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T O F D检测技术在压力容器 定期检验中的应用前景 金南辉 ， 成德芳 ， 牟彦春 ( 浙江省特种设备检验研究院 ， 浙江 杭州3 1 0 0 2 0 ) 摘要： 介绍 T O F D检测 的原理、 缺 陷性质判定和缺 陷 自身高度测定， 通过理论和实际分析 了T O F D 检测技术的优点和局限性， 阐述 了T O F D检测技术在压力容器定期检验 中的应用前景。 关键词： 压力容器； 定期检验 ； 超声波衍射 时差法( T O F D) 中图分类号 ： T G 1 1 5 2 ； T Q 0 5 0 7 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 4 8 3 7 ( 2 0 0 9 J 0 6 0 0 5 9 0 4 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 0 9 0 6 0 0 1 4 App l i c a t i o n Fo r e g r o u nd o f TOFD Te c hn i q ue i n Pr e s s u r e Ve s s e l s Pe r i o d i c a l I n s p e c t i o n J I N Na nh u i ， CHENG Def a n g， M U Ya nc h u n ( Z h e j i a n g P r o v i n c e S p e c i a l E q u i p m e n t I n s p e c t i o n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e ， H a n g z h o u 3 1 0 0 2 0 ， C h i n a) Abs t r a c t ： Th e p r i n c i p l e， t h e d i s c r i mi n a t i o n o f de f e c t s q u a l i fic a t i o n a n d me a s u r me nt o f we l d i n g d e f e c t h e i g h t o f T O F D( T i me o f F l i g h t D i f f r a c t i o n )a r e d e s c r i b e d ， e x c e l l e n c e a n d l o c a l i z a t i o n i n d i s c r i m i n a t i o n o f d e f e c t q ua l i f i c a t i o n a n d me a s u r e me n t o f we l d i n g d e f e c t h e i g h t we r e c o mp a r e d a b o u t TOFD t e c h n i q u e a n d pu l s e r e c h o u l t r a s o n i c t e s t i n g Ap p l i c a t i o n f o r e g r o u n d o f TOF D t e e h n i g ue i s e x p o u n d e d i n p r e s s u r e v e s s e l s pe r i o d i c a l i n s p e c t i o n Ke y wo r d s： p r e s s ur e v e s s e l ； p e r i o di c a l i n s p e c t i o n； t i me o f fli g h t d i f f r a c t i o n 1 前言 压力容器是具有爆炸危险的设备 ， 它承受着高 温 、 低温 、 易燃 、 易爆 、 剧毒或腐蚀介质 以及较高 的工 作压力 ， 一旦发生爆 炸或泄漏往往会 引起 火灾 、 中 毒 、 环境污染等灾难性事故， 使社会生产和国民经济 遭受严重破坏 ， 人民生命财产蒙受巨大损失 ， 并直接 影响社会生活的安定。因此提高在役压力容器缺陷 的检出率及提高缺陷定量精度 ， 对压力容器 的安全 运行具有重要的意义 。本文通过 T O F D检测技术与 常规超声技术 比对 ， 说明 T O F D技术在压力容器检 验中有广泛应用前景 。 2 T O F D检测缺陷性质判定方法和准确性 用 T O F D法进行检测时可根据 D扫描图像上显 示的缺陷位置区分出表面和内部缺陷 ， 但是要确定 缺陷种类和性质， 仍然需要掌握一定的方法。一般 要借助 T O F D检测技术 的 4型显示时的射频信号 ， 即 R F波形提供的相位信息和 T O F D图像的显示特 征 ， 来推断缺陷种类和性质。 5 9 T O F D检测技术在压力容器定期检验中的应用前景 V o 1 2 6 N o 6 2 o o 9 T O F D检测图像显示 的缺陷信号的主要特征如 下 ： ( 1 ) 点形缺陷 T O F D图像显示为单个衍射弧， 这一类缺陷是 分散的， 有一定的曲率 ， 没有 自身高度。密集型气孔 的 T O F D图像信号显示是多个点状信 号的显示 ， 有 一 定的曲率， 没有长度和高度。直通波和下表面回 波不受 影 响。气 孔 的 T O F D 图像 显示 如 图 1所 示 。 一 图 1 密集性气孔缺陷位置和 T O F D检测图像 ( D扫描) ( 2 ) 上表面开 口缺陷 T O F D图像 显示为直通波传播 时间迟到或 消 失， 仅有下尖端衍射信号 ， 衍射信号很弱 ， 信号相位 与直通波相 同。此时底面 回波以及 变形波没有变 化。表面裂纹的 T O F D图像显示如图2所示。 图 2 上表面开口裂纹缺陷位置 和T O F D检测图像( D扫描) ( 3 ) 底面开口缺陷 T O F D图像显示为底面 回波消失或传播时间迟 到， 仅有上尖端衍射信号， 衍射信号相位与直通波相 反 ， 底面反射波断开或延迟。来 自裂纹上尖端 的信 号一般很弱 ， 而来 自于 V型坡 口单 面焊焊缝 的根部 未焊透的信号则较强 ， 主要为反射信号。V型坡 口 单面焊焊缝的根部内凹和 V型坡 口单面焊焊缝 的 未焊透以及根部裂纹的 T O F D图像显示如 图 3所 示。底面开口裂纹如图4所示。 ( 4 ) 埋藏缺陷 无高度的内部缺陷 T O F D图像显示与上尖端衍 6 0 一 一 量 图 3 内凹和未焊透缺 陷位置 和 T O F D检测 图像 ( D扫描 ) 图 4 底面开 口裂纹 T O F D检测图像 ( D扫描 ) 射信号具有相 同相位的缺陷尖端。有高度的内部缺 陷 T O F D图像同时显示出缺陷上尖端衍射信号和下 尖端衍射信号 ， 在深度范围内具有一定 的 自身高度 且深度方向的显示是非线性的， 下端点衍射信号相 位与上端点的相反 ， 上端点衍射信号的相位与下表 面回波的相位是相同的。埋藏缺陷通常不会影响到 直通波和下表面回波。x型坡 口焊缝的中间未焊透 以及坡 口未熔合 、 层 间未熔合 的 T O F D图像显示如 图 5 7所示 。 ( 5 ) 横向裂纹 T O F D图像显示一般为单个衍射弧， 和点状缺 陷的图像类似 ， 但因横 向裂纹一般都是开口的， 所以 在直通波上可 以看到较宽波束 的点状影像显示 ， 横 向裂纹的 T O F D图像显示如图 8所示。对横向裂纹 的检测需增加辅助检测方法。 第 2 6卷第 6期 压 力 容 器 总第 1 9 9期 图5 x型坡 口中间未焊透缺陷和 T O F D检测图( D扫描) 图6 坡口未熔合缺陷 T O F D检测图( D扫描) 嗣 图 7 层间未熔合缺陷和 T O F D检测 图( D扫描 ) 一 一 图8 横向裂纹缺陷和 T O F D检测图像( D扫描) 由此可见， 直观的缺陷显示图和带有相位信息 的波形图为缺陷定性提供 了充分的依据。T O F D检 测技术对缺陷定性的一个重要依据就是缺陷尖端衍 射信号的相位 ， 与直通波相位相 同的信号是下尖端 产生的衍射信号 ， 与其相反的信号是上尖端产生的 衍射信号 。因此识别相位非常重要， 例如对于不 同 深度 的两个衍射信号 ， 可根据相位变化判断工件中 的缺陷是一个裂纹还是两个夹渣。用 T O F D检测技 术对缺陷定性 时， 往往还要进行 平行扫查 ， 根据 扫描 图像求出缺陷在焊缝横断面中的位置。 综上所述 ， T O F D图像上缺陷显示非常直观， 可 以根据缺 陷图像 的显示 特点和 R F射频 信号 的相 位 ， 能比较容易地判断缺陷性质 ， 对操作者依赖性大 大下降 3 T O F D检测缺陷自身高度测量方法和精度分析 为表征 T O F D法检 出的缺 陷， 应首先确定该缺 陷端部产生的衍射波信号的相位 。缺陷的下端点产 生衍射信号的波形与直通波具有相同的相位 ， 与底 面反射波具有相反的相位 ； 缺陷的上端点产生的衍 射信号波形与底面反射 波具有相同的相位 ， 与直通 波具有相反的相位。从缺陷下端点传到接收探头的 衍射信号 ， 要迟于从缺陷上端点传到接收探头的衍 射信号。该时 间延迟量 ( 时间差 ) 即为缺陷在厚度 方向上的高度。因此通过 T O F D图像的解析便可获 得有关缺陷埋藏深度位置和缺陷 自身高度的准确信 息。T O F D检测技术几何原理如图9所示。 始 探头 图 9 T O F D检测技术几何原理 当缺陷位于两探头 中间位置时缺陷端点 D的 埋藏深度 d可由下式求出 ： 。 _ 。 。 。 。 - -。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 一 d = ( 等 ) ( 一 2 t。 ) 一 S V 一 式中 缺陷端点 D至试件表面距离 ( 埋藏深 度 ) c 纵波声速 t o 探头楔块 中的传播时问 求出缺陷上下两端点的深度位置 d 和 d ， 便很 容易地测出缺陷 自身高度 h=d ： 一d 。由于计算缺 - 6l T O F D检测技术在压力容器定期检验中的应用前景 V o 12 6 N o 6 2 0 0 9 陷 自身高度时只需要测量信号的到达时间， 所 以缺 陷的定位和定量将会很准确的。 探头延迟时间测量时产生 的误差 ， 将会给深度 测定带来较大的误差， 因此应尽可能利用直通波与 衍射波之间的传播时间差 用下面的公式求深度 d 。在实际的 T O F D检测中可通过直通波或底面反 射波的校准 ， 使超声信号在探头楔块内的传播时间 从深度计算中减去， 进而求得缺陷的埋藏深度和 自 身高度。 d= 式中 缺陷上端点衍射波与直通波间的传播 时间差 大多数情况下， 在以发现缺陷为 目的初始扫查 阶段需要大范围探测， 通常采用非平行 扫查 ( 或称 纵向扫查) ， 如图 1 0所示 ， 即非平行扫查方 向与超 声波束方向垂直 ， 沿着焊缝纵 向扫查。扫查结果形 成的 T O F D图像称为 D扫描图像( Ds c a n ) 。非平 行扫查可用于缺陷的快速探测和缺陷长度测定 ， 可 大致测定缺陷高度， 但无法确定缺陷距焊缝 中心的 偏移量。 参考线 l 探头移动方向 一 It, 图 1 0 非平行扫查及 D扫描 图像 对于焊缝 中线 的位置等准确信息 ， 有必要对非 平行扫查发现的缺陷进行平行扫查( 即扫查方 向垂 直于焊缝) ， 这对于缺陷类型识别及缺陷定性都是 必要的， 这种扫查在深度测量及 自身高度测量上能 够提供很高 的精度。平行扫查 ( 或称横 向扫查) 结 果所形成的 T O F D图像称为 扫描图像( Bs c a n ) ， 如图 1 1 所示 。 T O F D检测的是缺 陷尖端 的衍射信号 ， 而衍射 信号与角度无关， 任何方向的缺陷都能有效地发现， 检测可靠性和精度不受角度影响。根据衍射信号传 播时间差确定衍射点位置 ， 缺陷定量定位不依靠信 号振幅。由理论 和试验数据可知， T O F D检测技术 对线性缺陷或面积型缺陷定量误差小于 1 m m。对 62 参考线 图 1 1 平行扫查及 B扫描图像 裂纹和未熔合缺陷高度测量误差通常只有零点几毫 米 ， 裂纹高度尺寸测量试验如图 1 2所示 ， 测量数据 是由 M G S i l k于 1 9 7 9年公布的， 试验充分证明应 用衍射 时差 法测 量 裂纹 高 度 的准 确性 ， 均 方根 ( R MS ) 误差为 0 3 m m_ 2 J 。因此 T O F D检测技术更 适用于在用压力容器定期检验中的缺陷检测和缺陷 尺寸测定。 1 0 0 图 l 2 裂纹测高试验数据 4 T O F D检测优点和局限性 4 1 T O F D检 测技 术的优 点 ( 1 ) T O F D检测技术检测可靠性好， 具有很高的 缺陷检出率 ， 比常规脉冲回波超声检测的可靠性要 高得多 ； ( 2 ) 该检测技 术采用衍射时差技 术对缺陷定 量 ， 精度远远高于常规脉冲回波超声检测； ( 3 ) 该检测技术检测简便快捷， 不需做锯齿扫 查， 检测效率高， 操作成本低； ( 4 ) 该检测技术除 了用于检测外 ， 还可用于缺 陷扩展的监控 ， 是有效且能精确测量裂纹增长的方 法之一。 4 2 T O F D检 测技 术 的局 限性 ( 1 ) T O F D检测技术对近表面缺陷 的检测可靠 性不够， 上 、 下表面存在检测盲区； ( 下转第6 4页) 传播时问 一 深度一 l1 il ： lll ； 鲁 0llll1l 茕 _ 。 暑 0 四川惊雷科技股份有限公 司 封二 无锡市恒通石油机械有限公司 彩色插 2 1 江苏中圣高科技产业有限公司 封三 辽宁新华阳伟业装备制造有限公司 彩色插2 2 无锡化工装备有限公司 封底 山东恒通膨胀节制造有限公司 彩色插 2 3 扬中市神通焊接设备有限公司 彩色插 1 郑州市科慧高科技发展有限公司 彩色插 2 4 河南神州重型封头有限公司 彩色插 2 无锡市伟通焊接机械设备厂 彩色插 2 5 吴江市东南焊割设备有限公司 彩色插 3 南京润邦金属复合材料有限公司 彩色插 2 6 无锡市福肯焊割设备有限公司 彩色插4 2 0 0 9第五届中国( 北京) 国际钛工业展览会 彩色插 2 7 重庆三磨海达磨床有限公司 彩色插 5 第三届中国 上海国际压力容器压力管道 济宁鲁科检测器材有限公司 彩色插6 技术与设备展览会 彩色插2 8 宜兴北海封头有限公司 彩色插 7 2 o o 9 ( 第四届) 北京国际钛锆铪技术应用 湖北长江石化设备有限公司 彩色插8 与装备展览会 彩色插2 9 安徽天大石油管材股份有限公司 彩色插9 无锡市换热器厂 彩色插3 O 新乡中联石化封头锻压有限公司 彩色插 1 0 承德市帝圣金属复合材料有限公司 彩色插3 1 威海化工机械有限公司爆炸金属复合材料 彩色插 1 1 昆山华恒焊接股份有限公司 彩色插3 2 宁波乐惠食品设备制造有限公司 彩色插 1 2 舞钢市三金物资有限责任公司 单色插 1 南京三邦金属复合材料有限公司 彩色插 1 3 江苏省吴江市环宇胀管器有限公司 单色插 1 威海化工机械有限公司 彩色插 1 4 秦皇岛众合管业有限公司 单色插2 南京斯迈柯特种金属装备有限公司 彩色插 1 5 湖州机床厂有限公司 单色插 2 宜兴市九洲封头锻造有限公司 彩色插 1 6 安徽博瑞特热能设备有限公司 单色插 3 南京奥特电气有限公司 彩色插 1 7 机械工程师 杂志 单色插 4 爱德森( 厦门) 电子有限公司 彩色插 1 8 沈阳天星试验仪器有限公司 单色插 5 上海科米钢管有限公司 彩色插 1 9 哈尔滨威尔焊接有限责任公司 单色插 6 大连希望设备有限公 司 彩色插 2 0 ( 上接第6 2页) ( 2 ) 对缺陷的定性 比较困难 ， T O F D检测技术能 区分上表面开口、 下表面开 口及埋藏缺陷， 但不能准 确判断缺陷性质； ( 3 ) T O F D图像识别和判读比较难 ， 数据分析需 要丰富的经验 ； ( 4 ) 横向缺陷检测比较困难。 5 结论 ( 1 ) T O F D检测技术 比常规脉冲回波超声检测 具有更高的缺陷检 出率和更高的定量精度， 希望该 技术在压力容器定期检验中推广应用 ； ( 2 ) T O F D检测技术采用全波射频 R F信号记录 和 T O F D图像显示 ， 故对缺陷的评价时可利用的信 息量大， 检测结果更加直观， 结果分析更加科学； ( 3 ) T O F D检测对缺陷定性取决于检测人员的 数据分析经验 、 所掌握的焊接知识和对生产情况、 设 备运行状况的了解以及相关常识和尽可能多的背景 知识等 ， 来推测该缺陷的性质 ； ( 4 ) 对 T O F D检测的表面盲 区应采取其他有效 的检测方法 ， 如可采用脉冲回波法超声检测、 爬波法 或表面检测方法进行辅助检测 ； 6 4 ( 5 ) T O F D检测技术在国外 已应用 3