无损检测论文无损检测技术论文检测论文

[收稿日期] 2010-06-10 [作者简介] 田力男（1968—），男，内蒙古人，硕士，高级工程师，从事无损检测及金属技术监督工作。 [基金项目] 内蒙古电力科学研究院 2008 年自筹经费科研项目。 衍射时差法超声检测在电站设备 无损检测中的应用研究 Application Research of Ultrasonic TOFD Testing in Power Station Non-destructive Testing 田力男，卫志刚，张 涛，张艳飞 （内蒙古电力科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010020） 1 TOFD技术概述 1.1 发展状况 20世纪 70年代，衍射时差法超声检测（Time of flight diffraction，以下简称 TOFD）技术问世于英国， 最初应用于核反应堆的厚壁压力容器检测 [1]。 20 世 纪末，随着计算机技术的飞速发展，TOFD 技术与数 字化超声设备相结合， 发展成为一种超声成像检测 技术。 21世纪初，TOFD技术引入我国，先后在西气 东输和神华煤液化工程中应用成功， 目前 TOFD 技 术被广泛应用于核工业、航空航天、电力、机械制造、 石油、化工等领域。 1.2 检测原理 TOFD 是 1 种新型超声检测技术， 它可通过超 声波的尖端衍射来检测缺陷， 通过波的传播时差测 量缺陷，通过信号的图像化处理来显示缺陷[1]。 进行 TOFD检测时，发射探头发射声脉冲。一般 情况下，接收探头首先接收直通波，最后接收底面反 射波。如有缺陷存在，则在直通波和底面反射波之间 还会接收到缺陷端点（或边界）的衍射波，如图 1 所 示。 上述波信号最初 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现为 A 扫描信号，连同位置 编码器传出的坐标值被主机接收， 经数字图像化处 理，最终形成 B、D 等二维图像扫描显示。 检测人员 主要根据这些显示进行缺陷的定性、 定位及定量[2]。 1.3 优缺点 与常规超声检测技术相比，TOFD 技术主要具 [摘要] 衍射时差法超声检测（TOFD）技术是一种新型检测技术，与常规超声检测相比有 较大优势。选用 OmniScan-MX检测仪，对扫查装置进行改装，并 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 加工特种试块；设置各类 检测参数，制定出具体的 TOFD 检测程序对试块进行非平行扫查：检测出特种试块内不同性 质、不同方位的所有缺陷，且成像直观、易于识别。 将 TOFD 检测技术实际运用于电站设备的 无损检测，取得了较好的检测结果。研究表明：TOFD检测技术能够提高缺陷的检出率、降低误 判率，但也存在一些局限性。 [关键词] 衍射时差法超声检测；无损检测；焊缝缺陷；电站设备；OmniScan-MX检测仪 [文献标志码] B [文章编号] 1008－6218（2010）06－0033－05 图 1 TOFD 扫查示意图 焊缝中的 声束 扫查方向 发射探头 接收探头 焊缝 内 蒙 古 电 力 技 术 INNER MONGOLIA ELECTRIC POWER2010 年第 28 卷第 6 期 33 图 4 部分 TOFD 特种试块 图 5 试块的射线探伤结果 图 2 OmniScan-MX 检测仪、探头、楔块及简易扫查架 有以下优点[3]： （1） 测量精度高（一般为±1 mm），并能测量缺 陷的自身高度，但有一定的测量误差；常规超声检测 无法测量缺陷自身高度。 （2） 可以检出有效区域内任意方向上的缺陷。 （3） 借助 B、D 扫描显示，有效提高了缺陷检出 率及缺陷定性的准确性，降低了误判率。 （4） 一次扫查即可得到整条焊缝的信息，并可 离线 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 。 但是，TOFD 技术是由超声检测技术发展而来 的分支，仍然存在超声检测固有的局限性，如不能精 确检测近表面缺陷、难以检测各类粗晶材料等。 2 TOFD检测设备及配置 使用加拿大 R/DTech 公司 （现属奥林巴斯公 司）制造的 OmniScan-MX 检测仪，配置探头、楔块 及简易扫查架（见图 2）。 简易扫查架用于实际检测， 但所配直杆长度仅为 200 mm，难以实现不同情况下 PCS（发射探头和接收探头入射点之间的距离）的设 置，因此，另外制作了 1 根直径 10 mm、长 500 mm 的长直杆。 此外， 对某检测设备公司提供的 1个扫查架研 发样品进行了工装改造， 设计并制作了楔块架及编 码器夹持装置， 使之与 OmniScan-MX 检测仪所配 置的楔块及编码器组联。 经工装改造后的扫查架能 够使探头与工件更好地耦合（见图 3）。 现场试验表 明，扫查的稳定性和实用性均优于原简易扫查架。 3 特种试块的设计加工 针对电站锅炉、压力容器、承压管道焊缝的结构 特点及焊接缺陷的类型和分布规律，设计了 10 个特 种试块（编号为 TOFDD1—TOFDD10），在试块的不 同位置上制作了 14个缺陷， 包括未熔合、 裂纹、气 孔、夹渣、未焊透 5类缺陷。 试块焊缝的结构形式包 括等厚对接、不等厚对接及根部错边。委托山东某焊 接培训中心采用特种方法对试块进行加工， 在焊缝 中形成了预规划的人工缺陷，见图 4。 试块加工完后 均进行了射线探伤（见图 5）。 4 TOFD检测程序及参数设置[4] 在不同领域中，被检测对象在材质、厚度、结构 形式、缺陷特性等方面各不相同，不同制造商生产的 TOFD探伤仪又有各自的特点和和操作模式。 因此， 运用 TOFD技术对电站设备进行无损检测， 就必须 有针对性地通过试验对各类检测参数进行设置，并 制定出具体的检测程序。 4.1 TOFD检测程序 经过反复试验，确定了适合电站锅炉、压力容器 及承压管道对接接头的 TOFD检测程序。 4.1.1 检测面准备 检测区域应为焊缝本身宽度再加焊缝两侧各相 当于母材厚度 30%的区域；检测面应平整，表面粗图 3 经工装改造后的扫查架 编码器后置夹持 编码器前置夹持 楔块夹 内 蒙 古 电 力 技 术 2010 年第 28 卷第 6 期34 糙度 Ra≤6.3 m，一般均需要打磨。 由于 TOFD 采用 1 收 1 发 2 个探头的工作模式，因此，对检测面的平 整性和光洁度要求均高于普通超声检测， 否则将难 以移动探头或造成信号丢失。 4.1.2 探头选择 主要是确定探头的中心频率、 晶片直径及主声 束角度。 4.1.2.1 中心频率 增大探头频率可以提高缺陷的分辨率及深度方 向测量精度，但在同一晶片直径下，频率越高，扩散 角越小，直通波会明显减弱甚至消失，因此很难进行 下一步的扫查和分析。此外，频率过高，衰减就大，对 厚壁工件的探伤影响很大。但频率过低，精度和分辨 率均达不到基本要求。 本试验推荐频率为 5 MHz。 4.1.2.2 晶片直径 在同一频率下， 晶片直径越小， 声速扩散角越 大，但晶片直径太小则发射能量不足，制造加工的难 度也越大。在 TOFD现有的设备和探头制造水平下， 本次试验推荐晶片直径为 6 mm。 4.1.2.3 主声束角度 探头主声束角度通常为 45°、60°、70° 3 种，主 声束角度大，则 PCS 大。 在大 PCS 条件下形成的扫 描显示中，直通波和底波相对靠近，分辨率低、深度 测量误差大，且直通波信号降低；主声束角度为 45° 时，PCS 最小，但在实际探伤中，探头会受到焊缝盖 面宽度的限制。因此，在工件壁厚为 12~200 mm时， 70°探头尽量不用 （除非由于 PCS 间距小于检测区 域宽度而无法使用 60°探头）；45°探头能用则用（尤 其是壁厚较大时）；60°探头最为常用。 综上所述， 在工件壁厚为 12~200 mm 的 TOFD 检测中，本试验推荐按照表 1所示的探头参数选择。 4.1.3 扫查方式选择 TOFD 的扫查方式分为非平行扫查和平行扫查 2 种。 在电站设备 TOFD 检测中应尽量使用非平行 扫查，不推荐使用平行扫查，这是因为：通过非平行 扫查就可以完成缺陷的探测、定量、定性等所有检测 内容，但是无法判断焊缝中心线另一侧的缺陷，可以 辅之以常规超声探伤确定； 平行扫查尽管可以判断 焊缝中心线另一侧的缺陷，但检测效率低，加之检测 前需要打磨去除焊缝的加强高，现场不便实现。 4.1.4 PCS选择 非平行扫查 PCS一般根据（1）式确定： PCS＝ 43 δtanθ ， （1） 其中 δ为工件厚度，θ为主声束角度。 即让 2个探头 的声束轴线交于工件壁厚的 2/3 处。 当工件厚度大 于 60 mm 时， 在厚度方向分成若干区域进行检测。 分区检测可以使用多通道检测设备一次完成扫查， 也可使用单通道检测设备， 采用不同的探头进行多 次扫查。 4.1.5 标识 检测前， 应确定扫查路径并在被检工件上予以 标识，包括扫查起始点和扫查方向等。 4.1.6 耦合剂选择 实际检测时所采用的耦合剂应与进行系统设置 时的耦合剂相同。如果耦合不良，直通波 LW和底面 反射波 BW难以形成直线形状；耦合剂过厚施加，可 能导致扫描图像中的黑白条纹加宽而增大测量误 差。从试验效果来看，不易采用浆糊、洗洁精、机油等 作耦合剂，最好采用专用的成品耦合剂。 4.1.7 探头与楔块的组合 TOFD 探头与楔块一般按图 6 的方式进行组 合，组合时需要在探头与楔块间添加耦合剂（最好是 固态状的机械黄油，在变干前及时更换）。 探头必须 拧到位，否则超声束将不能有效进入工件。 4.2 基于 OmniScan-MX 检测仪的系统设置 TOFD 检测前， 要最后完成对各种检测参数的 表 1 电站设备 TOFD 检测的探头推荐性选择和设置 注： t 表示工件厚度。 工件厚度/ mm 对应设备 扫查数/ 次 深度/ mm 声束角度/ （°） 声束交点/ mm 12～60 四大管道、 高中压 导汽管、 高低压加 热器 、 除氧器 、扩 容器 1 0～t 70～60 2t/3 60～100 厚壁承压管道 、汽包 2 0～t/2 70～60 2t/3 t/2～t 60～45 5t/6 100～200 汽包 3 0～t/3 70～60 2t/9 t/3～2t/3 60～45 5t/9 2t/3～t 60～45 8t/9 内 蒙 古 电 力 技 术2010 年第 28 卷第 6 期 图 6 典型的 TOFD 探头与楔块的组合方式 波束角度 楔块（有机玻璃或 类似材料） 纵波探头 探头楔块间添加耦合剂 探头线插口 35 图 7 部分试块 TOFD 检测 D 扫描显示 表 2 基于 OmniScan-MX 的系统设置 检测参数 参数键值 关键控制点及说明 脉冲发射强度（电压 V） 200 V 探头频率越高，需选的电压越低，否则可能会损坏探头，但 5 MHz 探头可选最高电压 200 V，以产生最大的脉冲发射强度 脉冲宽度 0.5 脉冲波周期 触发方波的持续时间按脉冲超声波的半个周期来设置， 使发射的超声波的幅值最大 脉冲重复频率（PRF） 设为“最优” PRF 太高，则可能产生幻像波，表现为直通波前还有波形显示，此时应降低 PRF 值，直到 A 显示中的直通波前变为直线； PRF 太低，扫查速度又太快、扫查步进设得太小，就可能丢失数据，表现为在 B 显示中出现一道道的黑线 滤波 高通：f/2 低通：2f 如果在调整其他因素后直通波仍很弱，则需降低高通值，避免把扩散到表面 的低频部分滤掉 检波 设为全波整流 RF 进行 TOFD检查必然设成全波整流 信号平均次数 设为最大值 16 信号平均一般选最大值，以最大程度上消除噪声信号的干扰。 但信号平均次数越大，最大允许扫查速度越小 抑制 设为 0 TOFD检测不设抑制 灵敏度（增益） 一般将直通波的波幅设定到满屏高的 40％～80% 可直接在工件上进行灵敏度设置，若直通波不适合或不可见，可将底面反射 波幅设定为满屏高的 80%，再提高 20～32 dB； 灵敏度太低，可能无法得到直通波并漏检缺陷；灵敏度太高，则可能无法测 量峰值 A 扫描时间窗口 起始位置应设置为直通波到达接收 探头前至少1 μs， 窗口宽度为工件 底面的一次波形转换波后 1 μs 可直接在工件母材上进行设置 工件几何形状 平板 因对焊缝进行非平行扫查，容器和管道均按平板对待 显示方式 A-B 即 A 扫描和 B 扫描结果同时显示，便于分析与测量 位置编码器分辨率 12 step/mm 输入编码器上的分辨率铭牌值，必要时需进行校准 编码器极性 正向或逆向 根据扫查方向实际确定 触发方式 编码器触发 不能选时间触发，否则将无法采集数据 扫查起始值 0 mm 与工件上所做的标识相匹配 扫查终止距离 略大于探头所走的距离 根据探头拟行走的距离决定 扫查步进 1 mm，即编码器每走 1 mm 取 1 个 A 扫描 扫查步进如太小，则数据所占字节几何级数增大；扫查步进如太大，则焊缝 信息大量丢失 设置（即系统设置）。本次试验只基于 OmniScan-MX 检测仪进行系统设置，见表 2。 5 特种试块的 TOFD检测 5.1 检测结果 使用 OmniScan－MX 检测仪对试块的焊缝进行 了非平行扫查， 部分 D 扫描显示见图 7。 使用 TO- MOVIEWER 软件对缺陷进行了测量，结果见表 3。 5.2 数据分析 通过 TOFD检测，检出了试块内不同性质、不同 方位的所有缺陷，缺陷成像直观、易于识别。 在常规 超声检测中难以检出的与探测面接近垂直的根部裂 纹、侧壁未熔合等缺陷均被 TOFD有效检出。缺陷的 成像特征随缺陷性质的不同而不同， 如未熔合缺陷 的上、下端点信号都较强，成像较规则；夹渣信号的 下端点信号弱，且呈断续不规则形状等。 分析表 3的数据可知， 缺陷长度方向的测量精 度高，可以达到±（1~2）mm；但埋藏深度的测量误差 较大且有波动（最小 5%，最大 50%）；缺陷自身高度 也有较大的测量误差。 深度方向上的测量误差主要 是由于检测图像在深度方向上不能按比例线性显 示，只是非线性的压缩显示，而且 LW 与 BW 的时间 间隔较短， 测量时指针稍有偏差就会带来较大的误 差。减小深度测量误差的主要 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 是减小 PCS、采用 窄脉冲等使 LW与 BW的时间间隔尽可能长。 内 蒙 古 电 力 技 术 2010 年第 28 卷第 6 期36 图 10 连排扩容器筒体焊缝上缺陷的刨挖结果 缺陷 A 缺陷 B 表 3 特种试块内部缺陷的测量结果 试块 序号 长度/mm 埋藏深度/mm 自身高度/mm 缺陷 性质设计值 实测值 设计值 实测值 设计值 实测值 TOFDD1 18 17 8 8.4 5 6.3 侧壁未熔合 TOFDD5 20 18 5 3.7 6 6.6 中心线裂纹 TOFDD6 20 19 10 6.3 3 5.4 夹渣 TOFDD8 18 6.5 7.6 密集气孔 TOFDD9 21 20 7 3.5 6 7.1 未焊透 6 TOFD在电站设备无损检测中的应用 6.1 大板梁 使用 TOFD 技术对华润金能热电厂 1 号机组 大板梁进行检测，在 2块大板梁的腹板对接焊缝内， 发现了未熔合、密集气孔等几处超标缺陷。对缺陷部 位进行刨挖后，实际结果与检测结果吻合，见图8 和 图 9。 6.2 连排扩容器 使用 TOFD 技术对包头第三热电厂 1 号机组连 排扩容器筒体（材质 16MnR，壁厚 16 mm）上的 T 型 焊缝进行检测，在纵缝上发现有 2处超标缺陷，缺陷 深度均为 12 mm，长约 25 mm 和 35 mm，对缺陷部 位进行刨挖后，结果吻合，见图 10。 6.3 高压加热器 使用 TOFD 技术先后对华宁电厂 1 号机组、金 山电厂 2号机组的高压加热器进行了检测， 没有发 现缺陷。 7 结论及建议 （1） TOFD 检测能对缺陷成像显示， 直观且易 识别，可以检出有效区域内任意方向上的缺陷，与常 规超声波检测相比，提高了缺陷的检出率，降低了误 判率； 缺陷的 TOFD 成像显示与缺陷的性质有较好 的关联，提高了缺陷定性的准确性。 （2） TOFD 检测涉及多种检测参数的设置，关 键控制点多，对检测 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 和检测过程要求高。 （3） TOFD 检测在长度方向上的测量精度较 高，但在深度方向上的测量误差较大，检测时需采 取措施尽量减小。 （4） 通过试验对比发现，对 60 mm 厚工件进行 一次扫查的结果与对其进行分区扫查的结果差别并 不明显。 因此，在实际探伤中，建议对 60 mm 以上的 工件进行分区扫查 （JB4730.10 报批稿中规定为 50 mm）， 这种划分方式对发电厂四大管道的 TOFD 检 测具有实际意义。 [参考文献] [1] 李家伟，陈积懋 ．无损检测手册 [M]．北京 ：机械工业出版 社，2004． [2] 郑晖．超声检测[M]．北京：中国劳动社会保障出版社，2008． [3] Print P.Carter.TIME-OF-FLIGHT DIFFRACTION COURSE （Level I and II）[M] .UK：Lavender international NDT Con- sultancyServices Ltd．，1999. [4] J.P.Charlesworth，J.A.G.Temple.TIME-OF-FLIGHT DIFF- RACTION[M].UK:engineering application（Version2） RES- EARCH STUDIES PRESS LTD.，2001. 编辑：张俊英 图 8 刨挖后显示出的焊缝内部未熔合缺陷 图 9 对缺陷部位进行刨挖后显示出的群气孔 内 蒙 古 电 力 技 术2010 年第 28 卷第 6 期 37