TOFD檢測(cè)中變形波信號(hào)和非相關(guān)信號(hào)的識(shí)別

陳業(yè)漢,范 良,孫小兵,張曉斌

(廣西特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)院,南寧 530219)

TOFD技術(shù)是一種基于超聲波信號(hào)傳輸時(shí)差實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。由于其具有比常規(guī)脈沖回波超聲檢測(cè)技術(shù)更大的優(yōu)越性,近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和無(wú)損檢測(cè)市場(chǎng)的需求迅速發(fā)展。新的《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》已經(jīng)把TOFD技術(shù)列入正式條文,成為與常規(guī)UT和 RT并重的無(wú)損檢測(cè)方法之一。可以預(yù)料,在未來(lái)的幾年中,TOFD技術(shù)將會(huì)大規(guī)模應(yīng)用于特種設(shè)備的檢驗(yàn)檢測(cè)中。由于這是一門(mén)嶄新的檢測(cè)技術(shù),目前一些專業(yè)教材對(duì) TOFD技術(shù)的介紹基本上以基礎(chǔ)理論為主,具有實(shí)際指導(dǎo)意義的文獻(xiàn)還很缺乏。TOFD技術(shù)的應(yīng)用難點(diǎn)之一是圖像的識(shí)別判讀比較困難,需要有較深的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),如果檢測(cè)參數(shù)的選擇不當(dāng)和對(duì)圖譜的分析一知半解,非常容易造成誤判。筆者主要針對(duì)TOFD檢測(cè)圖像判讀中影響評(píng)定結(jié)果的一些非相關(guān)信號(hào)顯示和變形波信號(hào)顯示進(jìn)行詳細(xì)的分析解讀,以希對(duì)初學(xué)者有所幫助。

1 TOFD檢測(cè)技術(shù)超聲波形分析

由于TOFD檢測(cè)是以超聲波信號(hào)傳輸時(shí)差來(lái)確定缺陷深度的,而超聲波的傳輸時(shí)間和其傳播的距離與聲速密切相關(guān),因此聲速必須有唯一性才能正確計(jì)算缺陷深度。在鋼中,縱波聲速為5.93 mm/μs,橫波聲速為3.23 mm/μs,由于縱波的傳播速度幾乎是橫波的兩倍,通常情況下橫波信號(hào)總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于縱波信號(hào),直通縱波和底面縱波之間的時(shí)間窗口只有縱波信號(hào),聲速具有唯一性,可以正確計(jì)算深度,此窗口稱為縱波檢測(cè)窗口。由于探頭發(fā)出的縱波在鋼中會(huì)發(fā)生折射、反射和衍射,在折射、反射和衍射過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生縱波變橫波或橫波變縱波的波型轉(zhuǎn)換,在某些特殊情況下,轉(zhuǎn)換出來(lái)的變形波信號(hào)有可能比底面縱波信號(hào)先到達(dá)接收探頭。這樣,在縱波檢測(cè)窗口內(nèi)可能同時(shí)具有縱波和變形波信號(hào),聲速不再具有唯一性,這對(duì)缺陷的識(shí)別和深度計(jì)算就會(huì)造成困難。

如圖1和2所示,為簡(jiǎn)便起見(jiàn),用C代表縱波,用S代表橫波。探頭A發(fā)射的縱波進(jìn)入工件,一部分轉(zhuǎn)換為折射縱波C,另一部分轉(zhuǎn)換為折射變形橫波S。折射縱波可產(chǎn)生直通縱波CC,折射變形橫波可產(chǎn)生直通橫波SS;折射縱波在缺陷F處可產(chǎn)生反射縱波CCF和反射變形波CSF;折射變形橫波在缺陷F處可產(chǎn)生反射變形波SCF和反射變形波SSF;折射縱波在底面可產(chǎn)生底面縱波CCD和底面變形波CSD;折射變形橫波在底面可產(chǎn)生底面變形波SCD和底面橫波SSD。通常的TOFD檢測(cè),主要觀察的是縱波檢測(cè)窗口即CC和CCD之間的信號(hào),以確定是否有缺陷并測(cè)定缺陷大小。在該窗口內(nèi)變形波一般不會(huì)造成干擾。但是如果缺陷偏離兩探頭連線中點(diǎn)較遠(yuǎn)或缺陷深度較淺時(shí),如果探頭中心距P取較小值,各種波的位置就有可能發(fā)生變化,在縱波檢測(cè)窗口內(nèi)出現(xiàn)變形波信號(hào),導(dǎo)致圖像判讀困難。

2 各種超聲波信號(hào)的傳輸時(shí)間

2.1 傳輸時(shí)間的計(jì)算

各種超聲波信號(hào)中,CSD,SCD,SSF和SSD在時(shí)間軸上比較靠后,實(shí)際檢測(cè)中不會(huì)造成干擾,計(jì)算時(shí)可不必考慮。有可能影響檢測(cè)的各信號(hào)傳輸時(shí)間計(jì)算如下：

以下將討論哪些信號(hào)在什么情況下會(huì)出現(xiàn)在縱波檢測(cè)窗口內(nèi)。由于h＜T,tCCF＜tCCD,因此CCF總是出現(xiàn)在縱波檢測(cè)窗口內(nèi),這對(duì)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的是有利的。檢測(cè)過(guò)程中不希望除CCF以外的其它信號(hào)在縱波檢測(cè)窗口內(nèi)出現(xiàn),但是如果滿足tSS＜tCCD,tCSF＜tCCD或tSCF＜tCCD等條件,那就不可避免。

2.2 tSS＜tCCD

由2.1節(jié)可知：若tSS＜tCCD,則P/3.23＜2×[T2+(P/2)2]1/2/5.93,化簡(jiǎn)為：

式(1)的意義是：當(dāng)探頭中心距P＜1.3T時(shí),直通橫波信號(hào)SS出現(xiàn)在縱波檢測(cè)窗口內(nèi)。對(duì)一般規(guī)范推薦的最佳檢測(cè)設(shè)置,P取值是使波束中心聚焦在厚度的三分之二處,即P=2×(2T/3)tanβ=(4/3)Ttanβ,由于縱波折射角β取值通?！?5°,由此可計(jì)算得P≥1.33T,因此通常不會(huì)發(fā)生SS出現(xiàn)在縱波檢測(cè)窗口內(nèi)。如果是某些特殊原因,例如為提高近表面缺陷的分辨率而取較小的探頭中心距P,則有可能發(fā)生SS落在縱波檢測(cè)窗口內(nèi)的情況;另外,在厚板分區(qū)檢測(cè)中,由于相鄰分區(qū)厚度方向要有25%以上的覆蓋,即使探頭中心距P采用推薦的計(jì)算值,在檢測(cè)窗口內(nèi)仍有可能出現(xiàn)直通橫波信號(hào)SS。當(dāng)然SS是否出現(xiàn)還與探頭的入射角度和波束的擴(kuò)散角范圍有關(guān),由于橫波聲速較小,其折射角比縱波小,直通橫波信號(hào)SS要比直通縱波信號(hào)CC弱得多,甚至不能識(shí)別,分析時(shí)要注意考慮到這種情況。

2.3 tCSF或 tCSF＜tCCD

由2.1節(jié)可知：若tCSF＜tCCD,則(h2+L12)1/2/5.93+(h2+L22)1/2/3.23＜2×[T2+(P/2)2]1/2/5.93,即：

若tSCF＜tCCD,同樣可得：

由于L2=P-L1,式(2)和(3)實(shí)際上有T,h和L1三個(gè)可變參數(shù),它們之中的任何兩個(gè)參數(shù)取值確定,就可以求出另外一個(gè)參數(shù)的值。該兩式的意義是：如果缺陷的深度和探頭中心距已知,則可求出探頭水平偏置多少時(shí),變形波信號(hào)CSF或SCF會(huì)出現(xiàn)在縱波檢測(cè)窗口內(nèi);如果缺陷的水平位置和探頭中心距已知,則可求出缺陷多深時(shí),CSF或SCF會(huì)出現(xiàn)在縱波檢測(cè)窗口內(nèi)。這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的數(shù)學(xué)關(guān)系式,當(dāng)缺陷水平位置位于探頭連線中心點(diǎn)時(shí),即L1=L2=P/2,兩式均可化簡(jiǎn)為：

如果T和P取值確定,通過(guò)式(4)可以判斷缺陷深度為多少時(shí)變形波信號(hào)CSF或SCF會(huì)出現(xiàn)縱波檢測(cè)窗口內(nèi)?；蛘?若缺陷深度已知,檢測(cè)厚度越大,探頭中心距越小,縱波檢測(cè)窗口內(nèi)底越容易出現(xiàn)變形波信號(hào)。

3 實(shí)際計(jì)算

以折射角為60°的探頭檢測(cè)壁厚T=50 mm的試塊(圖3)為例,通過(guò)實(shí)際計(jì)算來(lái)說(shuō)明上述問(wèn)題。分三種情況討論：①探頭中心距取常規(guī)推薦值,缺陷位于兩探頭的中間位置進(jìn)行掃查。②探頭中心距取常規(guī)推薦值,探頭偏置掃查(即讓缺陷偏離兩探頭連線中點(diǎn)一定距離)。③探頭中心距取比常規(guī)推薦值小,缺陷位于兩探頭連線的中間位置進(jìn)行掃查。分別計(jì)算深4 mm和深12.5 mm兩個(gè)縱孔各種信號(hào)波的傳輸時(shí)間;對(duì)于深37.5 mm的縱孔,由于其深度較大,其變形波信號(hào)不會(huì)造成干擾,不必計(jì)算。

3.1 P取波束中心聚焦在厚度的處時(shí)

3.1.1 缺陷F水平位置處于探頭連線的中點(diǎn)時(shí)

對(duì)于深4 mm縱孔：

對(duì)于深12.5 mm縱孔：

由以上計(jì)算可見(jiàn),深度分別為4和12.5 mm的兩個(gè)孔的各種信號(hào)只有 CCF(分別為 19.44和19.84μs)的傳輸時(shí)間小于CCD(25.70μs)的傳輸時(shí)間,它們的變形波CSF(或SCF)的傳輸時(shí)間均大于CCD的傳輸時(shí)間,即在縱波檢測(cè)窗口內(nèi)只有縱波信號(hào),無(wú)變形波信號(hào),TOFD圖譜見(jiàn)圖4。

圖4 缺陷中置掃查T(mén)OFD圖譜(P=115 mm)

3.1.2 偏置掃查時(shí),取L1=13.5 mm,探頭中心距仍取P=115 mm

對(duì)于深4 mm縱孔：

對(duì)于深12.5 mm縱孔：

由以上計(jì)算可見(jiàn),除CCF外,深度分別為4和12.5 mm的兩個(gè)孔的變形波SCF的傳輸時(shí)間(分別為21.48和 22.94μs)也小于CCD的傳輸時(shí)間(25.70μs),其余信號(hào)的傳輸時(shí)間均大于在CCD的傳輸時(shí)間,此時(shí)在縱波檢測(cè)窗口內(nèi)不僅有縱波信號(hào),還有兩個(gè)孔的變形波信號(hào)。TOFD圖譜見(jiàn)圖5。

圖5 缺陷偏置掃查T(mén)OFD圖譜(P=115 mm)

3.2 當(dāng)探頭中心距P=58 mm時(shí)(假定缺陷水平位于探頭連線中點(diǎn))

對(duì)于深4 mm縱孔：

對(duì)于深12.5 mm縱孔：

由以上計(jì)算發(fā)現(xiàn),除CCF外,深度分別為4和12.5 mm的兩個(gè)孔的變形波CSF(或SCF)的傳輸時(shí)間(分別為14.00和15.10μs)均小于CCD的傳輸時(shí)間(19.49μs),此時(shí)在縱波檢測(cè)窗口內(nèi)除縱波信號(hào)外還出現(xiàn)兩個(gè)孔的變形波信號(hào)。此外,直通橫波SS的傳輸時(shí)間(17.96μs)也小于CCD的傳輸時(shí)間(19.49μs),即SS落在縱波檢測(cè)窗口內(nèi),但是由于聲束覆蓋范圍較小的原因,這個(gè)信號(hào)很微弱,只有在靈敏度足夠大的情況下才會(huì)看到,TOFD圖譜見(jiàn)圖6。

4 TOFD圖譜變形波檢測(cè)實(shí)例分析

以下是幾個(gè)TOFD檢測(cè)實(shí)例的圖譜,圖中所示的變形波信號(hào)時(shí)間位置可參照前面的公式計(jì)算確定,此不贅述。

圖6 缺陷中置掃查T(mén)OFD圖譜(P=58 mm)

(1)某石化公司儲(chǔ)罐(厚48 mm)定期檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的缺陷,同一位置采用不同的探頭中心距掃查的結(jié)果比較：

當(dāng)P=128 mm時(shí),變形波不出現(xiàn),如圖 7(a)所示。

當(dāng)P=58 mm時(shí),出現(xiàn)變形波,圖中看似有兩條近平行的缺陷,實(shí)質(zhì)是同一條缺陷的兩個(gè)影像,如圖7(b)所示。

(2)中海油海上平臺(tái)某儲(chǔ)罐 T字焊縫(厚46 mm)檢測(cè),掃查示意圖如圖8。由于在T字縫位置聲束掃過(guò)的焊縫截面比其他位置大很多,出現(xiàn)缺陷的幾率也就大很多,而且在縱縫處的缺陷,其變形波傳輸時(shí)間很容易滿足前面3.3提到的條件,從而在縱波檢測(cè)窗口出現(xiàn)變形波信號(hào),導(dǎo)致成像復(fù)雜,判讀困難,很容易把缺陷判嚴(yán)重。

圖8 T字焊縫掃查示意圖

圖9為探頭穿越處的縱縫下剛好有幾個(gè)小缺陷,這幾個(gè)缺陷基本在一個(gè)深度層,圖像中形成縱波和變形波兩組信號(hào),這相當(dāng)于3.1.2節(jié)中提到的缺陷偏離探頭連線中點(diǎn)較遠(yuǎn)的情況。粗看似兩組緊靠的缺陷,這兩組信號(hào)實(shí)質(zhì)是一組缺陷的兩個(gè)影像,他們的影像特征很像,結(jié)合簡(jiǎn)單的計(jì)算就可以初步判斷。

圖9 中海油海上平臺(tái)某儲(chǔ)罐T字焊縫1TOFD檢測(cè)圖像

圖10是同一儲(chǔ)罐的另一 T字焊縫,粗看缺陷信號(hào)幾乎貫穿焊縫厚度,似乎很嚴(yán)重。實(shí)際情況是探頭穿越的那段縱縫下不同深度有幾缺陷。不同深度缺陷的縱波信號(hào)和變形波信號(hào)混雜在一起,造成復(fù)雜的影像信號(hào)。遇到這種情況須慎重,除要了解清楚掃查區(qū)段的焊縫結(jié)構(gòu)特征外,還應(yīng)盡可能結(jié)合其他無(wú)損檢測(cè)方法綜合判定。

圖10 中海油海上平臺(tái)某儲(chǔ)罐T字焊縫2TOFD檢測(cè)圖像

5 非相關(guān)顯示的識(shí)別

5.1 表面狀況不良引起的非相關(guān)顯示

檢測(cè)表面狀況對(duì)TOFD成像有重要影響,如果表面凹凸不平嚴(yán)重,甚至導(dǎo)致圖像無(wú)法判讀,檢測(cè)前必須對(duì)檢測(cè)面進(jìn)行處理,其粗糙度應(yīng)≤6.3μm。下面是兩個(gè)表面狀況不良檢測(cè)的典型例子

圖11為探頭覆蓋的地方有凹坑,凹坑里充滿機(jī)油,超聲波經(jīng)過(guò)較厚的機(jī)油層(約1 mm)再進(jìn)入工件,由于機(jī)油的聲速大約只有鋼的四分之一,聲波傳播被延遲,導(dǎo)致直通波和底波下沉。

圖12為探頭被焊縫邊沿抬起,探頭被抬起的地方,直通波有的地方下沉,有的地方不一定下沉,主要是探頭發(fā)射的一部分波直接接觸工件,一部分通過(guò)較厚的油層再傳到工件,且不同位置探頭被抬起的程度不同,導(dǎo)致了直通波下面出現(xiàn)波浪狀的影像信號(hào)。

5.2 電磁干擾導(dǎo)致的非相關(guān)顯示

電磁干擾導(dǎo)致編碼器跑偏,這是由于編碼器受到干擾,掃查距離、缺陷測(cè)長(zhǎng)和水平定位都受影響,見(jiàn)圖 13。

圖13 TOFD檢測(cè)電磁干擾類型例子

6 總結(jié)

TOFD檢測(cè)采用縱波而不用橫波,主要目的是由于縱波速度大大快于橫波,使深度計(jì)算有唯一的結(jié)果,避免回波信號(hào)難以識(shí)別的困難。如果探頭中心距按聲束聚焦在工件厚度的2/3處進(jìn)行計(jì)算取值時(shí),變形波通常不會(huì)造成干擾;但是,對(duì)于深度較小并且較靠近探頭一側(cè)的缺陷,其變形波信號(hào)有可能出現(xiàn)在底波之前,造成圖像判讀困難。如果采用較小的探頭中心距進(jìn)行掃查,對(duì)于深度較小的缺陷,即使其居于探頭連線的中間位置,其變形波也可能出現(xiàn)在底波之前,也會(huì)導(dǎo)致圖像判讀困難?？偟膩?lái)說(shuō),缺陷深度越淺,缺陷偏離兩探頭連線中間越遠(yuǎn),缺陷變形波越容易對(duì)缺陷的識(shí)別和評(píng)定造成干擾。在檢測(cè)一些特殊結(jié)構(gòu)的焊縫(如 T字縫)或采取非常規(guī)參數(shù)檢測(cè)普通焊縫時(shí),縱波檢測(cè)窗口出現(xiàn)變形波的可能性很大,非常容易造成誤判。因此,對(duì) TOFD圖譜上的一些可疑信號(hào),必須結(jié)合焊縫結(jié)構(gòu)和檢測(cè)設(shè)置進(jìn)行計(jì)算分析,盡可能排除變形波的影響,避免誤讀誤判。對(duì)掃查時(shí)探頭通過(guò)的表面,應(yīng)盡可能進(jìn)行修磨平整,如果圖譜中直通波、底波出現(xiàn)下凹或直通波、底波發(fā)生其它變形,不能輕易作缺陷判斷,此時(shí)應(yīng)檢查探頭掃過(guò)的焊縫表面,觀察掃查時(shí)探頭與表面的接觸狀況,或改變探頭中心距進(jìn)行補(bǔ)充掃查,看是否有同樣的情況出現(xiàn),并且盡可能結(jié)合其它無(wú)損檢測(cè)方法綜合判斷。現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾和震動(dòng),有時(shí)會(huì)出現(xiàn)虛假信號(hào),編碼器也會(huì)受影響,在比較嘈雜的場(chǎng)所檢測(cè),應(yīng)注意排除干擾,避免定位誤差。