衍射能量 c分辨率。 非平行掃查時，設(shè)置PCS使主聲束位于該區(qū)的壁厚2/3處。 對于平行掃查或預(yù)先已確定了重點檢測部位的掃查方式，探頭中心間距推薦設(shè)置為使探頭對的聲束軸線交點為缺陷部位（或可能產(chǎn)生缺陷的部位）且其內(nèi)夾角為120。 34靈敏度設(shè)置 TOFD檢測靈敏度可在被檢工件上直接進行設(shè)置。一般將直通波的波幅設(shè)定到滿屏高的4080%；若因工件表面狀況采用直通波不適合或直通波不可見，可將底面反射波幅設(shè)定為滿屏高以上1830dB；若直通波和底面反射波均不可用，可將材料的晶粒噪聲設(shè)定為滿屏高的510作為檢測靈敏度，但應(yīng)能保證與電噪聲相差6dB以上。 35 儀器顯示范圍的設(shè)置 當儀器能夠顯示直通波及底面波時，儀器上時間閘門的起始位置為直通波到達接收探頭前至少1us，閘門結(jié)束位置為工件底面的一次波型轉(zhuǎn)換橫波1us。 當儀器不能顯示直通波或底面波時，應(yīng)計算直通波和底面波的時間，根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整儀器。 36掃查方式與掃查次數(shù) 初始的掃查方式為非平行掃查，探頭對應(yīng)以固定距離和方向平行于焊縫中心線運動。采集的數(shù)據(jù)作為缺陷的快速探測和缺陷長度測量，對于非重點檢測的缺陷，可以此測量缺陷高度。 非平行掃查時，應(yīng)掃查3次， 聲束聚焦在焊縫中心線垂直面上；聲束聚焦在內(nèi)表面焊縫左熔合線的垂直面上；聲束聚焦在內(nèi)表面焊縫右熔合線的垂直面上。 若重點對焊縫熱影響區(qū)進行掃查，應(yīng)增大PCS。 對于重點監(jiān)測的缺陷，增加平行掃查，精確確定缺陷的高度。 37 輔助檢測 采用磁粉檢測重點檢測表面及近表面缺陷，采用脈沖回波法重點檢測內(nèi)表面缺陷。 4 TOFD數(shù)據(jù)判讀 41 數(shù)據(jù)的有效性 分析數(shù)據(jù)之前應(yīng)對所采集的數(shù)據(jù)進行評估以確定其有效性，若數(shù)據(jù)無效，應(yīng)采取糾正措施后重新進行掃查直至數(shù)據(jù)合格。 a）數(shù)據(jù)線丟失量不得超過整個掃查的5%，且不允許相鄰數(shù)據(jù)線連續(xù)丟失。 b）掃查應(yīng)保證超聲聲束對檢測區(qū)足夠的覆蓋，分段掃查時，各段掃查區(qū)的重疊范圍至少為20mm。 c）信號波幅降低量在6dB之內(nèi)證明耦合良好。 d）直通波或晶粒噪聲波幅滿屏表明增益過高，TOFD檢測根據(jù)超聲波信號的相位判斷缺陷的上下端點，若因信噪比太小而無法判斷相位，則檢測數(shù)據(jù)無效。 42 驗收標準 按ASME case 2235-3中的驗收標準進行驗收。 5實際應(yīng)用 5.1高井電廠8爐汽包上的現(xiàn)場應(yīng)用。 以上為汽包檢測中的缺陷圖像，運用tomoview 軟件，測得缺陷的長度為237mm，由于該缺陷較長，在該缺陷全程選擇3處做平行掃查測高，圖4表示其中一處 。 而用常規(guī)超聲波對該處進行檢測時，由于該缺陷的反射比較復(fù)雜，回波波幅非常弱，按照標準規(guī)定，儀器顯示該處是兩條缺陷，長度分別為20mm、25mm，缺陷的高度不能測量。 根據(jù)標準ASME 2235-3 鍋爐及壓力容器規(guī)范案例 （2001版）中規(guī)定對上述缺陷進行評定，由數(shù)據(jù)判讀結(jié)果可知這個缺陷均為表面下缺陷。為了便于評定，依照標準要求制作表1： 表1缺陷特征值（壁厚t98mm） 缺陷編號缺陷a/la值mml值mm高寬比a/t是否在標準允許范圍內(nèi) 10.0081.952370.0199是 5.2大同4爐汽包上的現(xiàn)場應(yīng)用 5.2.1數(shù)據(jù)采集 由非平行掃查數(shù)據(jù)分析得爐后側(cè)缺陷起止位置及長度及高度，見圖15-16及表5；由平行掃查數(shù)據(jù)分析得缺陷局部高度數(shù)據(jù)， 若不考慮缺陷的性質(zhì)，爐前側(cè)的1，2缺陷超出標準的允許范圍，不允許存在，3，4缺陷在標準的允許范圍，可以保留；爐后側(cè)的1缺陷超出標準的允許范圍，不允許存在，2，3缺陷在標準的允許范圍，可以保留。 若考慮缺陷的性質(zhì)，爐前側(cè)的缺陷及爐后側(cè)的缺陷均具有裂紋的特征，可以判定為裂紋，因此均不允許存在。 5.2.3解剖圖片 此臺汽包于2008年3月進行了消缺處理， 6 結(jié)論 TOFD技術(shù)能夠快速而準確地檢測焊縫；TOFD技術(shù)對焊縫覆蓋范圍大，無須做鋸齒形移動即可對焊縫完成掃查；它能夠有效地精確地測量缺陷地長度、深度、自身高度，且獨立于衍射波的波幅； 配合普通超聲技術(shù)有助于缺陷的判性。隨著相關(guān)標準得即將出臺，TOFD技術(shù)必將在鍋爐壓力容器行業(yè)內(nèi)達到快速發(fā)展。 第四節(jié) 主汽管道焊縫TOFD檢測 在電站設(shè)備中，主汽管道由于其長期運行在高溫高壓條件下，是金屬監(jiān)督項目的重要內(nèi)容，對其質(zhì)量要求很高。因此如何有效檢出主汽管道焊縫中的缺陷非常重要。本節(jié)以某電廠#4爐主汽管道焊縫TOFD檢測過程為例，介紹該類管道焊縫的檢測與數(shù)據(jù)分析方法。 1.基本情況 主汽管道規(guī)格為541.986.8mm，材質(zhì)P22；所檢驗焊縫為爐側(cè)水平過渡彎管與垂直段對接焊縫；彎管側(cè)實測壁厚93mm，直管段實測壁厚85mm；彎管側(cè)管外徑大于直管段，即焊縫兩側(cè)不等高，在焊縫外表面形成一個略有傾斜的表面。 圖1 焊縫示意圖 在對該主汽管道12#、18#焊縫進行常規(guī)超聲探傷時發(fā)現(xiàn)存在大量缺陷，缺陷當量大多在評定線與判廢線之間，其中相當一部分超過了判廢線，最大值達到340+8dB，長度斷斷續(xù)續(xù)接近整圈，在同一深度方向上存在多處缺陷。在決定是否處理前對這兩道焊縫進行了TOFD檢測。 2.檢測工藝設(shè)計 2.1檢測分區(qū)情況 由于該主汽焊縫壁厚較大，檢測時分成兩個區(qū)間040mm、4093mm。 2.2探頭的選擇 選用5MHz，晶片尺寸為6mm的探頭；楔塊角度選擇60度、45度分別掃查040mm、4093mm深度區(qū)域。當發(fā)現(xiàn)近表面缺陷時（小于10mm），可采用高頻探頭（如10MHz探頭），小PCS值進行輔助掃查。 2.3 探頭間距PCS選擇 在做非平行掃查時，一般設(shè)置PCS使聲束中心線交于該區(qū)壁厚2/3處，即PCS=2(2T/3)tan。在使用60度、45度分別掃查040mm、4093mm深度區(qū)域的情況下，對分區(qū)一使用60度楔塊時PCS=92mm，對分區(qū)二選擇45度楔塊時PCS=150mm?，F(xiàn)場情況能夠滿足上述兩種PCS時的掃查。 2.4 靈敏度設(shè)置 相對而言，90毫米左右的壁厚對于TOFD檢測來說并不算大，在試塊上使用上述探頭組兩次檢測都有明顯的直通波與底波，為了保證有足夠的靈敏度，在工件上將各TOFD探頭組的直通波波幅調(diào)到滿屏高的8090%。 2.5 掃查方式的確定 對于窄間隙焊縫，衍射點不在焊縫中心產(chǎn)生的定量誤差非常小，當壁厚較大時為了增加缺陷的檢出效果及數(shù)據(jù)的可讀性，應(yīng)相應(yīng)增加偏心掃查。 對于該焊縫最終采用60探頭中心掃查一次；45探頭中心掃查一次、向彎管側(cè)偏心掃查一次。 2.6 耦合劑的選用 衍射信號能量比較低，由于曲面的存在對耦合的要求較高，在手動TOFD檢測中，使用干法耦合劑，可以根據(jù)需要配稠一些，增加耦合效果。 3 數(shù)據(jù)采集與分析 3.1數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集中最需要注意的問題就是數(shù)據(jù)質(zhì)量。包括掃查時的耦合是否耦合均勻；掃查時的探頭是否按照預(yù)定的軌跡移動；掃查速度是否超過儀器限定制；掃查時編碼器是否有滑動情況等等。這些都影響著數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量與檢測的可重復(fù)性。 3.2 數(shù)據(jù)分析 第一步需要對所采集的數(shù)據(jù)有一個整體的影響，對缺陷的數(shù)量、分布、大致的性質(zhì)有一個宏觀的認識。 圖2是12#焊縫3-4區(qū)間局部D掃描數(shù)據(jù)，在圖中我們可以看出該焊縫中存在許多缺陷。在長度方向上從0到500mm范圍內(nèi)，從接近上表面一直到35mm深的區(qū)間內(nèi)均存在大量點狀缺陷，比較密集；在長度方向60mm處存在一處密集型的缺陷（f1）；在長度方向450到500mm區(qū)間內(nèi)，從接近根部到上表面的大部分深度范圍內(nèi)均存在較多缺陷（f3）。當然，TOFD對夾渣、氣孔等缺陷有一定的放大作用。 4-1區(qū)間的局部D掃描數(shù)據(jù)，在該區(qū)間我們也可看到在靠近上表面的地方也存在一定量的缺陷；在長度方向400毫米附近處存在較多的缺陷，缺陷在深度方向分布較廣。 第二步對各個缺陷進行定量、定性分析。 在圖2中，我們可以看出f1處的缺陷是典型的密集型缺陷；由于該缺陷中各處波幅大致相等，沒有夾渣的特征，因此可以判定f1是密集型的氣孔。在實際處理中，車削至78mm時對該處進行了射線檢測，底片情況見圖5。 缺陷f2圖像特征較明顯，縱波圖像及變型橫波圖像較干凈，上下端點可分辨，符合未熔合的特征。定量測量該缺陷，長度11mm，高度2.9mm。機加工解剖后可見該處未熔合一處：實測長度11mm，實測高度3mm。 我們可以看出，在31mm以下區(qū)域存在的缺陷以氣孔、夾渣為主。在消缺及坡口成型過程中，從距離上表面67mm時即肉眼可見大量的氣孔夾渣，斷斷續(xù)續(xù)覆蓋整條焊縫，單個缺陷長度大多均在510mm左右，個別氣孔長度達到15mm，機加工深度過25mm后，缺陷逐步減少，至35mm深度后焊肉中肉眼可見缺陷相對較少。在加工至73mm深，對上下坡口面進行最終成型前，在原始坡口邊緣處仍然存在較多缺陷。圖9是下坡口加工完畢后，上坡口最終成形前的局部照片。 3 結(jié)論 在對厚壁焊縫檢測中我們可以看到TOFD技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢： 1）TOFD技術(shù)的檢測數(shù)據(jù)易于保存和再現(xiàn)，便于專家會診；且相對于常規(guī)超聲波檢測的A掃描信號而言，TOFD技術(shù)中利用B掃描圖像結(jié)合A掃描信號使數(shù)據(jù)判讀變得更加簡單輕松。尤其是B掃描圖像比較形象直觀，為不便進行（但又必須進行）射線檢測的部件提供了可供選擇的檢測手段，且無需輻射防護； 2）TOFD技術(shù)可以實現(xiàn)對不等厚焊縫的全覆蓋檢測，并且通過適當?shù)妮o助掃查，可以準確的對缺陷進行定量； 3）TOFD檢測數(shù)據(jù)比較形象直觀，對缺陷的定性定量相對比較容易掌握，且判定結(jié)果比較準確。 第五節(jié) 管道環(huán)焊縫根部缺陷TOFD檢測 超聲波檢測中，盡管在理論上對根部缺陷的識別與判定有一個較為完整的解釋，但實際檢測中遠非如此簡單。根部缺陷信號的識別與判定一直是困擾現(xiàn)場超聲檢測人員的一個難點。特別是管道焊縫，我們無法看見根部，對其焊接成形無法獲得更多信息，如何在眾多根部反射波形中分辨出根部缺陷波，是一名資深超聲檢測人員必須具備的技能。不過對于TOFD技術(shù)而言，對于根部信號的識別在一定范圍內(nèi)存在較為明顯的優(yōu)勢。 本節(jié)以某制造廠生產(chǎn)的電站管道環(huán)焊縫TOFD檢測過程為例，結(jié)合現(xiàn)場實際解剖來介紹管道焊縫根部的檢測與數(shù)據(jù)分析方法。 1 基本情況 管道材質(zhì)SA106C，規(guī)格為66020mm。在安裝前對制造焊縫進行的抽檢中發(fā)現(xiàn)該批管道根部存在問題較多。隨后使用TOFD技術(shù)，針對根部缺陷對部分焊縫進行了的檢測。 2 檢測工藝制定 2.1探頭及參數(shù)的選擇 對于該焊縫的檢測，選用了3mm、5MHz探頭；由于壁厚相對較小，并且檢測針對根部缺陷，為了提高缺陷的檢出能力、缺陷在深度方向的分辨能力以及減小根部盲區(qū)，選用45楔塊，將虛擬聲束交點選在壁厚處，即PCS=2Ttan=40mm，現(xiàn)場實測該PCS能滿足探頭的放置要求。 2.2 根部盲區(qū) 在上述條件下，底面回波盲區(qū)：h = (c/2)2(TD + Tp)2 - s21/2 -T，c聲速mm/s；TD 時間延遲s；Tp 回波信號長度s；s1/2中心距mm；T底面回波深度mm。 使用窄脈沖探頭時Tp取底面回波的2倍周期，即0.4s，則盲區(qū)為1.6mm，但實際檢測中Tp與探頭特性和缺陷信號強度有關(guān)，所選取值不能完全反映實際情況，通常實際盲區(qū)比計算盲區(qū)要小，因此計算所得盲區(qū)僅供參考，這在后面的缺陷定量分析中可以得到實際驗證。 如果缺陷不在探頭連線中心位置則缺陷尖端信號可能由于與底波等時而隱藏在底波中，產(chǎn)生新的檢測盲區(qū)。為了解決該問題，在掃查中可增加偏心掃查減小由此產(chǎn)生的盲區(qū)對缺陷檢出的影響。該焊縫上表面寬度20mm，探頭在放置過程中可以做一定量的偏移，進行偏心掃查。 3 數(shù)據(jù)采集與分析 3.1 數(shù)據(jù)采集 為了更加精確的測量缺陷的尺寸，盡可能的記錄缺陷的細節(jié)，在采集數(shù)據(jù)時設(shè)置每步進0.5mm采集一次數(shù)據(jù)。為盡可能發(fā)現(xiàn)根部缺陷，進行中心掃查與2次偏心掃查。 3.2 數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)分析是TOFD檢測中至關(guān)重要的一步，對分析人員的技術(shù)水平、經(jīng)驗等要求較高。下面以所采集的兩組典型數(shù)據(jù)為例，進行相應(yīng)分析，并實際解剖驗證，將數(shù)據(jù)分析結(jié)果與解剖結(jié)果進行對比分析。 3.2.1 區(qū)間0-1數(shù)據(jù)分析與結(jié)果對比 圖1是0-1