试验研究
TOFD检测中采用二次波评定近扫查面
缺陷尺寸的方法
孙忠波,齐向前,张 平
(天津诚信达金属检测技术有限公司,天津 300384)
摘 要:在TOFD检测过程中,因直通波宽度而产生的近扫查面盲区对检测影响很大。为精确定量位于近扫查面盲区的缺陷,制作了人工缺陷试块,对其采用常规TOFD以及TOFD二次波分别进行扫查。对比两种扫查方式所得TOFD图像可见,常规TOFD技术对近扫查面缺陷极易漏检且无法定量,而利用TOFD二次波扫查方式得到的图像能够显著分辨出缺陷并能精确定量,因此可弥补常规TOFD检测中对近扫查面缺陷检出能力的不足。
关键词:超声波衍射时差技术;近扫查面盲区;直通波;二次波扫查
-6656(2009)09-0694-03 中图分类号:TG115.28 文献标志码:A 文章编号:1000
AnEvaluationMethodforNearInspectionSurfaceDefectTestedbytheTOFDSecondaryWave
SUNZhong-Bo,QIXiang-Qian,ZHANGPing
(TianjinChengXindaMetalTestingTechnologyCoLTD,Tianjin300384,China)
Abstract:ThedeadzoneofinspectionsurfacecouldnotbeavoidedwhenusingTOFDtechniqueduetothewidthoflateralwave.Inordertosolvetheproblem,theblockwithgivendepthofartificialdefect,whichwererespectivelyinspectedbytraditionalandsecondarywaveTOFDtechnique.Theresult,comparedwiththedifferentimages,wasthatthedefectneartheinspectionsurfacewashardtobequantifiedaswellasdetectedbytheformeroftwoTOFDmethods.However,thedefectcouldbeobviouslyrecognizedandaccuratelymeasuredbythelattermethod.SothetraditionalTOFDinspectionaccompaniedwithsecondarywaveTOFDwasthebetterwaytoavoidthedeadzoneneartheinspectionsurface.
Keywords:Timeofflightdiffractiontesting;Nearinspectionsurfacedeadzone;Lateralwave;Secondarywave
超声衍射时差技术(TOFD)相对常规超声波检测的可靠性和精度更高。目前该TOFD技术作为
一种标准的检测技术,在国内的锅炉和压力容器行业得到广泛应用,同时也得到了ASME2235,ASTME2373-04,CENENV583-6和BS7706等标准的认可。现今世界上有很多无损检测设备制造商开发了很多数字式无损检测系统,可以满足上述标准,进行TOFD检测。
TOFD检测方法的优点是对焊缝中部缺陷检出率高、容易检出方向性不好的缺陷以及可以识别向表面延伸的缺陷[1]。但TOFD检测技术也存在
收稿日期:2008-10-31
作者简介:孙忠波(1981-),男,硕士,多年从事金属性能分析及无损检测工作。 6942009年第31卷第9期一定的局限性,由于直通波和底波均具有一定的时间宽度,在该时间宽度的深度范围内,缺陷信号会被
湮没在直通波或底波中,这就是TOFD的近表面及底面盲区。在盲区范围内,存在对缺陷的方向性不敏感以及对缺陷的定性困难等缺点。笔者重点研究了利用二次波技术检测扫查面盲区内缺陷的可行性。
1 扫查面盲区和底面盲区的产生原因
1.1 被检试块
将一段壁厚37mm,外径为400mm的P91钢管,用手动砂轮机在管壁外表面垂直打磨,形成宽约5mm,环向长度约50mm,深度不一,最深为5mm的人工缺陷(图1)。
孙忠波等:TOFD检测中采用二次波评定近扫查面缺陷尺寸的方法
改变探头间距为30mm时,扫查结果如图3。可见,减小探头间距后对应缺陷处直通波滞后,但对缺陷的定量及定性都有一定的困难。
图1 P91管人工缺陷照片
1.2 扫查面盲区探讨
由于直通波具有一定宽度,近扫查面内部缺陷的信号可能隐藏在直通波信号下,因此相当于直通波信号的深度是近扫查面盲区。如果声速为c,探头中心间距(PCS)为2s,直通波传输的时间是tL=2s/c,直通波脉冲时间宽度tpL可从振幅的10%处截取得到。经推导,扫查面盲区的深度dL可按下式计算
[2]
(a)D扫描图像(b)左图竖线处A扫描图像
图3 60b,5MHz探头对,s=30mm,由管外壁扫查所得TOFD成像
1.3 底面盲区探讨
TOFD检测底面盲区分为两类,一类是针对焊缝中心的底面缺陷,如烧穿或者表面裂纹等,该类盲区与扫查面盲区相同,是由底波的宽度所致,其深度相当于底波信号所覆盖的范围。经推导可知,底面盲区深度为:
c22
dB=(tD+tpB)-s-D(2)
2
式中dB为底面盲区深度;c为试块中的纵波声速;tpB为底波宽度;2s为探头间距;tD为底面反射纵波到达接收探头的时间;D为底面回波的深度。
例如,使用5MHz探头,纵波在检测工件中的声速c=6078m/s,探头中心间距为85mm,工件厚度为37mm,则tD=2(s/2)+D/c=18.6Ls。如果底波宽度为四倍周期即0.8Ls,则由上式可计算出底面盲区为3.6mm。
另一类底面盲区是针对偏离焊缝中心位置的缺陷,如X型焊缝下坡口处或热影响区的缺陷。该区域为焊缝中心两侧,在与底面回波等时间的一条椭圆曲线以下的区域(图4)。
222
1/2
:
1/2
c#tpL2
dL=+c#s#tpL(1)
2
例如,使用5MHz探头,纵波在检测工件中的声速
c=6059m/s,探头中心间距设为85mm,工件厚度为37mm,如果直通波宽度为两倍周期即0.4Ls,则由上式可计算出扫查面盲区为10.2mm。
使用以色列ISONIC2007TOFD设备,依照CEN/TS14751标准[2],选用60b、5MHz、晶片尺寸为<6mm的探头,对人工缺陷试块进行检测。将理论声束焦点置于2/3壁厚处,探头间距为85mm(探头间距的选择及调整方法参照文献[4])。检测结果经软件/去除直通波0处理后见图2。可隐约分辨出湮汲在直通波中的表面开口缺陷,但很难对缺陷深度进行测量。若被检工件表面粗糙度差,在不知缺陷位置时,极易漏检。
(a)D扫描图像(b)左图竖线处A扫描图像
图4 底面盲区示意图
图2 60b,5MHz探头对,s=85mm,由管外壁扫查所得TOFD成像
对1.1节所述人工缺陷试块进行检验,使用5MHz探头对,探头间距为85mm,从管壁内侧扫
查(即将该开口缺陷视为底面内凹)。将缺陷置于探头连线的中间,此时只需考虑第一类底面盲区,其扫查结果如图5。图中可以明显看到底面的凹槽特
2009年第31卷第9期
从式(1)可见,影响扫查面盲区深度的主要参数为探头间距以及直通波或底波的宽度,为此可采用减小探头间距或增大探头频率的方法以减小盲区。
695孙忠波等:TOFD检测中采用二次波评定近扫查面缺陷尺寸的方法
波,而非变型横波。计算出二次波的时间有助于在试验调节过程中找到二次波的位置,扫查结果如图7所示,缺陷在直通波和底波之间基本没有出来,但在二次波之前可清晰看出有很多深度不同的缺陷分布在长约50mm的范围内。
(a)D扫描图像(b)左图竖线处的A扫描图像
图5 60b,5MHz探头对,s=85mm,由管内壁扫查所得TOFD成像
征,用分析软件也可对其进行精确定量。
2 二次波扫查理论与实践
超声波由振动方式不同可以分为纵波和横波,
TOFD检测主要利用纵波,但在超声波遇到障碍物时不仅发生同类波形的反射及衍射,同时会发生波型转换,因此一般在正常的检测过程中,无缺陷时,在直通波和底波之后还存在变型波。在底波之后的波中包括底面反射的变型横波和经二次底面反射的纵波和二次反射横波等,笔者所用二次波是指经二次底面反射的纵波。
由前述推导及实例可见,扫查面盲区不容忽视,但通过减小探头间距及增加探头频率的方式,对盲区的改善均不明显。底面盲区明显要小于扫查面盲区,因此可以通过二次波法扫查,调整探头间距,将经过二次底面反射后的主声束的焦点置于扫查面附近,这就将近扫查面区域转换成了探头对的虚拟近底面区域,避免了扫查面盲区(图6)。
(a)D扫描图像
(b)左图竖线处的A扫描图像
图7 45b,5MHz探头对,s=148mm,
由管外壁扫查所得TOFD成像
由于二次波位于底面回波之后,由软件测量其深度是不真实的,所以显示的缺陷深度也不真实。但由于二次波是经过两次底面反射以后到达接收探头的,其声程相当于2D厚度工件的一次底面回波
(图7),而缺陷衍射波发生在二次波之前,所以缺陷的深度可以用2D减去一次波前的缺陷显示深度。以图7二次波扫查为例,利用软件对二次波前的缺陷信号进行测量,得到缺陷的显示深度为68.8mm,由此得出缺陷的实际深度应为37@2-68.8=5.2mm,该结果与实际比较相符。
3 结论
(1)TOFD检测在近扫查面相当深的范围内存在盲区,该盲区内的缺陷信号都被湮没在直通波内,在实际检测中极易漏检。通过软件/去除直通波0处理后尚能发现缺陷,但很难对缺陷定性及定量。
(2)TOFD二次波能清晰扫查到工件近扫查面缺陷,用两倍壁厚减去二次波前缺陷信号最上端的显示深度,即可得到缺陷距扫查面的真实深度。参考文献:
[1] 伊新.TOFD检测技术基本原理及其应用探讨[J].特
种设备安全技术,2008,10(2):54-56.[2] CEN/TS14751TOFDonWeldSeams[S].
[3] CharlesworthJP.EngineeringApplicationsofUltra-sonicTime-of-FlightDiffraction[M].UK:ResearchStudiesPressLtd,2001.
[4] 李衍.超声TOFD原理和方法要领[J].无损检测,
2007,29(2):88-93.
图6 TOFD二次波扫查示意图
下面利用二次波方法检测试块上的人工缺陷。为便于计算,将经底面一次反射后的主声束的焦点置于扫查面上,选择折射角HU45b的探头,此时探头间距应为2s=4DtgH=4@37@tg45b=148mm,二
次波的声程应为4@[(s/2)2+D2]1/2=4@[372+37]
2
1/2
=209.3mm,则二次波到达接收探头的时间
为34.5Ls。试验过程中在A扫描窗口由闸门闸取图7中标有/二次波0字样的回波,时间与计算时间34.5Ls相符,因此该回波为经两次底面反射的纵
6962009年第31卷第9期
