衍射波時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)（TOFD）
        

簡(jiǎn)介：本文簡(jiǎn)要介紹了工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家正在興起和應(yīng)用的TOFD技術(shù)的起源，原理，優(yōu)缺點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和在實(shí)際產(chǎn)品訂貨中節(jié)約的費(fèi)用和時(shí)間。
主題詞：TOFD起源  原理  優(yōu)缺點(diǎn)   相關(guān)費(fèi)用
1. 衍射波時(shí)差法檢測(cè)技術(shù)（TOFD）的起源
TOFD(Time-of-flight-diffraction technique)檢測(cè)技術(shù)是在1977年，由Silk根據(jù)超聲波衍射現(xiàn)象提出來，意大利AEA sonovatiion公司在TOFD應(yīng)用方面，已經(jīng)有15年歷史，此技術(shù)首先是應(yīng)用于核工業(yè)設(shè)備在役檢驗(yàn)，現(xiàn)在在核電，建筑，化工，石化，長(zhǎng)輸管道等工業(yè)的厚壁容器和管道方面多有應(yīng)用，TOFD技術(shù)的成本是脈沖回聲技術(shù)的1/10?，F(xiàn)在，TOFD檢測(cè)技術(shù)在西方國(guó)家是一個(gè)熱門話題，現(xiàn)在已經(jīng)開始推廣應(yīng)用，經(jīng)過幾年以后，將有取代RT趨勢(shì)的可能。
2. TOFD原理及系統(tǒng)組成
2.1 TOFD原理是當(dāng)超聲波遇到諸如裂紋等的缺陷時(shí)，將在缺陷**發(fā)生疊加到正常反射波上的衍射波，探頭探測(cè)到衍射波，可以判定缺陷的大小和深度。
TOFD原理 
當(dāng)超聲波在存在缺陷的線性不連續(xù)處，如裂紋等處出現(xiàn)傳播障礙時(shí)，在裂紋端點(diǎn)處除了正常反射波以外，還要發(fā)生衍射現(xiàn)象。   衍射能量在很大的角度范圍內(nèi)放射出并且假定此能量起源于裂紋末端（圖1） 。這與依賴于間斷反射能量總和的常規(guī)超聲波形成一個(gè)顯著的對(duì)比。
 

圖1
1 =發(fā)射波   2 =反射波   3 =穿透波     4 =頂部裂紋端衍射波    5 =底部裂紋端衍射波

除了發(fā)現(xiàn)由缺陷衍射的能量變化以外，TOFD方法也探測(cè)到一個(gè)直接穿過兩個(gè)探針的表面（橫向）波和達(dá)到試塊底部（測(cè)試對(duì)面）沒有受到缺陷干涉的底部反射波（圖1中的注1和4）。
 
圖. 2
1- 橫向波               2 - 頂部裂紋端衍射波 
3 - 底部裂紋端衍射波    4- 對(duì)面器壁反射波
這種現(xiàn)象的研究產(chǎn)生了用于下列應(yīng)用衍射波時(shí)差法無損檢測(cè)方法：
■ 探傷檢驗(yàn) 因?yàn)閬碜杂谌毕莘秶男盘?hào)可記錄。
■ 裂紋定尺寸 因?yàn)檠苌洳ǚ蛛x的空間（或時(shí)間）與裂紋高度直接相關(guān)。
用一對(duì)發(fā)射接受配對(duì)的單探頭組（見圖2）的TOFD技術(shù)，通常應(yīng)用的縱向探頭的入射角是450～700，通過接受探頭接受衍射信號(hào)，同時(shí)根據(jù)超聲系統(tǒng)來評(píng)估B-掃描圖像。
 
圖. 3
裂紋定位原理圖
 
圖. 4
      B－掃描
通過掃描探頭組，可以得到兩種B－掃描圖像（收集數(shù)據(jù)方式）：
1. 沿裂紋或焊縫長(zhǎng)度方向的常規(guī)掃描。B－掃描結(jié)果過去習(xí)慣用于裂紋定位和判斷缺陷大?。▓D3上圖）。
也就是人們常說的線性的、非平行的或縱向掃描。
在文獻(xiàn)中，這種圖像經(jīng)常被稱作D-掃描，但這與歐洲標(biāo)準(zhǔn)prEN1330－4“用于超聲試驗(yàn)中的術(shù)語”是不一致的，在這個(gè)規(guī)范中，D-掃描有另一種定義。因此歐洲標(biāo)準(zhǔn)草案中在TOFD標(biāo)準(zhǔn)上沒有用“D-SCAN”代替TOFD。
2. 垂直于焊縫和裂紋的長(zhǎng)度方向的橫向掃描（圖3下圖），此種B－掃描結(jié)果過去習(xí)慣用于判斷缺陷大小，也就是人們常說的橫向的，平行的或側(cè)向掃描。
缺陷尺寸定位
在方向上垂直于表面的裂紋尺寸和深度可以被定位，一個(gè)可以用于**定位的典型的圖是1mm. 此時(shí)假定進(jìn)入和離開試塊的超聲能量是在探頭下面的固定點(diǎn)并且探頭是相距2S的距離(見圖 4)。
 這是真實(shí)情況的簡(jiǎn)化，但對(duì)許多目的是足夠**的）。T，超聲能量到達(dá)裂紋**D點(diǎn)，然后返回試塊的時(shí)間，如下給出：
C T= {d2 + (S - X) 2}1/2 + {d2 + (S + X) 2}1/2    (1) 
此處
C －超聲波速度
T －時(shí)間
d －表面到D點(diǎn)深度
X －衍射點(diǎn)到兩個(gè)探頭中線平面的距離
當(dāng)X是零時(shí)，T值*小，并且在此情況下，表達(dá)式簡(jiǎn)化成： 
C T = 2 {d2 + S2}1/2       (2) 
通常參考是側(cè)向頻率特性，如：從衍射時(shí)間計(jì)算得出的深度d，介于橫向波和衍射脈沖之間的TD，在這里：
d = 1/2 { TDC 2 + 4TDC S}1/2      (3) 
在分析TOFD數(shù)據(jù)時(shí)，通常用公式（2）并且此公式是基本的、重要的。假定對(duì)稱地位于探頭之間的缺陷發(fā)出了一個(gè)錯(cuò)誤的信號(hào)，此錯(cuò)誤信號(hào)能夠調(diào)整到對(duì)分析估定缺陷深度在**度上影響很小的程度。
通過今天**計(jì)算機(jī)技術(shù)的使用，可能非?？斓脑u(píng)定得到的信號(hào)。那就使每秒完成幾百次的毫米掃描成為可能。在現(xiàn)實(shí)中，速度僅僅是由技工水平限制的。
2.2系統(tǒng)組成
   TOFD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)型超聲波探傷儀本體、發(fā)射探頭、接收探頭、前置放大器、光學(xué)或磁性編碼器以及連接電纜組成。
3. TOFD的應(yīng)用
衍射波時(shí)差法技術(shù)主要應(yīng)用如下方面：
◆在役缺陷檢測(cè)
◆制造期間缺陷的監(jiān)測(cè)，記錄，評(píng)定
在技術(shù)上，由于TOFD在檢測(cè)的外部表面存在一個(gè)死區(qū)，而且根據(jù)每一個(gè)應(yīng)用TOFD技術(shù)的公司的水平和技術(shù)的差異，這個(gè)死區(qū)的厚度是不一樣的。因此，近表面的缺陷是不能夠用TOFD檢測(cè)到的（表面穿透性裂紋是可以檢測(cè)到的）。意大利AEA sonovatiion公司成功的將死區(qū)減小到2mm，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。因此AEA sonomatic公司可以檢測(cè)厚度在6mm以上的容器或管線。常規(guī)公司這個(gè)死區(qū)在8mm左右。TOFD可以應(yīng)用于壁厚達(dá)到350mm以上厚壁容器的檢驗(yàn)。
4. TOFD的優(yōu)缺點(diǎn)
4.1 TOFD的優(yōu)點(diǎn)
TOFD技術(shù)缺陷檢出能力強(qiáng)，缺陷定位精度高，節(jié)省設(shè)備的制造時(shí)間，**，檢測(cè)數(shù)據(jù)可以用數(shù)字型式長(zhǎng)久保存。 
（a） 與常規(guī)的脈沖回聲檢測(cè)技術(shù)相比，TOFD在缺陷檢測(cè)方面，與缺陷的方向無關(guān)。
（b） 同射線相比，TOFD可以檢測(cè)出與檢測(cè)表面不相垂直的缺陷和裂紋。
（c） 可以**的確定缺陷的高度。
（d） 在**上，不需要一個(gè)**的獨(dú)立的操作空間，因此可以在不中斷工藝生產(chǎn)的情況下進(jìn)行檢測(cè)，節(jié)約設(shè)備制造時(shí)間。
（e） 可以在線得到檢測(cè)結(jié)果，并且可以將結(jié)果用數(shù)字信號(hào)型式長(zhǎng)久保存在光盤中，以便于以后在役檢驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析；
（f） 可以在線應(yīng)用相關(guān)的工程評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)定，僅將按標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定的缺陷進(jìn)行挖補(bǔ)修復(fù)，避免了無用的破壞焊縫整體性的修補(bǔ)現(xiàn)象。
（g） 因?yàn)闄z測(cè)速度快，對(duì)于板厚超過25mm的材料，成本比RT少的多。
（h） 可以在200℃以上的表面進(jìn)行檢測(cè)（已經(jīng)有在400℃檢測(cè)的實(shí)例）。
（i） TOFD檢測(cè)系統(tǒng)易于搬運(yùn)，可以在方便的任何地方進(jìn)行檢測(cè)。
（j） 由于可以在產(chǎn)品制造期間進(jìn)行檢測(cè)，由此可以節(jié)約大量的時(shí)間和修復(fù)成本。
（k） 檢測(cè)率高于常規(guī)的超聲UT。
4.2  TOFD的缺點(diǎn)
（a） 焊縫的兩邊必須有能夠安放用于TOFD檢測(cè)的發(fā)射和接收探頭的位置，
（b） 在檢測(cè)表面下，存在一個(gè)檢測(cè)不到的死區(qū)；根據(jù)各公司的技術(shù)條件，此死區(qū)在2～10mm不等。
（c） 檢測(cè)人員必須經(jīng)過專門的訓(xùn)練，并積累相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)，
5.根據(jù)TOFD的原理和特點(diǎn)，在檢測(cè)厚壁容器和大管徑的管道方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)2005年2月采購的厚壁加氫反應(yīng)器（規(guī)格是，在采用TOFD技術(shù)時(shí)，每個(gè)投標(biāo)商價(jià)格均可以節(jié)省20000到25000美元，生產(chǎn)周期可以縮短2～3周（這是主要的）。但是，根據(jù)中國(guó)現(xiàn)行的相關(guān)法律，如果采用此技術(shù)的設(shè)備安裝于中國(guó)，則應(yīng)用TOFD技術(shù)的制造商必須按臺(tái)次向中國(guó)國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局提出申請(qǐng)并要獲得批準(zhǔn)使用，否則是非法的。
6. TOFD的相關(guān)支持標(biāo)準(zhǔn)
6.1檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)
英國(guó)的BS7706,歐洲的PrEN586Pt6.
6.2檢驗(yàn)規(guī)范
英國(guó)的BS4515,美國(guó)的ASME VIII  Pt1&2(code case 2235-6),歐洲非直接受火壓力容器規(guī)范CEN/TC54/WGEN51,
6.3缺陷的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)
各檢驗(yàn)公司根據(jù)自己試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)，制定相應(yīng)的檢驗(yàn)規(guī)范。同時(shí)ASME規(guī)范2235－6也規(guī)定了不同的壁厚的缺陷的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。
6.4檢驗(yàn)人員的資格
必須依據(jù)EN473,BS5750,ASNT’s snt-tc-1等進(jìn)行資格認(rèn)證。



參考文獻(xiàn)
1  李  衍   超聲TOFD法與射線照相法對(duì)缺陷檢出能力的比較   中國(guó)鍋爐壓力容器**  2004，20（5），37~41
2  ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL Code，Case 2235-6:Use of Ultiasonic in lieu of Radiography
3  The British TOFD standard BS 7706: Guide to Calibration and setting-up of the Ultrasonic Time of Flight diffraction (TOFD) technique for defect detection, location and sizing of flaws.