TOFD技术检测三维盲区的分析研究

ＴＯＦＤ技术检测三维盲区的分析研究李海华，赵立凡，郭兴建。

唐飞阳亮（中国石油独山子石化公司压力容器检验所，新疆独山子８３３６００）摘要：理论分析与试验验证相结合，研究分析了ＴＯＦＤ技术在检测对接焊接接头中的盲区。

提出了三维盲区的概念，尽量减少或避免三维盲区，确保ＴＯＦＤ检测的可靠性和有效性。

关键词：对接焊接接头；ＴＯＦＤ超声检测技术；缺陷；声束覆盖中图分类号：ＴＱ０５０．７文献标识码：Ａ文章编号：１００１－４８３７１２００８）０９－０００４－０７ＡｎａｌｙｔｉｃａｌＳｔｕｄｙｏｆＴｒｉｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＢｌｉｎｄＡｒｅａｉｎＤｅｔｅｃｔｉｏｎＵｓｉｎｇＴＯＦＤＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｉｑｕｅＬＩＨａｉ—ｈｕａ，ＺＨＡＯＬｉ—ｆａｎ，ＧＵＯＸｉｎｇ－ｊｉａｎ，ＴＡＮＧＦｅｉ—ｙａｎｇｌｉａｎｇ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ—ｖｅｓｓｅｌＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＤｕｓｈａｎｚｉＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＰｅｔｒｏ～Ｃｈｉｎａ，Ｄｕｓｈａｎｚｉ８３３６００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢｌｉｎｄａｒｅａｉｎｔｈｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｏｆｂｕｔｔｗｅｌｄｊｏｉｎｔｓｕｓｉｎｇＴＯＦＤｔｅｃｈｎｉｑｕｅｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｂｙｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．ＡｎｄｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎｏｆｔｒｉｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｂｌｉｎｄａｒｅａｗａｓｐｏｉｎｔｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅａｎｄａｖｏｉｄｔｒｉｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｂｌｉｎｄａｒｅａａｎｄｅｎｓｕｒｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｖａｌｉｄｉｔｙｏｆＴＯＦＤｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｕｔｔｗｅｌｄｊｏｉｎｔｓ；ＴＯＦＤｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｆｌａｗ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｂｅａｍｃｏｖｅｒ１前言国内外现有的ＴＯＦＤ（ＴｉｍｅｏｆＦｌｉｇｈｔＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）理论只提出了ＴＯＦＤ检测技术检测对接焊接接头时，在工件的厚度方向上存在盲区。

盲区的主要形式是直通波盲区（即近表面盲区）和底面盲区…。

文中通过理论分析‘ｊ试验验证相结合，提出ＴＯＦＤ检测技术在检测承压设备对接焊接接头时，不仅存在厚度方向盲区还存在宽度方向和长度方向盲区，即ＴＯＦＤ检测对接焊接接头存在“三维盲区”。

ＴＯＦＤ检测技术在检测对接焊接接头时，检测人员应充分重视三维盲区的存在。

为保证ＴＯＦＤ检测的可靠性，在制定检测工艺和检测技术方案时，应．４．提出减少或避免三维盲区的具体措施。

２现状分析２．１理论分析（１）ＴＯＦＤ检测采用一收一发双探头模式。

检测对接焊接接头时，大多数情况下，为了提高检测效率和减少成本，一般只进行非平行扫查（探头移动方向与焊缝走向平行，也称为纵向扫查，如图２所示）。

非平行扫查要将探头连线的中心线与焊缝中心线重合，典型图例如图ｌ，２所示。

在探头连线的中心线与焊缝中心线重合的基础上（如图２所示），超声波在缺陷的顶部尖端和底部尖端产生衍射信号，通过信号处理转化为ＴＯＦＤ图像，对于缺陷高度、埋藏深度、上下端点的高度等定万方数据第２５卷第９期压力容器总第１９０期量计算，都是建立在缺陷在焊缝中心这一假设条件上的。

图１ＴＯＦＤ检测对接焊接接头侧视图图２ＴＯＦＤ检测对接焊接接头俯视图（２）国内外现有的ＴＯＦＤ理论文献教材都只提出了ＴＯＦＤ检测技术在工件的厚度方向上存在盲区。

盲区的主要形式是直通波盲区（即近表面盲区）和底面盲区【¨，如图３所示。

检测面（即探头放置面）图３厚度方向盲区示意２．２出现的问题（１）焊缝宽度方向存在盲区在实际工作中，绝大多数缺陷都会偏离焊缝中心位置。

在图１中，如果缺陷出现在焊趾部位时（如：焊趾裂纹），超声波束就没有覆盖到，就会造成漏检。

ＴＯＦＤ检测工艺设置见图４，超出超声波束扩散边缘，就会产生宽度方向盲区（图４中阴影部分为ＴＯＦＤ检测盲区所在部位）。

图４焊缝宽度方向盲区部位示意（２）焊缝长度方向存在盲区在实际工作中，在确定ＴＯＦＤ检测区段后，如果以探头的边缘为基准作为扫查的起始、终止点位置，就会出现焊缝长度方向的盲区。

如图５所示（图５中阴影部分为ＴＯＦＤ检测盲区所在部位）。

该盲区是ＴＯＦＤ探头中心连线未扫查到的区域。

如果缺陷出现在图５中阴影部位时，超声波束就没有完全覆盖到，可能会造成漏检。

图５焊缝长度方向盲区部位示意３三维盲区概念的提出（１）综合以上论述，ＴＯＦＤ检测技术在检测承压设备对接焊接接头时，如果工艺设置不当，不仅会产生沿焊缝厚度方向的盲区，还会在焊缝宽度方向和焊缝长度方向产生盲区。

（２）将需检测的承压设备对接焊接接头的三维坐标如图６Ｉ２Ｊ标出。

如果工艺设置不当，ＴＯＦＤ检测技术会沿Ｘ轴、ｌ，轴、Ｚ轴方向产生三维盲区。

三维盲区形象地说即是：厚度盲区、宽度盲区、长度盲区。

・５・万方数据ＴＯＦＤ技术检测三维盲区的分析研究Ｖ０１２５．Ｎ０９２００８沿焊缝厚度方向的坐标图６坐标示意４三维盲区形成的理论分析三维盲区中的厚度盲区的形成，在相关文献中已有论述，不再赘述。

文中就宽度盲区、长度盲区做重点分析和研究。

４．１ＴＯＦＤ检测技术声束覆盖特点（１）ＴＯＦＤ探头覆盖范围主要由两方面决定：１）探头入射波束狂钢中的波束扩散范嗣大小；２）聚焦深度（入射纵波在钢中交点的深度）。

（２）波束扩散范围大小取决于３个条件：１）探头的频率，频率越高，扩散角度范围越大，反之越小；２）晶片尺寸，晶片尺寸越小，扩散角度范围越大，反之越小；３）楔块角度（即钢中的入射角），楔块角度越大扩散角度范围越大，反之越小。

（３）聚焦深度取决于两个条件：１）楔块角度（即钢中的入射角），楔块角度越大，聚焦深度越大，反之越小；２）ＰＣＳ（即两探头中心间距），ＰＣＳ越大，聚焦深度越大，反之越小。

４．２ＴＯＦＤ检测声束宽度方向覆盖分析（１）ＴＯＦＤ检测声场分布（见图７）图７ＴＯＦＤ检测声场分布注：两个频率为３．５ＭＨｚ相隔１００ｍｍ，直径为１５咖的探头所发出波束的传播结果．虚线表示４５０～８００区域范围。

（２）ＴｏＦＤ检测声场在不同厚度分区的宽度覆・６・盖特点１）近表面区声场宽度覆盖最好一方面由于ＴＯＦＤ检测声场分布上宽下窄（如图７所示）；另一方面入射的纵波会产生直通波沿工件近表面传播。

两方面因素同时作用使得近表面区声场覆盖范围最好。

需要指出的是，近表面区声场覆盖范围虽然最好，有利于发现缺陷，但是由于近表面的时间压缩情况较强烈，会导致分辨率降低，部分缺陷波还会隐藏在直通波中难以识别。

这一点在实际工作中应值得检测人员充分注意。

２）中间区声场宽度覆盖次之该区间内的声场能量较其他两区间最强，分辨率较好。

缺陷如果出现在该区间，会获得较高的幅值。

３）底面区声场宽度覆盖最差由于ＴＯＦＤ榆测声场分布下半部分较窄，所以该区段的卢场宽度覆盖范同较其他两区间最差。

缺陷如果出现在该区间，超出声场覆盖范围，就会造成该缺陷的漏检。

４．３ＴＯＦＤ宽度盲区的形成（１）被检对接焊接接头的宽度是形成ＴＯＦＤ宽度盲区的先决条件承压设备的对接焊接接头都有一定的宽度，宽度的大小取决以下４个主要方面：１）焊缝采取何种坡口形式：坡口角度越大，焊缝宽度越宽，反之越小；２）工件厚度：工件厚度越大，焊缝宽度越宽，反之越小；３）热影响区宽度：热影响区宽度越大，需要检测宽度范围越宽，反之越小；４）焊接方式：一般来说手工电弧焊的焊缝宽度较宽，气体保护窄间隙焊的焊缝宽度较小。

（２）声场覆盖范围特点是形成ＴＯＦＤ宽度盲区的根本原因ＴＯＦＤ检测声场的分布是三维立体的，只重视其在厚度方向上的覆盖，是片面的。

ＴＯＦＤ检测声场在宽度方向上覆盖的特点，是ＴＯＦＤ宽度盲区形成的根本原因。

根据上文４．２（２）的分析，靠近底面声场宽度覆盖范围较窄，如果对接焊接接头的底面宽度超出了该声场覆盖范围，就会在超出部位形成盲区。

图４形象地说明了这一情况。

万方数据第２５卷第９期压力容器总第１９０期（３）ＴＯＦＤ工艺设置是形成ＴＯＦＤ宽度盲区的综合因素ＴＯＦＤ工艺设置，一方面决定了在该工艺条件下，声场覆盖范围情况；另一方面决定了针对被枪焊缝宽度大小，声场覆盖范围能否全覆盖。

图４说明了在该工艺条件下产生盲区的情况。

如本文４．１和４．２节的论述，影响形成ＴＯＦＤ宽度盲区的主要工艺条件有：探头的频率、晶片尺寸、楔块角度、ＰＣＳ。

特别是当ＰＣＳ设置值偏小时，会造成聚焦深度值较小，仅满足厚度覆盖时，往往会产生宽度盲区。

４．４ＴＯＦＤ长度盲区的形成ＴＯＦＤ探头中心连线未扫查到是ＴＯＦＤ长度盲区形成的根本原因。

ＴＯＦＤ检测使用的双探头型扫查架与常规超声检测使用的单个探头不同。

探头间距固定，不能够做转角、环绕扫查。

在焊缝长度方向上，尽管部分扩散波束能够到达ＴＯＦＤ探头中心连线两侧附近区域，但是一方面获得的信号不完整，另一方面信号不被仪器接收采集。

所以在ＴＯＦＤ探头中心连线未扫查到的区域就是ＴＯＦＤ长度盲区，如图５所示。

ＴＯＦＤ长度盲区的形成较好理解。

本文不作过多的论述。

５试验论证分析及解决方案５．１试验的目标证实ＴＯＦＤ检测存在宽度盲区，测试声束在焊缝宽度方向的覆盖范围情况。

５．２试验设计思路（１）利用试块的标准反射体来模拟缺陷在试块中加工一些标准反射体，这些反射体的数量一定、形状尺寸规格一定，而且通过了计量检定。

为试验目标的有效实现奠定了基础。

（２）应用偏心非平行扫查测试声束在焊缝宽度方向的覆盖范围情况偏心扫查就是ＴＯＦＤ探头的中心连线，与缺陷的中心偏离一定距离的扫查方式。

为研究声束在焊缝宽度方向的覆盖范围情况，可以通过保持其他条件不变，水平偏移ＴＯＦＤ探头一定距离后再进行非平行扫查检测，即偏心非平行扫查来实现。

（３）应用平行扫查测试声束在焊缝宽度方向的覆盖范围情况平行扫查就是探头移动方向与焊缝走向垂直，也称为横向扫查。

保持其他条件不变，对同一缺陷的平行扫查可以充分了解焊缝宽度方向的覆盖范围连续变化情况。

５．３试验实施（１）试验检测对象文中的试验检测对象选取了深度不同、孔径相同的长横孔，如图８所示，具体尺寸见表ｌ。

５ｊ－．《｝ｌ‘５，、》２・１５，，’３．，’铷，’》４．，、图８深度不同、孔径相同的长横孔编号孔径（ｍｍ）距检测面深度（ｍｍ）ｌ勿ｌ５２∥ｌｌＯ３勿１２５４勿ｌ４５（２）试验步骤、方法、应获得的数据针对表１的试验对象，安排试验步骤、方法及应获得的数据见表２。

试验试验应获得顺序扣查方法选择试验结果的数据反射体位于探头中第一步缺陷检出情况心线的非平行扫查反射体偏心５ｍｍ的第二步缺陷检出情况非平行扫查反射体偏心１０ｍｍ的第三步缺陷检出情况非平行扫杳反射体偏心２０ｍｍ的ＴＯＦＤ检测第四步缺陷检出情况非平行扫查结果反射体偏心３０ｍｍ的第五步图像缺陷检出情况非平行扫查反射体偏心４０ｍｍ的第六步缺陷检出情况非平行扫查反射体偏心５０ｍｍ的第七步缺陷检出情况非平行扫查第八步平行扫查缺陷检出情况汇总检测第九步比对法结果分析比对结果（３）试验设备仪器及参数选择（见表３）万方数据ＣＰＶｌ’ＴＯＦＤ技术检测三维盲区的分析研究Ｖｏｌ２５．Ｎ０９２００８试件编号探头型号楔块型号仪器型号耦合荆ＰＣＳ扫查记录方式扫查方式Ｕ０８０ｌｏｏ５ＭＨｚ勿１２．７ｍｍ７０ＬＷＲＤ／ＴＥＣＩ－ＩｏｍｎｉｓｃａｎＭＸ机油１８０ｍｍ轮式编码器一收一发单面扫查５．４试验结果及分析（１）反射体位于探头中心线的非平行扫查结果见图９，１０。