【摘 要】 介绍了TOFD超声成像检测技术在压力容器中的应用，TOFD法具有检测效率高、检测周期短、无辐射等优点。由于其自身优势，从长远来看，在厚壁容器检测方面，必将成为UT、RT的替代技术，国外已经将其广泛地应用到特种设备检验中
【关键词】 超声成像 压力容器检验 缺陷
1 TOFD超声成像检测技术的原理
TOFD超声成像检测技术是20世纪70年代由英国哈威尔无损检测中心首先提出的。超声波入射到线形缺陷时，在缺陷的两端除普通的反射波外还会产生衍射波，衍射能量可以在很大角度范围内传播，基于这个原理，TOFD技术主要采用一发一收两个探头，发射探头发射横向纵波，沿表面传播的一束声波和工件背面的镜面反射被接收探头接收，形成固有参考信号：焊缝中的横向纵波遇到缺陷后在缺陷尖端产生衍射波，如果缺陷有足够的自身高度，缺陷两端点的信号在时间上将是可分辨的，根据所记录的衍射信号传播时差就可以判定缺陷高度的量值。
2 检测
2.1 被检设备要求
清除被检设备扫查区域内焊接飞溅、附着物、涂层等影响探头移动、耦合和声束入射的因素。采用有效且适用于被检材料的介质作为耦合剂，通常使用水、耦合凝胶或软膏、润滑脂和油。为了改善超声耦合和保护被检工件，可以采用环保润湿剂和防腐剂等水添加剂。如果被检工件温度低于0℃（320F），可以采用甲醇或相似的介质。如果被检工件温度过高，应该对被检工件表面或探头进行冷却或使用专门设计的高温耦合剂。选用的耦合介质应在一定的温度范围内保证稳定可靠的检测。
2.2 检测仪器
TOFD检测系统一般由专用计算机系统、软件、探头和探头支架几部分组成，为了适应厚壁容器的检测需要，一般具有多个通道，用于实现探头类型及型号的组合，TOFD检测过程中，一般根据所检工件的材料、厚度选择探头的型号以及组合方式。
（1）探头选择；75mm以下的工件一般使用单探头扫描，检测铁素体钢时可以根据表1选用合适的探头，对于奥氏体或其它高衰减材料，需要降低探头公称频率和增加晶片尺寸。75mm以上的工件则需要采取一定的探头组合方式进行扫描，组合方式可以参照表2。
2.3 设备调校
（1）增益调整；TOFD技术虽然不是基于波幅法进行检测和定量，但其增益对检测的灵敏度有很大的影响，所以必须具有合适的增益保证在B-扫描中能够发现缺陷。在大多数情况下，单个TOFD探头组的增益设置是将表面波的波高达到满屏高的40%～90%。（2）声速及探头角度调节；声音在不同材料内的传播速度不同，所以检测前必须对声速进行调整，另外探头楔块在使用过程中会磨损，探头角度会有所变化，检测前也必须对探头进行校准，声速及探头角度一般可以通过横通孔试块进行调整。
2.4 软件、硬件设置
在开始扫描之前，还需对软硬件的一些主要参数进行设定，主要包括：采样率、扫描距离、扫描速度。
（1）采样率。壁厚小于50mm（2英寸）的工件，A-扫描信号之间的最大采样间隔一般为1mm，对于大壁厚工件，A-扫描信号之间的最大采样间隔为2mm。（2）扫描距离。根据被检设备的尺寸以及TOFD检测设备的内存允许值，来设定扫描距离。（3）扫描速度。设定合理的扫查速度，主要是为了在保证较高的检测效率的前提下，不丢失大量数据。扫查速度取决于耦合介质的耦合能力和电子系统的数据存储能力，一般要求B-扫描数据丢失不得超过整个扫查量的5%，而且不能连续丢失。
2.5 检测实施
如图2所示，将发射探头和接收探头分别置于焊缝两侧，首先沿焊缝进行B-扫描，若焊缝、热影响区无缺陷时，会观察到2个超声波信号：一个是超声波在表面传播的脉冲；另一个是试件底面反射产生的脉冲，两脉冲信号分别对应于发射探头和接收探头之间的最短和最长声程。这两个信号作为参考信号，若焊缝中存在裂纹、未焊透等面状缺陷时，超声波大部分能量会在面状缺陷表面被反射，而另有一小部分能量会在缺陷上下两端产生衍射波，被接收探头检出。因为B-扫描不能确定缺陷距探头中心线的位置，所以沿焊缝扫描结束后，针对存在缺陷的位置，还需要沿垂直于焊缝的方向做D-扫描，扫描工作结束后，将数据资料保存，以便进行数据分析。
3 数据分析
超声TOFD法主要根据成像图形（见图3）的形状、尺寸进行数据分析，分为两步（见图4），第一步为定性分析，确定缺陷的性质，缺陷定性主要依据缺陷成像的形状；第二步进行定量分析，确定缺陷的尺寸、位置等数值信息，缺陷高度由缺陷上下端两衍射信号的时间差求得（计算时需注意，缺陷上端与下端的回波相位相反），缺陷长度由缺陷成像的长度求得，缺陷深度由表面波与缺陷上端衍射信号的时间差求得，缺陷距探头中心线的距离由D-扫描信号求得。完成数据分析后，便可依据相关的标准规程，对缺陷的危害性等级进行评价。
4 应用实例
某厂的一台重整反应器达到检验周期需进行检验，其材质为 2.25Cr-1Mo，厚度38mm，由于壁厚较大，传统检验手段效率不高，于是使用TOFD检测技术对其主要焊缝进行了检测，根据厚度选用单通道扫描，参考表1选用探头晶片尺寸为10mm，公称频率5MHz，探头角度为60°，将设备调校正常后进行检测，经检测，发现了大量的密集气孔、夹渣（见图5）等缺陷，按照制造标准要求，这些缺陷很多属于超标缺陷，而制造过程中的射线探伤却未能检出，TOFD与射线探伤相比，缺陷检出率明显提高。
5 结语
TOFD法与现今主要使用的传统内部缺陷检测方法相比有着较大的优势：TOFD法克服了常规超声探伤的一些固有缺点，缺陷的检出和定量不受声束角度、探测方向、缺陷表面粗糙度、试件表面状态及探头压力等因素的影响，能够准确地确定缺陷的性质、尺寸、深度、位置，检测精度、准确度远远高于常规超声探伤，其对体积性缺陷的检测准确率可达100%；与射线检测相比，TOFD法具有检测效率高、检测周期短、无辐射等优点。
参考文献：
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