TOFD檢測(cè)技術(shù)中掃查方式與檢測(cè)盲區(qū)的關(guān)系

王 迪

(洛陽(yáng)欣隆工程檢測(cè)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471012)

0 前言

TOFD技術(shù)作為一種較為先進(jìn)的無損檢測(cè)技術(shù)，可對(duì)工件中的缺陷進(jìn)行很好的定位和定量分析，相比傳統(tǒng)檢測(cè)方法，其具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和便捷性。但由于各種原因，缺陷回波的信號(hào)被直通回波或底面回波的信號(hào)所覆蓋，造成所謂的檢測(cè)盲區(qū)[1]。因?yàn)闄z測(cè)盲區(qū)的存在，使TOFD的發(fā)展應(yīng)用受到一定的限制，并且影響了TOFD的實(shí)用性。

石油化工設(shè)備在高溫高壓或者腐蝕條件下工作，無損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。超聲檢測(cè)具有無害性、檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且可以對(duì)工件中的缺陷進(jìn)行定位和定量。在超聲的基礎(chǔ)上，衍生出了TOFD檢測(cè)方法，也隨之出現(xiàn)了一系列問題，例如檢測(cè)盲區(qū)。

TOFD檢測(cè)時(shí)，在工件內(nèi)部距離探頭不同距離的地方，由于波束的路程相近，近表面的缺陷回波可能會(huì)被直通波或者底面回波所覆蓋，造成近表面的檢測(cè)盲區(qū)。而焊接所造成的缺陷如氣孔、夾渣，在焊縫凝固過程中上浮到上表面的位置，因此該部位的缺陷不易被檢測(cè)出來。

檢測(cè)盲區(qū)可以分為直通波盲區(qū)、底面回波盲區(qū)及軸偏離底面盲區(qū)[2]。前兩種的形成原因與后者不同。在對(duì)各種盲區(qū)深度大小的計(jì)算過程中，可以發(fā)現(xiàn)基本都與探頭的間距(PCS)相關(guān)，而PCS取決于工件的厚度，因此，工件的厚度影響盲區(qū)的大小。隨著工件的厚度變化，盲區(qū)的大小以及盲區(qū)所占工件的比例也在變化，對(duì)于較薄的工件，雖然盲區(qū)較小，但是其占工件的比例很大；相反，厚的工件，盲區(qū)厚度很大，占工件的比例反而減小。因此，無論是厚或是薄的工件，都不能忽視檢測(cè)盲區(qū)的存在。

當(dāng)缺陷存在于檢測(cè)盲區(qū)時(shí)，缺陷無法被檢測(cè)出來，被檢測(cè)工件設(shè)備在不準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果下使用，就會(huì)釀成事故，所以應(yīng)盡量避免，由此看來，TOFD檢測(cè)盲區(qū)的研究和處理方法至關(guān)重要。只有避免了檢測(cè)盲區(qū)，才能正確地對(duì)缺陷進(jìn)行定位定量的分析，以避免事故。

對(duì)于TOFD，其掃查方式?jīng)Q定了波束的傳播路徑，因此掃查方式對(duì)檢測(cè)盲區(qū)的存在可能有某種關(guān)系，本課題的研究目的在于找出掃查方式和檢測(cè)盲區(qū)的關(guān)系。

1 TOFD超聲檢測(cè)技術(shù)的國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

相比于其他國(guó)家，我國(guó)對(duì)于TOFD的研究開始的較晚，在20世紀(jì)末才引入中國(guó)，經(jīng)過一些研究所和公司的研究發(fā)展，TOFD得到了一定的實(shí)際應(yīng)用。2004年，TOFD在西氣東輸工程中大規(guī)模應(yīng)用，而且取得了一定的成績(jī)，由此得到了國(guó)內(nèi)的關(guān)注，TOFD在國(guó)內(nèi)也由此開始了快速發(fā)展。經(jīng)過了幾年的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)較為廣泛的應(yīng)用TOFD技術(shù)，并且可以對(duì)檢測(cè)工人進(jìn)行培訓(xùn)、考核以及授發(fā)資格證書。

2015年我國(guó)發(fā)布最新的NB/T47013.10標(biāo)準(zhǔn)來代替JB/T4730.10，統(tǒng)一了TOFD檢測(cè)的規(guī)范，對(duì)TOFD方法進(jìn)行了具體要求。目前，我國(guó)TOFD技術(shù)雖然廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，但是相比于發(fā)達(dá)國(guó)家，仍有不小的差距，主要表現(xiàn)在成像顯示錯(cuò)點(diǎn)、斷點(diǎn)避免等方面，因此還需要更為深入的研究。

2 TOFD檢測(cè)目前存在的問題

目前，TOFD存在的主要問題是檢測(cè)盲區(qū)，檢測(cè)盲區(qū)會(huì)影響缺陷的檢出率，而檢測(cè)盲區(qū)的存在是由于直通波和底面回波的影響。超聲波進(jìn)入工件中可覆蓋大部分空間，但是在不同地方的波束信號(hào)強(qiáng)度和頻率不同。在遠(yuǎn)離主聲束的近表面缺陷和底面缺陷，聲束的頻率較低，A掃描圖像的脈寬較大，會(huì)與直通波信號(hào)和底面回波信號(hào)連在一起，從而被直通波和底面回波的信號(hào)掩蓋。在A掃描圖上表示為兩個(gè)波形，即只有直通波和底面回波，缺陷的上下端衍射波便隱藏在直通波和底面回波中。

檢測(cè)盲區(qū)的存在對(duì)于缺陷的檢出是很大的障礙，為了提高檢出率，盡量避免檢測(cè)盲區(qū)，可通過不同掃查方式的結(jié)合，使用不同頻率的探頭對(duì)等方法來控制；但是如何徹底避免檢測(cè)盲區(qū)，仍待于有效的方法來解決。另一方面，現(xiàn)在的檢測(cè)仍需要人為進(jìn)行操作，但是在以后可與現(xiàn)代的信息技術(shù)相結(jié)合，減少檢測(cè)過程中的人為操作，使TOFD技術(shù)趨于智能化、自動(dòng)化，也是TOFD以后的發(fā)展方向。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

在掃查方式對(duì)軸偏離底面盲區(qū)的影響實(shí)驗(yàn)中，可以大致了解直通波盲區(qū)及軸偏離底面盲區(qū)的原因和受影響因素。對(duì)于不同的掃查方式，可以通過改變其探頭間距等參數(shù)來影響盲區(qū)的大小或是位置。相比于直通波，軸偏離底面盲區(qū)對(duì)掃查方式的改變更為敏感，因此，實(shí)驗(yàn)主要研究掃查方式對(duì)軸偏離底面盲區(qū)的影響。

對(duì)軸偏離盲區(qū)有影響的為非平行掃查和偏置非平行掃查，因?yàn)檩S偏移量Δx，使得軸偏離底面盲區(qū)的位置得以改變。本實(shí)驗(yàn)是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試塊的TOFD檢測(cè)，通過改變掃查方式及軸偏移量，發(fā)現(xiàn)掃查方式對(duì)軸偏離底面盲區(qū)的關(guān)系。

3.2 實(shí)驗(yàn)原理

在對(duì)軸偏離底面盲區(qū)的形成原因分析中，得知以兩探頭為焦點(diǎn)的橢圓線上，任一點(diǎn)到兩探頭之間的距離相等，這也使得工件在橢圓線及線下的地方由于底面回波的覆蓋，形成盲區(qū)。如果人為對(duì)探頭進(jìn)行偏移，改變橢圓的位置，使原本在橢圓線或者是線下的缺陷也改變位置，從而到達(dá)橢圓線之上，得到反饋信號(hào)，這樣一來，缺陷就可以被檢出。

在標(biāo)準(zhǔn)試塊底部上開一個(gè)缺陷，在上表面放置探頭對(duì)，先將探頭對(duì)對(duì)稱于缺陷放置，掃查一次，得到結(jié)果；向一方向偏移一定量，掃查一次，最后向相反的方向偏移相等的量，再掃查一次，得到結(jié)果以后進(jìn)行對(duì)比。在實(shí)驗(yàn)過程中，由于最初的掃查缺陷正好位于探頭中心線上，所以不需要向不同的方向偏移兩次。但是需要注意的一點(diǎn)是，在實(shí)際的檢測(cè)過程中，當(dāng)缺陷的位置未知或者不在探頭的中心線上，要向不同的方向偏移兩次，因?yàn)樵诰€下的缺陷偏移的過程中，可能會(huì)由于方向相反而使缺陷向盲區(qū)更深的地方偏移，因此，向不同的方向偏移是為了防止因?yàn)榉较虻腻e(cuò)誤造成檢測(cè)不準(zhǔn)確。

3.3 實(shí)驗(yàn)儀器

OmniScan MX2 TOFD儀器、標(biāo)準(zhǔn)試塊800 mm×300 mm×40 mm(底面開有2 mm缺陷)、直尺、記號(hào)筆等。

3.4 實(shí)驗(yàn)方法步驟

①實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：準(zhǔn)備好需要的設(shè)備，在標(biāo)準(zhǔn)試塊底面開2 mm的缺陷，對(duì)試塊表面進(jìn)行清理，對(duì)鐵銹、油污等會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果的東西清理掉，保證試塊表面無異物干擾檢測(cè)。

②放置探頭對(duì)：看準(zhǔn)缺陷的位置，用記號(hào)筆在試塊側(cè)面作好標(biāo)記，為了更好地表達(dá)掃查結(jié)果，在作好標(biāo)記位置向約50 mm處放置探頭對(duì)，注意此時(shí)要將探頭對(duì)對(duì)稱于缺陷位置放置。探頭對(duì)的參數(shù)如下：探頭頻率5 MHz，楔塊角度70，探頭延遲4.74 μs，PCS55 mm，靈敏度設(shè)置直通波40%～60%。③進(jìn)行掃查：配置好成像儀器后，緩慢勻速地移動(dòng)探頭至有缺陷的一側(cè)，直至探頭全部越過缺陷的位置，得到A掃描圖像及灰度圖。④偏移掃查：在最初固定探頭對(duì)的位置，向工件一側(cè)偏移5 mm放置探頭，重復(fù)掃查過程，得到另一個(gè)A掃描圖及灰度圖。

3.5 數(shù)據(jù)分析

在上述試驗(yàn)之后，得到兩次掃查的A掃描圖像及灰度圖，如圖1所示。

圖1 兩次掃查的A掃描圖像及灰度圖

從圖1可以明顯看出，第一次掃查中，在底面回波附近未發(fā)現(xiàn)任何缺陷波，但是對(duì)同一個(gè)位置的掃查，在偏移一定量之后的第二次掃查，可以看出在底面回波附近出現(xiàn)了缺陷波。

兩次掃查中，探頭的參數(shù)及試塊表面狀態(tài)都相同，但是掃查結(jié)果不同，由于掃查方式的原因，偏置非平行掃查可以改變軸偏離底面盲區(qū)的位置，這才會(huì)造成非平行掃查與偏置非平行掃查的結(jié)果不同。

4 結(jié)論

①直通波盲區(qū)。相比于非平行掃查，偏置非平行掃查可使缺陷離開直通波盲區(qū)，能否離開的臨界條件取決于偏移量和下式：

式中：S為PCS的一半，D為缺陷深度，Δx為軸偏移量，c是聲波在材料中的速度，TP是直通波的脈沖時(shí)間寬度。

而平行掃查的直通波盲區(qū)深度就是理論計(jì)算得到的深度值。在對(duì)近表面的掃查中，為了防止直通波盲區(qū)的影響，建議利用偏置非平行掃查為主要方式，同時(shí)輔以平行掃查來進(jìn)行結(jié)果的精確。

②軸偏離底面盲區(qū)。偏置非平行掃查可以使得在軸偏離底面盲區(qū)的缺陷不被漏檢，而非平行掃查不能檢測(cè)出位于軸偏離盲區(qū)正中心的缺陷，平行掃查則沒有軸偏離底面盲區(qū)。對(duì)于底面附近有缺陷的檢測(cè)，可利用偏置非平行掃查或者是平行掃查來對(duì)軸偏離底面盲區(qū)的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。