TOFD检测实验分析汇总

第一节TOFD检测实验分析

1 前言

随着科技的发展，各行业设备运行参数的提高，对设备本身的质量要求越来越严格。机械设备在焊接加工过程中，焊缝中难免会存在一些或大或小的标准允许范围内的缺陷，在设备长期运行过程中，这些缺陷都有扩展的可能。为保证设备的安全运行，需要监控这些缺陷的状态，判定这些缺陷是否已扩展。在检测中如何获得这些缺陷在各方向的精确尺寸特别是高度方向上的尺寸就成了迫切需要解决的问题。近年来，国内同行对焊缝缺陷的精确测量，特别是在役设备裂纹高度的测量投入了大量的精力，取得了一定的效果。TOFD检测技术以其在缺陷检出率及精确定量方面具有的明显技术优势，在众多检测技术中脱颖而出，得到业界的接受和认可。本节通过几个实验来介绍TOFD在缺陷精确测高方面的技术优势。

2 实验比较

TOFD数据采集使用加拿大RDTech公司的OmniScanMX超声探伤仪、5MHz Φ3mm纵波探头（1对）、45°楔块。

采用平行扫查，探头中心距按PCS=2×(2T/3)×tanβ选择。

实验选用2块0.2mm宽线切割槽试块（试块A、B）和一裂纹试块（试块C）。

2.1线切割槽试块A实测实验

采用下图所示试块A（长160mm、宽50mm、厚40mm）

试验中使用常规超声波将端角反射波调至80％后，重复扫查，逐步增益30dB，直到噪声信号达20％，仍未发现可识别的独立的衍射波信号；并且在TOFD检测数据中，可以看到仅从A扫描波形中也很难区分衍射波。由此可以看出：开口很小，内部紧闭的裂纹，衍射波信号并不如想像中明显，仅从A扫描波形中基本不能区分衍射波与噪声。这主要是由于裂纹两个面接触很紧密，大部分的声波穿过了裂纹，导致衍射能量明显降低。不过在TOFD中结合B扫描时还是较好识别。

在实际检测中通常遇到由夹渣或其它体积型缺陷扩展的裂纹或局部开口较大的裂纹，对于这些裂纹通常在测高时会发生实测缺陷高度偏小的情况。这就与试块C的情况非常类似，见图11，在a 点位置由于裂纹结合紧密，大多数声波透过裂纹，仅有部分能量转化为衍射波，b点位置由于开口较大，声波无法穿过，衍射能量较强，波幅也较强。在实际检测中若数据采集不合格或灵敏度偏低会导致a点衍射信号不可见，仅把b点当作上端点从而导致测高偏小、缺陷定性出现偏差。

因此在检测中我们需要对每一个有怀疑的信号进行重点分析，必要时应改变检测参数针对可疑部位重新采集数据。

3 结论

通过这些实验，可以看出：

1）当底面线切割槽自身高度为5mm左右及以上时，衍射波比较明显，能与噪声信号区分开来；

2mm左右时A扫描单独显示情况下很难从噪声信号中辨别出衍射波。但在B扫描上可以比较容易的识别缺陷衍射信号。

2）在实验试块上，使用TOFD法测得的切槽端点与尺寸精度偏差可达到±0.3mm，精度高，且重复性较好，更加直观。

3）线切割槽端点比裂纹端点衍射波信号强。裂纹端点衍射信号能量低，仅依靠A扫描信号较难区分衍射波信号与噪声信号。

在实际工作中，由于缺陷可能存在的形式千变万化，衍射波信号或强或弱，特别是危害性缺陷裂纹等衍射信号有时很弱，不易分辨。为了准确有效的测量缺陷高度应尽量选用TOFD法；为了设备的安全运行，对重要部件缺陷的监控与评估要使用TOFD技术来测量、记录、对比、分析缺陷。

第二节常见对接焊缝TOFD检测的基本程序

在电站设备中，广泛采用了焊接结构，常见的坡口结构通常有X型、U型以及V型坡口等。在这些焊接结构中，通常存在不等厚对接和扫查面受限的情况，给检测工作带来不少需要解决的问题。本节以某厂3#高压加热器焊缝为例来讨论容器焊缝的TOFD检测方法。

从外形上看，高压加热器主要由球形封头、椭圆封头、管板、筒身等组成见图1，其焊缝坡口主要有下列几种形式，见图2。高压加热器水侧与汽侧温度、压力均不相同，因此各部位的壁厚也不一样。一般汽侧椭圆封头、筒体壁厚基本一致，厚度不大；水侧球形封头壁厚较大，多在100mm 左右，球形封头与管板焊接时，由于焊缝两侧壁厚不同，且壁厚均较大，又受封头形状影响只能单侧探伤，因此对该部件在进行常规超声检测时存在一定的局限性，声束很难做到对焊缝的全覆盖。

该高加基本情况：材质SA516Gr70；规格(mm) Di1400×20（汽侧筒体）/20(椭圆封头)/100(球形封头)；实测结果：汽侧筒体与椭圆封头厚度为20mm，管板与球形封头对接焊缝两侧实际厚度为87、105mm，其坡口形式见图2。管板与球形封头对接焊缝盖面宽度实测为70mm，封头侧焊缝边缘采用斜面过渡。

1 检测工艺设计

1.1检测分区情况

对于小于75mm厚的铁素体钢，可以只使用1对探头，为了达到好的分辨率和足够的覆盖率，选择探头时需选用合适的探头频率、晶片尺寸及楔块角度。对于该高压加热器板厚20mm处的焊缝选用1对探头即可。

对于管板与球封头的焊缝由于壁厚大于75mm，应进行分区检测，每一个区域覆盖不同的深度，对厚度在75～300mm的焊缝，为了达到良好的分辨率和足够的覆盖率，应根据不同分区选择合适的探头中心频率、晶片尺寸及楔块角度。对于该高压加热器管板与球形封头焊缝检测中分成两个区：0～40mm、40～87mm。

1.2探头的选择

参照ASTM E2373-04标准，针对该高加的实际情况，对壁厚为20mm的焊缝：非平行扫查时，为了提高分辨率、减小表面盲区，选择10MHz,晶片尺寸Φ6mm的探头；为了保证对焊缝及热影响区有足够的覆盖，选择70度楔块（见图3）。对管板与球形封头焊缝：非平行扫查时，由于壁厚较大，考虑到衰减的影响，适当降低探头的频率，选用5MHz，晶片尺寸为Φ6mm的探头；楔块角度选择60度、45度分别扫查0～40mm、40～87mm深度区域。当发现近表面缺陷时（小于10mm），可采用高频探头（如10MHz探头），小PCS值进行扫查，但减小PCS时应考虑近场区的影响，考虑入射点偏移对定位的影响。

1.3 探头间距PCS选择

当探头的声束轴线交点在重点扫查部位且内夹角为120度时，衍射的效率最高，在设定PCS值时可以参考这一点，以达到较好的扫查效果，增加缺陷的检出率。通常非平行扫查时，在不考虑扫查面影响时，设置PCS使声束中心线交于该区壁厚2/3处，即PCS=2×(2T/3)×tanβ。对于20mm板厚的焊缝，PCS=2×(2×20/3)×tan70°=73mm；对于管板与球形封头焊缝，选择60度、45度分别扫查0～40mm、40～87mm深度区域，通过计算PCS分别为92mm、142mm。由于封头侧存在一个紧挨焊缝的斜面，在实际扫查中要考虑计算得来的PCS能否正好让探头在斜面上行走或正好跨过斜面。通过现场实践，选择60度楔块时PCS选择100mm，选择45度楔块时PCS选择142mm。

1.3显示范围的设置