TOFD检测实验分析Word格式.docx
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因此在检测中我们需要对每一个有怀疑的信号进行重点分析，必要时应改变检测参数针对可疑部位重新采集数据。
3
结论
通过这些实验，可以看出：
1）当底面线切割槽自身高度为5mm左右及以上时，衍射波比较明显，能与噪声信号区分开来；
2mm左右时A扫描单独显示情况下很难从噪声信号中辨别出衍射波。
但在B扫描上可以比较容易的识别缺陷衍射信号。
2）在实验试块上，使用TOFD法测得的切槽端点与尺寸精度偏差可达到±
0.3mm，
精度高，且重复性较好，更加直观。
3）线切割槽端点比裂纹端点衍射波信号强。
裂纹端点衍射信号能量低，仅依靠A扫描信号较难区分衍射波信号与噪声信号。
在实际工作中，由于缺陷可能存在的形式千变万化，衍射波信号或强或弱，特别是危害性缺陷裂纹等衍射信号有时很弱，不易分辨。
为了准确有效的测量缺陷高度应尽量选用TOFD法；
为了设备的安全运行，对重要部件缺陷的监控与评估要使用TOFD技术来测量、记录、对比、分析缺陷。
第二节
常见对接焊缝TOFD检测的基本程序
在电站设备中，广泛采用了焊接结构，常见的坡口结构通常有X型、U型以及V型坡口等。
在这些焊接结构中，通常存在不等厚对接和扫查面受限的情况，给检测工作带来不少需要解决的问题。
本节以某厂3#高压加热器焊缝为例来讨论容器焊缝的TOFD检测方法。
从外形上看，高压加热器主要由球形封头、椭圆封头、管板、筒身等组成见图1，其焊缝坡口主要有下列几种形式，见图2。
高压加热器水侧与汽侧温度、压力均不相同，因此各部位的壁厚也不一样。
一般汽侧椭圆封头、筒体壁厚基本一致，厚度不大；
水侧球形封头壁厚较大，多在100mm左右，球形封头与管板焊接时，由于焊缝两侧壁厚不同，且壁厚均较大，又受封头形状影响只能单侧探伤，因此对该部件在进行常规超声检测时存在一定的局限性，声束很难做到对焊缝的全覆盖。
该高加基本情况：
材质SA516Gr70；
规格（mm）
Di1400×
20（汽侧筒体）/20（椭圆封头）/100（球形封头）；
实测结果：
汽侧筒体与椭圆封头厚度为20mm，管板与球形封头对接焊缝两侧实际厚度为87、105mm，其坡口形式见图2。
管板与球形封头对接焊缝盖面宽度实测为70mm，封头侧焊缝边缘采用斜面过渡。
检测工艺设计
1.1检测分区情况
对于小于75mm厚的铁素体钢，可以只使用1对探头，为了达到好的分辨率和足够的覆盖率，选择探头时需选用合适的探头频率、晶片尺寸及楔块角度。
对于该高压加热器板厚20mm处的焊缝选用1对探头即可。
对于管板与球封头的焊缝由于壁厚大于75mm，应进行分区检测，每一个区域覆盖不同的深度，对厚度在75～300mm的焊缝，为了达到良好的分辨率和足够的覆盖率，应根据不同分区选择合适的探头中心频率、晶片尺寸及楔块角度。
对于该高压加热器管板与球形封头焊缝检测中分成两个区：
0～40mm、40～87mm。
1.2探头的选择
参照ASTM
E2373-04标准，针对该高加的实际情况，对壁厚为20mm的焊缝：
非平行扫查时，为了提高分辨率、减小表面盲区，选择10MHz,晶片尺寸Φ6mm的探头；
为了保证对焊缝及热影响区有足够的覆盖，选择70度楔块（见图3）。
对管板与球形封头焊缝：
非平行扫查时，由于壁厚较大，考虑到衰减的影响，适当降低探头的频率，选用5MHz，晶片尺寸为Φ6mm的探头；
楔块角度选择60度、45度分别扫查0～40mm、40～87mm深度区域。
当发现近表面缺陷时（小于10mm），可采用高频探头（如10MHz探头），小PCS值进行扫查，但减小PCS时应考虑近场区的影响，考虑入射点偏移对定位的影响。
1.3
探头间距PCS选择
当探头的声束轴线交点在重点扫查部位且内夹角为120度时，衍射的效率最高，在设定PCS值时可以参考这一点，以达到较好的扫查效果，增加缺陷的检出率。
通常非平行扫查时，在不考虑扫查面影响时，设置PCS使声束中心线交于该区壁厚2/3处，即PCS=2×
tanβ。
对于20mm板厚的焊缝，PCS=2×
（2×
20/3）×
tan70°
=73mm；
对于管板与球形封头焊缝，选择60度、45度分别扫查0～40mm、40～87mm深度区域，通过计算PCS分别为92mm、142mm。
由于封头侧存在一个紧挨焊缝的斜面，在实际扫查中要考虑计算得来的PCS能否正好让探头在斜面上行走或正好跨过斜面。
通过现场实践，选择60度楔块时PCS选择100mm，选择45度楔块时PCS选择142mm。
1.3显示范围的设置
通常情况下，显示范围的起始点设在直通波前2μs处；
终点设在底面一次变型横波结束后2μs处，终点之所以设在该处是因为变型波对于缺陷的判定及定性有很大的辅助作用，在数据判读中是不可或缺的。
当然在某些特殊情况下为了提高缺陷的定量精度，有时会使用较小的时间范围。
该步骤可在同壁厚的试块上或在现场工件上进行。
1.4
灵敏度设置
TOFD检测不基于波幅法进行检测和定量，但必须具有足够的灵敏度保证在扫查中发现缺陷，因此灵敏度的设置非常重要。
灵敏度可在试块上设置，也可在工件上直接设置。
在大多数情况下，单个TOFD探头组的灵敏度设置是将直通波波幅调到满屏高的40-90%；
若因工件表面状况采用直通波不适合或检测大厚壁焊缝的底面分区时，直通波不可见，可将底面反射波幅设定为满屏高以上18～30dB；
若直通波和底面反射波均不可用时，可将材料的晶粒噪声设定为满屏高的5％～10％作为检测灵敏度，但应能保证与电噪声相差6dB以上。
该高加壁厚相对不大，且所选用的探头、楔块等参数在现场实际检测中能获得良好的直通波信号，考虑到现场耦合存在不稳定因素，现场工件上将相应的直通波信号设在80～90%。
1.5
扫查方式的确定
TOFD技术非平行扫查是假定缺陷在探头连线中心线上，但实际焊缝中的缺陷位置是不确定的，有可能在中心也有可能偏向焊缝的一侧，如坡口未熔等。
对于薄壁焊缝由于衍射点不在焊缝中心线上造成的深度误差会很小。
然而，对于大壁厚材料的单V型或双V型对接焊缝的检测，缺陷与焊缝中心线的距离会导致一定的定位误差。
这些情况将导致深度评估错误或缺乏准确定位缺陷信息；
并且对于厚壁焊缝若仅仅进行非平行的中心扫查，有可能会造成由于缺陷偏在焊缝一侧，衍射波较弱而造成漏检；
因此有必要增加辅助扫查，以增加缺陷的检出率与数据的可读性。
在该高加中，对于20mm的焊缝采用非平行中心扫查一次即可，对于有怀疑的区域可增加偏心扫查。
对管板与球形封头焊缝，由于无法增加平行扫查，所以只能根据焊缝宽度及PCS值，适当增加偏心扫查。
最终采用60°
探头中心扫查一次，45°
探头中心扫查一次，向封头侧偏心扫查一次。
1.6
耦合剂的选用
为了避免楔块的磨损，很多楔块的四角嵌入了防磨钉，在手动TOFD检测中，为了有好的耦合，建议使用干法耦合剂，根据需要与水配制或稠或稀。
数据采集与分析
2.1数据质量
数据质量的高低对于缺陷的判断起着决定性的作用，有关数据质量的要求可参阅相关标准。
按照上述检测工艺，对该高加进行了抽检，其中管板与封头焊缝D扫描数据见图4。
从图4a）数据来看，即使是一侧探头在斜面上，60°
中心扫查数据噪声仍较小；
从图4
b）、c）可以看出45°
中心扫查噪声较45°
偏心扫查噪声明显变大，这主要是因为探头角度较小，一侧在斜面时，声束角度相对管板侧再变小，不利于声波的接收。
在厚焊缝的检测中通常需要使用前置放大器以减小电噪声，在上述数据采集中使用了40dB前置放大器，从数据质量来看，完全满足数据分析的要求。
2.2
数据分析的步骤
在确认数据质量满足要求后，我们需要对数据进行分析。
首先，对数据整体要有一个宏观的认识，先确定缺陷的数量、长度方向的大致位置，并做好相应的记录或标记；
如果对同一部位既进行了中心扫查又进行了偏心扫查，那么就需要对这几组数据进行比较、观察，根据同一缺陷在不同扫查数据中的表现特征，判断缺陷相对焊缝中心线的位置。
第二步，就需要对第一步中所确定的各个缺陷进行细致的分析、定量与定性。
针对某一特定缺陷，一般选择表现特征明显、图像清晰的那一组数据来进行分析。
有时虽然数据表观质量能满足要求，但各组数据均不能满足对某一特定缺陷的精确测量，此时还需要根据这一缺陷修改检测参数，重新进行扫查。
第三步，根据数据分析的结果，对照标准进行相应评价得出检测结论。
数据分析是检测中非常重要的一个环节，需要进行大量的分析练习来积累经验与技巧。
2.3焊缝中缺陷的定性
对图4显示的数据进行分析可以看出，该焊缝中存在多处点状缺陷，从性质上看以气孔为主，局部存在点状夹渣。
气孔和夹渣有其相似之处，但主要特征还是有较大的区别。
2.2.1气孔的特征
单个气孔长度和自身高度都不大，在D扫描中的信号看起来象个弧形。
一般来说它们的高度太小，很难有单独的可分辨的顶部和底部衍射信号。
这两个信号应该有一个相位差，但是信号很难分辨。
在信号的强弱方面，上端是反射信号，信号很强，只有下部的回波是衍射波。
单个气孔在D扫描图像上特征较明显，气孔的整个弧形信号较均匀。
见图5a）。
群气孔是一个信号集合体，各个气孔的信号局部相互叠加，掌握了单个气孔的特征，对群气孔的定性也相对较好判断。
2.2.2
夹渣的特征
夹渣分点状夹渣和条形夹渣。
点状夹渣的情况与气孔相类似，在D扫描中的信号看起来象个弧形。
上端是反射波，下端是衍射波，上下端点无法分辨。
点状夹渣和气孔在D扫描数据上存在一定的差异，点状夹渣的弧形顶部信号较强，常有明显的亮点，弧形两侧信号较弱，可据此作为分辨两者的特征。
见图5b）。
条形夹渣是在焊接过程中留下的，有一定的长度，这些缺陷不均匀，有时断续相连。
同样由于上端是反射信号下端是衍射信号，在D扫描图像上上端信号较强，下端信号弱，局部常有波幅较大引起的亮点出现，并且下端信号杂乱；
变形横波的图像也较乱。
判定时注意不要与裂纹相混淆。
TOFD是一项较新的技术，对检测设备与检测人员的要求比较高，检测附件的选择、检测参数的设置会影响所采集的数据，从而使检测结果产生偏差，严重时会导致漏检。
1）检测设备的性能参数、选择的附件应能满足标准及TOFD实际检测的需要；
2）检测人员应熟悉TOFD检测原理，能分析主要检测参数的变化对检测结果的影响；
3）制定检测工艺时需多方面综合考虑，使得工艺既能符合理论要求又能满足现场实际情况；
4）数据分析时应先判断数据质量情况，数据质量在反映缺陷细节、定性方面非常重要；
5）TOFD检测数据比较形象，对典型缺陷的定性较为准确且相对比较容易掌握；
但真正掌握各种缺陷的定性需要通过大量的解剖和实验来积累经验。
华北地区的电厂中有多台汽包存在缺陷，如何对带有缺陷的汽包进行监测，对缺陷进行定性，对缺陷进行精确的定性、定量
，从而来保证机组的安全运行，这些都是摆在我们面前的重要课题，为将TOFD技术实际应用在汽包焊缝检测中
，设计了试块、专用扫查器和扫查方案，取得了良好的效果。
1、硬件设计
1．1
试块
国际上目前在用的标准有:
BS
7706（1993）《校准和建立应用超声波衍射时差技术进行缺陷检测、定位和定尺的指南》，欧洲标准ENV583-6《超声波衍射时差技术作为一种缺陷检测和定尺的方法》，ASTM标准：
E2373-04《超声波衍射时差技术（TOFD）标准》,ASME
code
case
2235-6
《锅炉和压力容器标准案例》，CEN14751:
2004《用TOFD技术检测焊缝》等等。
目前我国没有关于TOFD技术的国家、行业标准，因此也没有标准试块。
根据
现场使用情况,参考国外标准，设计
、制作了一系列试块，
上述试块的用途：
调整仪器的扫描比例；
测试整个检测系统所能达到的检测范围；
校验编码器的分辨率；
1．2
专用扫查架
TOFD扫查需要2个探头，且探头声束需在一条轴线上，因此必须要有专用扫查装置，且配备匹配的编码器，才能满足要求。
课题组设计制作了专用的扫查架，并设计了不同长度的导杆，可以用于对汽包不同深度范围的扫查。
2．3
前置放大器
汽包的厚度约为100毫米，属于厚工件，超声在这样厚的材料中衰减大，从而影响灵敏度。
我们选择了前置放大器以增加灵敏度。
TOFD检测工艺的参数设计
3．1探头
参照国外标准，针对汽包实际情况，非平行扫查时，选择5MHz,晶片尺寸为Φ6，角度为60度的探头。
平行扫查时，选用同一探头，当发现近表面缺陷（小于10毫米），可采用高频探头，小PCS进行平行扫查，但减小PCS时应考虑近场区的影响，考虑入射点偏移对定位的影响。
3．2分区扫查
参照国外标准CEN/TS
14751，非平行扫查时，分为2个扫查区域，分别为0－50毫米和50－100毫米。
整个系统设置时用设计的试块验证覆盖范围。
平行扫查时，不必分区。
3．3
PCS设置
PCS的选择要考虑：
a
检测区域
b
裂纹尖端是否有足够衍射能量
c分辨率。
非平行扫查时，设置PCS使主声束位于该区的壁厚2/3处。
对于平行扫查或预先已确定了重点检测部位的扫查方式，探头中心间距推荐设置为使探头对的声束轴线交点为缺陷部位（或可能产生缺陷的部位）且其内夹角为120°
。
3．4灵敏度设置
TOFD检测灵敏度可在被检工件上直接进行设置。
一般将直通波的波幅设定到满屏高的40～80%；
若因工件表面状况采用直通波不适合或直通波不可见，可将底面反射波幅设定为满屏高以上18～30dB；
若直通波和底面反射波均不可用，可将材料的晶粒噪声设定为满屏高的5％～10％作为检测灵敏度，但应能保证与电噪声相差6dB以上。
3．5
仪器显示范围的设置
当仪器能够显示直通波及底面波时，仪器上时间闸门的起始位置为直通波到达接收探头前至少1us，闸门结束位置为工件底面的一次波型转换横波＋1us。
当仪器不能显示直通波或底面波时，应计算直通波和底面波的时间，根据计算结果调整仪器。
3．6扫查方式与扫查次数
初始的扫查方式为非平行扫查，探头对应以固定距离和方向平行于焊缝中心线运动。
采集的数据作为缺陷的快速探测和缺陷长度测量，对于非重点检测的缺陷，可以此测量缺陷高度。
非平行扫查时，应扫查3次，①
声束聚焦在焊缝中心线垂直面上；
②声束聚焦在内表面焊缝左熔合线的垂直面上；
③声束聚焦在内表面焊缝右熔合线的垂直面上。
若重点对焊缝热影响区进行扫查，应增大PCS。
对于重点监测的缺陷，增加平行扫查，精确确定缺陷的高度。
3．7
辅助检测
采用磁粉检测重点检测表面及近表面缺陷，采用脉冲－回波法重点检测内表面缺陷。
4
TOFD数据判读
4．1
数据的有效性
分析数据之前应对所采集的数据进行评估以确定其有效性，若数据无效，应采取纠正措施后重新进行扫查直至数据合格。
a）数据线丢失量不得超过整个扫查的5%，且不允许相邻数据线连续丢失。
b）扫查应保证超声声束对检测区足够的覆盖，分段扫查时，各段扫查区的重叠范围至少为20mm。
c）信号波幅降低量在6dB之内证明耦合良好。
d）直通波或晶粒噪声波幅满屏表明增益过高，TOFD检测根据超声波信号的相位判断缺陷的上下端点，若因信噪比太小而无法判断相位，则检测数据无效。
4．2
验收标准
按ASME
2235-3中的验收标准进行验收。
5实际应用
5.1高井电厂8＃炉汽包上的现场应用。
以上为汽包检测中的缺陷图像，运用tomoview
软件，测得缺陷的长度为237mm，由于该缺陷较长，在该缺陷全程选择3处做平行扫查测高，图4表示其中一处
而用常规超声波对该处进行检测时，由于该缺陷的反射比较复杂，回波波幅非常弱，按照标准规定，仪器显示该处是两条缺陷，长度分别为20mm、25mm，缺陷的高度不能测量。
根据标准ASME
2235-3
锅炉及压力容器规范案例
（2001版）中规定对上述缺陷进行评定，由数据判读结果可知这个缺陷均为表面下缺陷。
为了便于评定，依照标准要求制作表1：
表1缺陷特征值（壁厚t＝98mm）
缺陷编号缺陷a/la值mml值mm高宽比a/t是否在标准允许范围内
10.0081.952370.0199是
5.2大同4＃炉汽包上的现场应用
5.2.1数据采集
由非平行扫查数据分析得炉后侧缺陷起止位置及长度及高度，见图15-16及表5；
由平行扫查数据分析得缺陷局部高度数据，
若不考虑缺陷的性质，炉前侧的1＃，2＃缺陷超出标准的允许范围，不允许存在，3＃，4＃缺陷在标准的允许范围，可以保留；
炉后侧的1＃缺陷超出标准的允许范围，不允许存在，2＃，3＃缺陷在标准的允许范围，可以保留。
若考虑缺陷的性质，炉前侧的缺陷及炉后侧的缺陷均具有裂纹的特征，可以判定为裂纹，因此均不允许存在。
5.2.3解剖图片
此台汽包于2008年3月进行了消缺处理，
6
TOFD技术能够快速而准确地检测焊缝；
TOFD技术对焊缝覆盖范围大，无须做锯齿形移动即可对焊缝完成扫查；
它能够有效地精确地测量缺陷地长度、深度、自身高度，且独立于衍射波的波幅；
配合普通超声技术有助于缺陷的判性。
随着相关标准得即将出台，TOFD技术必将在锅炉压力容器行业内达到快速发展。
第四节
主汽管道焊缝TOFD检测
在电站设备中，主汽管道由于其长期运行在高温高压条件下，是金属监督项目的重要内容，对其质量要求很高。
因此如何有效检出主汽管道焊缝中的缺陷非常重要。
本节以某电厂#4炉主汽管道焊缝TOFD检测过程为例，介绍该类管道焊缝的检测与数据分析方法。
1.基本情况
主汽管道规格为φ541.9×
86.8mm，材质P22；
所检验焊缝为炉侧水平过渡弯管与垂直段对接焊缝；
弯管侧实测壁厚93mm，直管段实测壁厚85mm；
弯管侧管外径大于直管段，即焊缝两侧不等高，在焊缝外表面形成一个略有倾斜的表面。
图1
焊缝示意图
在对该主汽管道12#、18#焊缝进行常规超声探伤时发现存在大量缺陷，缺陷当量大多在评定线与判废线之间，其中相当一部分超过了判废线，最大值达到Φ3×
40+8dB，长度断断续续接近整圈，在同一深度方向上存在多处缺陷。
在决定是否处理前对这两道焊缝进行了TOFD检测。
2.检测工艺设计
2.1检测分区情况
由于该主汽焊缝壁厚较大，检测时分成两个区间0～40mm、40～93mm。
2.2探头的选择
选用5MHz，晶片尺寸为Φ6mm的探头；
楔块角度选择60度、45度分别扫查0～40mm、40～93mm深度区域。
当发现近表面缺陷时（小于10mm），可采用高频探头（如10MHz探头），小PCS值进行辅助扫查。
2.3
在做非平行扫查时，一般设置PCS使声束中心线交于该区壁厚2/3处，即PCS=2×
在使用60度、45度分别扫查0～40mm、40～93mm深度区域的情况下，对分区一使用60度楔块时PCS=92mm，对分区二选择45度楔块时PCS=150mm。
现场情况能够满足上述两种PCS时的扫查。
2.4
相对而言，90毫米左右的壁厚对于TOFD检测来说并不算大，在试块上使用上述探头组两次检测都有明显的直通波与底波，为了保证有足够的灵敏度，在工件上将各TOFD探头组的直通波波幅调到满屏高的80～90%。
2.5
对于窄间隙焊缝，衍射点不在焊缝中心产生的定量误差非常小，当壁厚较大时为了增加缺陷的检出效果及数据的可读性，应相应增加偏心扫查。
对于该焊缝最终采用60°
探头中心扫查一次；
45°
探头中心扫查一次、向弯管侧偏心扫查一次。
2.6
衍射信号能量比较低，由于曲面的存在对耦合的要求较高，在手动TOFD检测中，使用干法耦合剂，可以根据需要配稠一些，增加耦合效果。
3.1数据采集
数据采集中最需要注意的问题就是数据质量。
包括扫查时的耦合是否耦合均匀；
扫查时的探头是否按照预定的轨迹移动；
扫查速度是否超过仪器限定制；
扫查时编码器是否有滑动情况等等。
这些都影响着数据采集的质量与检测的可重复性。
3.2
数据分析
第一步需要对所采集的数据有一个整体的影响，对缺陷的数量、分布、大致的性质有一个宏观的认识。
图2是12#焊缝3-4区间局部D扫描数据，在图中我们可以看出该焊缝中存在许多缺陷。
在长度方向上从0到500mm范围内，从接近上表面一直到35mm深的区间内均存在大量点状缺陷，比较密集；
在长度方向60mm处存在一处密集型的缺陷（f1）；
在长度方向450到500mm区间内，从接近根部到上表面的大部分深度范围内均存在较多缺陷（f3）。
当然，TOFD对夹渣、气孔等缺陷有一定的放大作用。
4-1区间的局部D扫描数据，在该区间我们也可看到在靠近上表面的地方也存在一定量的缺陷；
在长度方向400毫米附近处存在较多的缺陷，缺陷在深度方向分布较广。
第二步对各个缺陷进行定量、定性分析。
在图2中，我们可以看出f1处的缺陷是典型的密集型缺陷；
由于该缺陷中各处波幅大致相等，没有夹渣的特征，因此可以判定f1是密集型的气孔。
在实际处理中，车削至78mm时对该处进行了射线检测，底片情况见图5。
缺陷f2图像特征较明显，纵波图像及变型横波图像较干净，上下
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