无损检测论文无损检测技术论文检测论文

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本文由worklv贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。内蒙古电力技术2010年第28卷第6期INNERMONGOLIAELECTRICPOWER33衍射时差法超声检测在电站设备无损检测中的应用研究ApplicationResearchofUltrasonicTOFDTestinginPowerStationNon-destructiveTesting田力男，卫志刚，张（内蒙古电力科学研究院，内蒙古涛，张艳飞呼和浩特010020）[摘要]衍射时差法超声检测（TOFD）技术是一种新型检测技术，与常规超声检测相比有较大优势。选用OmniScan-MX检测仪，对扫查装置进行改装，并设计加工特种试块；设置各类检测参数，制定出具体的TOFD检测程序对试块进行非平行扫查：检测出特种试块内不同性质、不同方位的所有缺陷，且成像直观、易于识别。将TOFD检测技术实际运用于电站设备的无损检测，取得了较好的检测结果。研究表明：TOFD检测技术能够提高缺陷的检出率、降低误判率，但也存在一些局限性。[关键词]衍射时差法超声检测；无损检测；焊缝缺陷；电站设备；OmniScan-MX检测仪[文献标志码]B[文章编号]1008－6218（2010）06－0033－051TOFD技术概述1.1发展状况情况下，接收探头首先接收直通波，最后接收底面反射波。如有缺陷存在，则在直通波和底面反射波之间还会接收到缺陷端点（或边界）的衍射波，如图1所示。上述波信号最初表现为A扫描信号，连同位置编码器传出的坐标值被主机接收，经数字图像化处理，最终形成B、D等二维图像扫描显示。检测人员主要根据这些显示进行缺陷的定性、定位及定量[2]。焊缝20世纪70年代，衍射时差法超声检测（Timeofflightdiffraction，以下简称TOFD）技术问世于英国，最初应用于核反应堆的厚壁压力容器检测[1]。20世纪末，随着计算机技术的飞速发展，TOFD技术与数字化超声设备相结合，发展成为一种超声成像检测技术。21世纪初，TOFD技术引入我国，先后在西气东输和神华煤液化工程中应用成功，目前TOFD技术被广泛应用于核工业、航空航天、电力、机械制造、石油、化工等领域。发射探头扫查方向接收探头焊缝中的声束1.2检测原理TOFD是1种新型超声检测技术，它可通过超声波的尖端衍射来检测缺陷，通过波的传播时差测 量缺陷，通过信号的图像化处理来显示缺陷[1]。进行TOFD检测时，发射探头发射声脉冲。一般[收稿日期]2010-06-10图1TOFD扫查示意图1.3优缺点与常规超声检测技术相比，TOFD技术主要具[作者简介]田力男（1968—），男，内蒙古人，硕士，高级工程师，从事无损检测及金属技术监督工作。[基金项目]内蒙古电力科学研究院2008年自筹经费科研项目。34有以下优点[3]：内蒙古电力技术2010年第28卷第6期3特种试块的设计加工针对电站锅炉、压力容器、承压管道焊缝的结构（1）测量精度高（一般为±1mm），并能测量缺陷的自身高度，但有一定的测量误差；常规超声检测无法测量缺陷自身高度。（2）可以检出有效区域内任意方向上的缺陷。（3）借助B、D扫描显示，有效提高了缺陷检出率及缺陷定性的准确性，降低了误判率。（4）一次扫查即可得到整条焊缝的信息，并可离线分析。但是，TOFD技术是由超声检测技术发展而来的分支，仍然存在超声检测固有的局限性，如不能精确检测近表面缺陷、难以检测各类粗晶材料等。特点及焊接缺陷的类型和分布规律，设计了10个特种试块（编号为TOFDD1—TOFDD10），在试块的不同位置上制作了14个缺陷，包括未熔合、裂纹、气孔、夹渣、未焊透5类缺陷。试块焊缝的结构形式包括等厚对接、不等厚对接及根部错边。委托山东某焊接培训中心采用特种方法对试块进行加工，在焊缝中形成了预规划的人工缺陷，见图4。试块加工完后均进行了射线探伤（见图5）。2TOFD检测设备及配置使用加拿大R/DTech公司（现属奥林巴斯公司）制造的OmniScan-MX检测仪，配置探头、楔块及简易扫查架（见图2）。简易扫查架用于实际检测，但所配直杆长度仅为200mm，难以实现不同情况下图4部分TOFD特种试块PCS（发射探头和接收探头入射点之间的距离）的设置，因此，另外制作了1根直径10mm、长500mm的长直杆。图5图2试块的射线探伤结果OmniScan-MX检测仪、探头、楔块及简易扫查架此外，对某检测设备公司提供的1个扫查架研发样品进行了工装改造，设计并制作了楔块架及编码器夹持装置，使之与OmniScan-MX检测仪所配置的楔块及编码器组联。经工装改造后的扫查架能够使探头与工件更好地耦合（见图3）。现场试验表明，扫查的稳定性和实用性均优于原简易扫查架。4TOFD检测程序及参数设置[4]在不同领域中，被检测对象在材质、厚度、结构形式、缺陷特性等方面各不相同，不同制造商生产的 TOFD探伤仪又有各自的特点和和操作模式。因此，运用TOFD技术对电站设备进行无损检测，就必须有针对性地通过试验对各类检测参数进行设置，并制定出具体的检测程序。编码器后置夹持4.1TOFD检测程序经过反复试验，确定了适合电站锅炉、压力容器编码器前置夹持楔块夹及承压管道对接接头的TOFD检测程序。4.1.1经工装改造后的扫查架检测面准备检测区域应为焊缝本身宽度再加焊缝两侧各相图3当于母材厚度30%的区域；检测面应平整，表面粗2010年第28卷第6期内蒙古电力技术35糙度Ra≤6.3m，一般均需要打磨。由于TOFD采用2种。在电站设备TOFD检测中应尽量使用非平行扫查，不推荐使用平行扫查，这是因为：通过非平行扫查就可以完成缺陷的探测、定量、定性等所有检测内容，但是无法判断焊缝中心线另一侧的缺陷，可以辅之以常规超声探伤确定；平行扫查尽管可以判断焊缝中心线另一侧的缺陷，但检测效率低，加之检测前需要打磨去除焊缝的加强高，现场不便实现。1收1发2个探头的工作模式，因此，对检测面的平整性和光洁度要求均高于普通超声检测，否则将难以移动探头或造成信号丢失。4.1.2探头选择主要是确定探头的中心频率、晶片直径及主声束角度。4.1.2.1中心频率4.1.4PCS选择非平行扫查PCS一般根据（1）式确定：（1）PCS＝4δtanθ，3其中δ为工件厚度，θ为主声束角度。即让2个探头的声束轴线交于工件壁厚的2/3处。当工件厚度大于60mm时，在厚度方向分成若干区域进行检测。分区检测可以使用多通道检测设备一次完成扫查，也可使用单通道检测设备，采用不同的探头进行多次扫查。增大探头频率可以提高缺陷的分辨率及深度方向测量精度，但在同一晶片直径下，频率越高，扩散角越小，直通波会明显减弱甚至消失，因此很难进行下一步的扫查和分析。此外，频率过高，衰减就大，对厚壁工件的探伤影响很大。但频率过低，精度和分辨率均达不到基本要求。本试验推荐频率为5MHz。4.1.2.2晶片直径在同一频率下，晶片直径越小，声速扩散角越大，但晶片直径太小则发射能量不足，制造加工的难度也越大。在TOFD现有的设备和探头制造水平下，本次试验推荐晶片直径为6mm。 4.1.5标识检测前，应确定扫查路径并在被检工件上予以4.1.2.3主声束角度标识，包括扫查起始点和扫查方向等。探头主声束角度通常为45°、60°、70°3种，主声束角度大，则PCS大。在大PCS条件下形成的扫描显示中，直通波和底波相对靠近，分辨率低、深度测量误差大，且直通波信号降低；主声束角度为45°时，PCS最小，但在实际探伤中，探头会受到焊缝盖面宽度的限制。因此，在工件壁厚为12~200mm时，4.1.6耦合剂选择实际检测时所采用的耦合剂应与进行系统设置时的耦合剂相同。如果耦合不良，直通波LW和底面反射波BW难以形成直线形状；耦合剂过厚施加，可能导致扫描图像中的黑白条纹加宽而增大测量误差。从试验效果来看，不易采用浆糊、洗洁精、机油等作耦合剂，最好采用专用的成品耦合剂。70°探头尽量不用（除非由于PCS间距小于检测区域宽度而无法使用60°探头）；45°探头能用则用（尤其是壁厚较大时）；60°探头最为常用。综上所述，在工件壁厚为12~200mm的TOFD检测中，本试验推荐按照表1所示的探头参数选择。表1工件厚度/4.1.7探头与楔块的组合TOFD探头与楔块一般按图6的方式进行组合，组合时需要在探头与楔块间添加耦合剂（最好是固态状的机械黄油，在变干前及时更换）。探头必须拧到位，否则超声束将不能有效进入工件。探头线插口电站设备TOFD检测的探头推荐性选择和设置对应设备扫查数/次深度/mmmm声束角度/声束交点/（°）mm四大管道、高中压导汽管、高低压加12～60热器、除氧器、扩容器10～t70～602t/3纵波探头60～100厚壁承压管道、汽包20～t/2t/2～t0～t/3t/3～2t/32t/3～t70～6060～4570～6060～4560～452t/35t/62t/95t/98t/9探头楔块间添加耦合剂楔块（有机玻璃或类似材料）波束角度 100～200汽包3图6典型的TOFD探头与楔块的组合方式注：t表示工件厚度。4.1.3扫查方式选择4.2基于OmniScan-MX检测仪的系统设置TOFD的扫查方式分为非平行扫查和平行扫查TOFD检测前，要最后完成对各种检测参数的36内蒙古电力技术2010年第28卷第6期设置（即系统设置）。本次试验只基于OmniScan-MX检测仪进行系统设置，见表2。55.1特种试块的TOFD检测检测结果使用OmniScan－MX检测仪对试块的焊缝进行了非平行扫查，部分D扫描显示见图7。使用TO-MOVIEWER软件对缺陷进行了测量，结果见表3。5.2数据分析通过TOFD检测，检出了试块内不同性质、不同方位的所有缺陷，缺陷成像直观、易于识别。在常规超声检测中难以检出的与探测面接近垂直的根部裂纹、侧壁未熔合等缺陷均被TOFD有效检出。缺陷的成像特征随缺陷性质的不同而不同，如未熔合缺陷的上、下端点信号都较强，成像较规则；夹渣信号的下端点信号弱，且呈断续不规则形状等。分析表3的数据可知，缺陷长度方向的测量精度高，可以达到±（1~2）mm；但埋藏深度的测量误差表2检测参数脉冲发射强度（电压V）脉冲宽度参数键值图7部分试块TOFD检测D扫描显示较大且有波动（最小5%，最大50%）；缺陷自身高度也有较大的测量误差。深度方向上的测量误差主要是由于检测图像在深度方向上不能按比例线性显示，只是非线性的压缩显示，而且LW与BW的时间间隔较短，测量时指针稍有偏差就会带来较大的误差。减小深度测量误差的主要措施是减小PCS、采用窄脉冲等使LW与BW的时间间隔尽可能长。基于OmniScan-MX的系统设置关键控制点及说明探头频率越高，需选的电压越低，否则可能会损坏探头，但5MHz探头可选最高电压200V，以产生最大的脉冲发射强度触发方波的持续时间按脉冲超声波的半个周期来设置，使发射的超声波的幅值最大200V0.5脉冲波周期脉冲重复频率（PRF）设为“最优”PRF太高，则可能产生幻像波，表现为直通波前还有波形显示 ，此时应降低PRF值，直到A显示中的直通波前变为直线；PRF太低，扫查速度又太快、扫查步进设得太小，就可能丢失数据，表现为在B显示中出现一道道的黑线如果在调整其他因素后直通波仍很弱，则需降低高通值，避免把扩散到表面的低频部分滤掉进行TOFD检查必然设成全波整流信号平均一般选最大值，以最大程度上消除噪声信号的干扰。但信号平均次数越大，最大允许扫查速度越小滤波检波信号平均次数抑制高通：f/2低通：2f设为全波整流RF设为最大值16设为0一般将直通波的波幅设定到满屏高的40％～80%起始位置应设置为直通波到达接收探头前至少1μs，窗口宽度为工件底面的一次波形转换波后1μs平板TOFD检测不设抑制可直接在工件上进行灵敏度设置，若直通波不适合或不可见，可将底面反射波幅设定为满屏高的80%，再提高20～32dB；灵敏度太低，可能无法得到直通波并漏检缺陷；灵敏度太高，则可能无法测量峰值可直接在工件母材上进行设置因对焊缝进行非平行扫查，容器和管道均按平板对待即A扫描和B扫描结果同时显示，便于分析与测量输入编码器上的分辨率铭牌值，必要时需进行校准根据扫查方向实际确定不能选时间触发，否则将无法采集数据与工件上所做的标识相匹配根据探头拟行走的距离决定扫查步进如太小，则数据所占字节几何级数增大；扫查步进如太大，则焊缝信息大量丢失灵敏度（增益）A扫描时间窗口工件几何形状显示方式位置编码器分辨率编码器极性触发方式扫查起始值扫查终止距离扫查步进A-B12step/mm正向或逆向编码器触发0mm略大于探头所走的距离1mm，即编码器每走1mm取1个A扫描2010年第28卷第6期表3试块序号内蒙古电力技术37特种试块内部缺陷的测量结果埋藏深度/mm自身高度/mm缺陷性质侧壁未熔合中心线裂纹夹渣密集气孔未焊透缺陷B长度/mm设计值实测值设计值实测值设计值实测值缺陷ATOFDD1TOFDD5TOFDD6TOFDD8TOFDD91820201718191885108.43.76.36.5563 6.36.65.47.6图10连排扩容器筒体焊缝上缺陷的刨挖结果212073.567.16.3高压加热器使用TOFD技术先后对华宁电厂1号机组、金6TOFD在电站设备无损检测中的应用6.1大板梁使用TOFD技术对华润金能热电厂1号机组大板梁进行检测，在2块大板梁的腹板对接焊缝内，发现了未熔合、密集气孔等几处超标缺陷。对缺陷部位进行刨挖后，实际结果与检测结果吻合，见图8和图9。山电厂2号机组的高压加热器进行了检测，没有发现缺陷。7结论及建议（1）TOFD检测能对缺陷成像显示，直观且易识别，可以检出有效区域内任意方向上的缺陷，与常规超声波检测相比，提高了缺陷的检出率，降低了误判率；缺陷的TOFD成像显示与缺陷的性质有较好的关联，提高了缺陷定性的准确性。（2）TOFD检测涉及多种检测参数的设置，关键控制点多，对检测工艺和检测过程要求高。（3）TOFD检测在长度方向上的测量精度较高，但在深度方向上的测量误差较大，检测时需采取措施尽量减小。图8刨挖后显示出的焊缝内部未熔合缺陷（4）通过试验对比发现，对60mm厚工件进行一次扫查的结果与对其进行分区扫查的结果差别并不明显。因此，在实际探伤中，建议对60mm以上的工件进行分区扫查（JB4730.10报批稿中规定为50mm），这种划分方式对发电厂四大管道的TOFD检测具有实际意义。[参考文献]图9对缺陷部位进行刨挖后显示出的群气孔[1]李家伟，陈积懋．无损检测手册[M]．北京：机械工业出版社，2004．[2]郑晖．超声检测[M]．北京：中国劳动社会保障出版社，2008．6.2连排扩容器使用TOFD技术对包头第三热电厂1号机组连[3]PrintP.Carter.TIME-OF-FLIGHTDIFFRACTIONCOURSE（LevelIandII）[M].UK：LavenderinternationalNDTCon-排扩容器筒体（材质16MnR，壁厚16mm）上的T型焊缝进行检测，在纵缝上发现有2处超标缺陷，缺陷深度均为12mm，长约25mm和35mm，对缺陷部位进行刨挖后，结果吻合，见图10。 sultancyServicesLtd．，1999.[4]J.P.Charlesworth，J.A.G.Temple.TIME-OF-FLIGHTDIFFRACTION[M].UK:engineeringapplication（Version2）RESEARCHSTUDIESPRESSLTD.，2001.编辑：张俊英1