焊缝超声TOFD法探伤和定量新技术续

焊缝超声TO FD法探伤和定量新技术(续)
李　衍
(无锡华光锅炉有限公司,江苏无锡　214028)
中图分类号:T G115.28　文献标识码:A　文章编号:167124423(2003)06205205
(上接2003年第5期)
6　TO FD数据解析
6.1　缺陷初析
对TO FD法检出的缺陷应至少描述以下特征:
(1)缺陷在试件中的位置(X、Y座标);
(2)缺陷长度(△X);
(3)缺陷埋藏深度和自身高度(Z、△Z);
(4)缺陷类型(表面开口型、底面开口型、埋藏型)。

6.1.1　缺陷的表征
为表征缺陷,应确定该缺陷端部产生的衍射波信号相位;
●表观相位与侧向波相同的信号,应视为由缺陷下端部产生;
●表观相位与底波相同的信号,应视为由缺陷上端部产生,或由无可测高度的缺陷产生。

若信噪比不够,以致信号相位无从检出,则以上识别无效。

(1)表面开口型缺陷:发现缺陷下端部衍射有所减弱的信号(通过耦合损失校正),或侧向波中断时,应视为表面开口型缺陷。

有时可观测到侧向波会朝传播时间稍长的方向移动。

(2)底面开口型缺陷:发现底波朝传播时间较长的方向移动,或底波中断(通过耦合损失校正)时,应视为底面开口型缺陷。

(3)埋藏型缺陷:发现既有上端部衍射又有下端部衍射产生的信号,应视为埋藏型缺陷。

发现只有上端部衍射产生的信号,而无侧向波或底波的相应信号,应视为无高缺陷。

但要注意,由于侧向波或底波信号微弱,也可能将缺陷误判漏检。

有怀疑时,应采取相应动作,或通过多次TO FD扫查(见6.2.1)或用其他方法验证。

需要作进一步表征时,应参照6.2。

对缺陷评定有怀疑时,应保持可能是最差的评定意见,直到验证评定正确为止。

6.1.2　缺陷定位
一般说来,要通过双探头同步移动,使缺陷位于两探头之间中间位置的X-Z平面与通过两探头中心线的Y-Z平面的交叉部位,就足够准确(X、Y、Z 座标意义见图6)。

图6　TO FD法定位座标意义
由缺陷产生的信号传播时间也可用于判定缺陷位置。

理论上,传播时间不变的表面是超声探头入射点附近的椭圆面中心。

衍射点的位置至少要通过两次扫查才能准确测出(见6.2.1)。

若要求对缺陷位置或方向作更精确的测定,必须作多次TO FD扫查(双探头同步移动方向垂直于或平行于声束传播方向)。

6.1.3　缺陷测长
缺陷长度应根据X向扫查的探头移动量直接测出。

与所有超声波探伤法一样,因超声波束有一定宽度,TO FD测长结果也可能是偏长的。

缺陷长度小于所用探头晶片尺寸1.5倍时,用一般TO FD法测长结果很不准确,此时可参阅6.2.2用附加算法确定缺陷长度。

6.1.4　缺陷测深定高
第27卷第6期2003年12月 无损探伤
N D T
V o l.27N o.6
D ece m ber.2003
假定超声能量都在探头入射点进入和离开试件。

当缺陷位于两探头之间的中间位置时(见6.1.2),缺陷深度由下式求出:　
d=1
4(ct)2-s2
12
(3)
式中　c—纵波声速
　t—缺陷上端部衍射信号的传播时间
　d—缺陷上端部的埋藏深度(离板面距离)
　s—两探头入射点间距之半
超声信号在探头楔块内的传播时间应从深度计算中减去。

否则,会使深度计算值产生严重误差。

为避免探头延迟时间测量中可能遇到的误差,应尽可能从侧向波与衍射脉冲之间的传播时间差△t求深度d。

即
d=1
2
(c△t)2+4c△ts12(4)
由缺陷深度位置即可求得缺陷在板厚方向的自身高度:
●表面开口缺陷:其高度由侧向波与缺陷下端部衍射波两信号的深度差求得;
●底面开口缺陷:其高度由缺陷上端部衍射波与底波两信号的深度差求得;
●埋藏缺陷:其高度由缺陷上下两端部衍射波信号的深度差求得。

6.2　缺陷详析
详细的缺陷分析可针对用基本TO FD扫查已检出的缺陷进行。

另外,也可考虑用其他ND T法对缺陷作出更详细的表征。

缺陷详析包括:精测缺陷长、深、高,精测缺陷方向,精测缺陷类型。

缺陷详析方法:用不同的探头角度、频率和双探头间距作附加扫查;用双探头作平行于声束方向的Y向扫查;用附加的计算机算法分析数据。

6.2.1　附加扫查
选用以下一种或几种附加扫查时,设备调整参数应最佳化(见本文4和5)。

(1)用低频扫查:若信噪比太低,即使用很大的平均值法,也不能作缺陷详析,此时可用较低的探测频率进行扫查。

通常,低频扫查会增大死区,降低分辨力。

(2)用高频扫查:探测频率提高,可提高分辨力,提高定量精度,也可减小死区,但由于晶粒噪声增大,会使信噪比降低。

(3)用小角度、小间距扫查:用较小的探头角度及与之相关的较小探头间距进行扫查,可提高分辨力和定量精度,并减小死区,但也会减小试件声透体积。

(4)用不同间距扫查:为获得缺陷的水平位置(Y向)及其方向信息,可用不同探头间距(相对位置)作平行于声束方向的Y向扫查或附加的平行于焊缝方向的X向扫查。

应校验:在这些扫查中所观测到的信号相位关系,是否与初始扫查中的相位关系保持一致。

对某一端部衍射信号来说,传播时间恒定的表面是个椭圆面。

如果只考虑通过探头的Y-Z平面,则描述恒定声程的椭圆可表示为:
ct=d2+(s-y)212+d2+(s+y)212(5)
由上式可见,衍射点离两探头间的中心平面距离不同(即y值不同),会使端部衍射的传播时间也不同。

因此,缺陷端部的表观深度会因用不同的探头位置扫查而变化。

缺陷端部的水平位置(Y向)可直接通过平行于声束方向的Y向扫查,由最小表观深度位置测出。

为找到缺陷的实际最小深度位置,需要在不同的X 座标作多次相邻的平行扫查。

一旦探知缺陷上下两端部位置,由通过两缺陷端部的轴线即可判定该缺陷的方向。

原则上,用相互偏离一定距离的两次平行于焊缝方向的X向扫查,只要透声区覆盖足够的体积,也足以测准缺陷深度、长度和方向。

但用两次X向扫查测定缺陷端部位置,不够直观,这将牵涉到用附加软件绘制空间曲线(见6.2.2)。

也可用附加的平行于声束的Y向扫查来检出近表面缺陷,由于侧向波或底波靠得较近,缺陷一般不太好识别。

但各次扫查中缺陷的表观深度会有所不同,因而可将缺陷波与侧向波或底波区别开来。

6.2.2　附加算法
计算机算法对分析TO FD扫查所记录的数据很有用。

例如:
(1)拟合叠加曲线,可精测缺陷长度。

(2)对侧向波和底波作减法,可检出信号,否则因干扰会使信号模糊不清。

若表面粗糙或有凹坑,此算法有效性应通过试验验证。

(3)作线性化算法,即令整个D扫描或B扫描线性化,可精测缺陷深度、高度。

6 无　损　探　伤 第27卷
(4)作模式化算法,可绘制轨迹曲线,分析波型
转换信号,从而可附加窥测缺陷位置、深度和方向。

有关物理原理和模式软件,要求操作者充分熟悉。

7　特殊几何条件下的检测和定量将被检试件按几何条件的特殊性分为5类。

对2类试件,若两探头之间的表面是平直的,则无需作进一步限制。

否则,对2类试件及所有3类试件,均需作改进的检测和评判程序,以适应试件曲率。

对4类和5类试件,要应用特殊的数据处理和操作条件。

凡遇特殊情况,计算机算法对分析数据很有用。

为验证缺陷检出能力,也极力推荐使用含自然缺陷或人工缺陷的试块或试样。

8　TO FD法的局限性
这里提出有关TO FD法的一些局限性,包括TO FD法的基本检测和定量技术。

也指出在正常条件下可达到的准确度限值,并讨论可能影响缺陷检出率的死区。

要理解TO FD法总的可靠性取决于多种因素,而总的误差不小于这里讨论的综合误差。

倾斜度、弯曲度大的缺陷,如X向扫查中的横向裂纹,一般较难检出。

在这种情况下,建议对检出能力要作具体验证。

另外,有些并不严重的缺陷,如点状缺陷,有混淆裂纹类较严重缺陷的可能,对此应予识别。

适当时,应验证区分小裂纹的能力。

检测能力的验证可针对具体检测进行,也可查阅其他记录数据。

8.1　准确度和分辨力
应将准确度与分辨力区分开来:准确度是指反射体或衍射体位置可测定的程度,而分辨力是指将两个紧靠的衍射体区分开来的程度。

TO FD测量准确度受定时误差、声速误差、探头间距误差和缺陷水平位置误差的影响。

在正常情况下,总的准确度主要取决于缺陷水平位置误差。

8.1.1　缺陷水平位置误差
如6.1.2所示,缺陷的水平位置通常都假设处于两探头之间的中间位置。

实际上,缺陷可能处于非中间位置(如坡口面未熔合、焊趾裂纹等),此时由缺陷偏离两探头间距中心线的水平位置误差(D y)引起的深度测量误差D d可由下式求出: D d=
(ct)2-(2s)212ı
D y
ct
2
0.25-
D y
ct
212
(6)
原则上,声束下边缘决定D y。

若无声束下边缘的可靠数据,则取D y=s。

8.1.2　定时误差
由定时误差(D t)引起的缺陷测深准确度的限值,可由下式求出:
D d=c
D t(d2+s2)12
2d
(7)式中　D d—缺陷端部离扫查表面的深度d的误差。

要减小定时误差,可采用较短的脉冲或较高的频率。

8.1.3　声速误差
由声速误差(D c)引起的缺陷测深准确度的限值,可由下式给出:
D d=
D c d2+s2-s(d2+s2)12
cd
(8)
若两探头间距减小,此误差就会减小。

用一已知壁厚,测量底波延迟时间,单独校正声速,可大大减小声速误差引起的测深误差。

8.1.4　探头间距误差
由两探头入射点之间的间距误差(D s)引起的缺陷测深误差,可由下式给出:
D d=
D s(d2+s2)12-s
d
(9)
注意,两探头间距误差可能由测距误差以及入射点测试误差引起。

当探头间距小于试件厚度两倍时,入射点可不再认为是一个固定的点,但它与深度有关。

此时,若要求准确定量,应借助于有代表性的试件进行测深校正。

8.1.5　空间分辨力
空间分辨力(R)是深度的函数,可用下式计算:
R=
C2(t d+t p)2
4
-s2
12
-d(10)式中　t p—声脉冲长度
　t d—到达深度d的传播时间
分辨力随深度而增大,减小探头间距或声脉冲长度可改善分辨力。

8.2　死区
靠近扫查表面有一个死区(D ds),系由侧向波存在而致。

侧向波与缺陷信号之间的干扰可能妨碍缺陷检出。

此扫查表面死区的深度由下式给出:
7
第6期 李　衍:焊缝超声TO FD法探伤和定量新技术(续)
D ds=(ct p)2
4
+sct p
12
(11)
靠近底面也有一个死区(D dw),系底面回波的存在而致。

此近底面死区深度由下式给出:
D dw=c2(t w+t p)2
4
-s2
12
-W(12)
式中　t w—底面回波的传播时间
　w—壁厚
以上两个死区均可通过减小探头间距或使用具有较短脉冲长度的探头来减小。

9　无数据记录的TO FD检测
在手工TO FD法中,结果评定直接从A扫描获得,应使用非检波(A C)显示的信号。

这种TO FD法只适用于几何条件简单的工件检测,设备的布置调节应符合5.2～5.4的要求。

一般说来,这种方法不可能象有记录数据的TO FD法详析任何信号。

用它来检出相位变化,传播时间的轻微变化,以及靠近侧向波的缺陷回波,都较困难。

10　检测程序和报告
TO FD检测程序也应符合EN583-1超声检测的一般原理所规定的要求。

应用的具体条件和TO FD法的使用取决于被检产品类型和具体要求,要在书面程序中交代。

TO FD检测报告除应符合EN583-1规定的要求外,还应包括以下内容:
(1)所用试样或参考试块的说明;
(2)探头型式、频率、角度、间距、相对于参考线(如焊缝中心线)的位置;
(3)描绘的图像(硬拷贝),至少应有已检出的相关显示的位置。

设备调节细节,调节探伤灵敏度的方法。

再有,检测过程中所有记录的原始数据,应存贮在磁性或光学存贮介质,如硬盘、软盘、磁带或光盘中,妥善保存,以备日后查阅。

11　TO FD用参考试块
参考试块用作校正系统灵敏度,以获得足够的体积覆盖范围。

参考试块的最低要求如下:
(1)材料与被检工件相似(如具有相似的声速、晶粒噪声和表面状态);
(2)壁厚应等于或大于被检工件标称壁厚;
(3)扫查表面的宽度和长度应满足探头在参考衍射体上的移动范围。

测试时,应根据参考衍射体的衍射信号。

参考衍射体可为:
●表面开口的机加工槽;
●横通孔,孔径至少为检测所用探头标称频率下波长的2倍。

横孔应被截割到扫查表面,以阻止孔顶产生的直接反射,见图7。

a.锯槽
b.横通孔
(作为参考反射体或衍射体的横通孔经由锯槽与扫查表面相连)
图7　TO FD参考试块草图
参考衍射体应设在被检工件标称厚度的约10%、25%、50%、75%、90%的位置。

12　结论和讨论
(1)焊缝TO FD法早在上世纪70年代初就已提出,经过20年的理论研究和实践应用,已较成熟,欧、美、日相继出现了有关TO FD的方法和验收标准。

(2)TO FD法用声波在缺陷端部造成的传播时差对缺陷进行测深定高,比常规的回波幅度法定量较准确可靠。

(3)用不检波A型显示(A C波形)提供的相位信息来识别缺陷的存在和性质具有独特的优点,用焊缝纵断面的D型显示和横断面的B型显示,使缺陷记录较为直观和客观。

(4)在装置上,采用3显示数字式超探仪,小晶片、大指向角纵波双斜探头,可作X向和Y向移动的机械扫查器,可追踪检测部位的光学或磁性编码器,以及含模拟衍射体的灵敏度校验试块,是实施TO FD法的必备硬件。

(5)方法参数中,探头角度、尺寸、频率的选择,两探头以缺陷为中心的对称布置以及探头间距大小的设定,是提高缺陷检测分辨力和定量准确度的关键所在。

此外,探头入射点和声速误差对检测、定量的影响也不可忽视。

8 无　损　探　伤 第27卷
(6)TO FD法是利用缺陷端部微弱的衍射波来进行检测和定量的。

若测定条件选用不当,不仅影响缺陷定位、定量精度,也可能造成有害缺陷错漏检!因此各国都在致力于TO FD检测条件最佳化的试验研究,此技术还在向纵深方向发展。

(7)英国作为欧洲标准化委员会成员国,对EN 583-1的某些条款持保留意见,主要是:
a.表1、表2中推荐的晶片尺寸和探头角度范围:壁厚10～30mm,英已使用的晶片尺寸有10 mm,标称探头角度45°。

b.要用双探头检测一次覆盖整个试件厚度,声束中心线应相交于12～23板厚范围内。

c.EN583-1详述了根据材料晶粒噪声调节灵敏度的具体方法。

英标(B S7706)另有取代方法。

若灵敏度根据材料晶粒噪声调节,则要用上述附录所示参考试块进行校正。

d.为对某种缺陷(如埋藏型缺陷)表征其特性,除作平行于焊缝方向的X向扫查外,还需作平行于声束方向的Y向扫查。

e.当缺陷不处于两探头之间的中间位置时,由水平位置误差(D y)引起的缺陷测深误差(D d),欧标中给出了(4)式的计算方法。

此式有误,应改正。

正:D d=
(ct)2-(2s)2ı
D y
ct
2
1-
2D y
ct
212
误:D d=
(ct)2-(2s)212ı
D y
ct
2
0.25-
D y
ct
212
f.用11中所示参考试块校正灵敏度时,应规定参考衍射体的最大波幅调为满屏高的多少百分比值。

这对保证不同操作者之间的重复性特别重要。

(还应注意,该欧标允许使用两种衍射体的参考试块(即机加工槽和横通孔),会使灵敏度调节结果不同。

)
g.图7给出的参考试块无具体尺寸。

实际上图中各横孔间的水平间距要比图示间距大得多。

分别制作数块带槽横孔试块,就更切合实际。

(8)关于TO FD法的原理,在国内《无损检测手册》(机工出版社,2002.1.p.192)中已有简介,但TO FD技术在工业上的应用,特别是锅炉、压力容器、压力管道焊缝检测尚未普及,标准化更是空白。

应急起直追,与国际接轨。

(上接第46页)
3　假片假结果的检查
由于压力管道安装监检是一项新开展的工作,而且由于压力管道安装探伤检验工作量大、现场条件苛刻、操作困难等因素,在监检审查射线探伤底片中发现假片和假结果现象就特别多。

在2001年一年的时间内所监检的11个压力管道安装工程中就有5个单位存在假片或假结果现象。

个别单位所拍假片竟高达30%,一处焊缝拍成多个管号的多个片号,甚至返修焊缝的探伤都不在返修处透照,而是取方便之处随意拍来一张完事,情节极其恶劣。

有的单位将无影像的废片和严重超标的级群孔片都评为级片,出假结果和假报告欺骗建设单位。

在底片审查时如果注意以下几点将有助于对假片和假结果的查出。

1)严格按规定要求达到抽查数量。

所抽查的底片由监检人员指定,不能由施工单位提供,否则施工单位有可能会将有问题的底片挑出来而不交检。

2)底片审查时要查看每道焊缝的底片前后搭接情况,如果前后搭接不上,则此片必须认真审查确定是否为假片。

3)在底片审查过程中尽量多记忆一些影像有特点的底片,比如焊纹或焊缝表面的特殊形状以及缺陷性质、形状大小、数量和相对位置等等。

如遇到眼熟或“似曾相识”这样的底片,应将该底片提出返回到已经审查过的底片中去对照核查。

4)由于固定口的透照操作比活动口的难度大,所以假片多数出现在固定口上。

底片审查过程中同时查看管道单线图,以此来验证焊缝位置与底片上的焊接位置特征是否相符,如果不符则应进一步认真审查。

5)对于重复透照这类假片应慎重对待,既不能轻易认定也不能轻易否定放过。

因为压力管道的曲率半径一般都较小,加之每次透照的角度方位和焦距都不可能完全相同,甚至有的焊缝在前一次透照之后焊缝表面进行了修磨,所以底片上的影像会有较大的改变。

因此对影像相似而怀疑有假的底片应多选择几处特殊部位综合分析对照,以免造成判定失误。

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第6期 李　衍:焊缝超声TO FD法探伤和定量新技术(续) 。