衍射波時差法超聲檢測技術（TOFD）
簡介：本文簡要介紹了工業(yè)發(fā)達國家正在興起和應用的TOFD技術的起源，原理，優(yōu)缺點，標準規(guī)定和在實際產(chǎn)品訂貨中節(jié)約的費用和時間。
主題詞：TOFD起源 原理 優(yōu)缺點 相關費用
1. 衍射波時差法檢測技術（TOFD）的起源
TOFD(Time-of-flight-diffraction technique)檢測技術是在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應用方面，已經(jīng)有15年歷史，此技術首先是應用于核工業(yè)設備在役檢驗，現(xiàn)在在核電，建筑，化工，石化，長輸管道等工業(yè)的厚壁容器和管道方面多有應用，TOFD技術的成本是脈沖回聲技術的1/10?，F(xiàn)在，TOFD檢測技術在西方國家是一個熱門話題，現(xiàn)在已經(jīng)開始推廣應用，經(jīng)過幾年以后，將有取代RT趨勢的可能。
2. TOFD原理及系統(tǒng)組成
2.1 TOFD原理是當超聲波遇到諸如裂紋等的缺陷時，將在缺陷**發(fā)生疊加到正常反射波上的衍射波，探頭探測到衍射波，可以判定缺陷的大小和深度。
TOFD原理
當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，在裂紋端點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)超聲波形成一個顯著的對比。
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方法也探測到一個直接穿過兩個探針的表面（橫向）波和達到試塊底部（測試對面）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- 對面器壁反射波
這種現(xiàn)象的研究產(chǎn)生了用于下列應用衍射波時差法無損檢測方法：
■ 探傷檢驗 因為來自于缺陷范圍的信號可記錄。
■ 裂紋定尺寸 因為衍射波分離的空間（或時間）與裂紋高度直接相關。
用一對發(fā)射接受配對的單探頭組（見圖2）的TOFD技術，通常應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，同時根據(jù)超聲系統(tǒng)來評估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. 沿裂紋或焊縫長度方向的常規(guī)掃描。B－掃描結果過去習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。
在文獻中，這種圖像經(jīng)常被稱作D-掃描，但這與歐洲標準prEN1330－4“用于超聲試驗中的術語”是不一致的，在這個規(guī)范中，D-掃描有另一種定義。因此歐洲標準草案中在TOFD標準上沒有用“D-SCAN”代替TOFD。
2. 垂直于焊縫和裂紋的長度方向的橫向掃描（圖3下圖），此種B－掃描結果過去習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，一個可以用于**定位的典型的圖是1mm. 此時假定進入和離開試塊的超聲能量是在探頭下面的固定點并且探頭是相距2S的距離(見圖 4)。
這是真實情況的簡化，但對許多目的是足夠**的）。T，超聲能量到達裂紋**D點，然后返回試塊的時間，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 －時間
d －表面到D點深度
X －衍射點到兩個探頭中線平面的距離
當X是零時，T值*小，并且在此情況下，表達式簡化成：
C T = 2 {d2 + S2}1/2 (2)
通常參考是側向頻率特性，如：從衍射時間計算得出的深度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，通常用公式（2）并且此公式是基本的、重要的。假定對稱地位于探頭之間的缺陷發(fā)出了一個錯誤的信號，此錯誤信號能夠調(diào)整到對分析估定缺陷深度在**度上影響很小的程度。
通過今天**計算機技術的使用，可能非?？斓脑u定得到的信號。那就使每秒完成幾百次的毫米掃描成為可能。在現(xiàn)實中，速度僅僅是由技工水平限制的。
2.2系統(tǒng)組成
TOFD監(jiān)測系統(tǒng)由計算機型超聲波
探傷儀本體、發(fā)射探頭、接收探頭、前置放大器、光學或磁性編碼器以及連接電纜組成。
3. TOFD的應用
衍射波時差法技術主要應用如下方面：
◆在役缺陷檢測
◆制造期間缺陷的監(jiān)測，記錄，評定
在技術上，由于TOFD在檢測的外部表面存在一個死區(qū)，而且根據(jù)每一個應用TOFD技術的公司的水平和技術的差異，這個死區(qū)的厚度是不一樣的。因此，近表面的缺陷是不能夠用TOFD檢測到的（表面穿透性裂紋是可以檢測到的）。意大利AEA sonovatiion公司成功的將死區(qū)減小到2mm，這是一個巨大的進步。因此AEA sonomatic公司可以檢測厚度在6mm以上的容器或管線。常規(guī)公司這個死區(qū)在8mm左右。TOFD可以應用于壁厚達到350mm以上厚壁容器的檢驗。
4. TOFD的優(yōu)缺點
4.1 TOFD的優(yōu)點
TOFD技術缺陷檢出能力強，缺陷定位精度高，節(jié)省設備的制造時間，**，檢測數(shù)據(jù)可以用數(shù)字型式長久保存。
（a） 與常規(guī)的脈沖回聲檢測技術相比，TOFD在缺陷檢測方面，與缺陷的方向無關。
（b） 同射線相比，TOFD可以檢測出與檢測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**的獨立的操作空間，因此可以在不中斷工藝生產(chǎn)的情況下進行檢測，節(jié)約設備制造時間。
（e） 可以在線得到檢測結果，并且可以將結果用數(shù)字信號型式長久保存在光盤中，以便于以后在役檢驗進行對比分析；
（f） 可以在線應用相關的工程評定標準對缺陷進行評定，僅將按標準評定的缺陷進行挖補修復，避免了無用的破壞焊縫整體性的修補現(xiàn)象。
（g） 因為檢測速度快，對于板厚超過25mm的材料，成本比RT少的多。
（h） 可以在200℃以上的表面進行檢測（已經(jīng)有在400℃檢測的實例）。
（i） TOFD檢測系統(tǒng)易于搬運，可以在方便的任何地方進行檢測。
（j） 由于可以在產(chǎn)品制造期間進行檢測，由此可以節(jié)約大量的時間和修復成本。
（k） 檢測率高于常規(guī)的超聲UT。
4.2 TOFD的缺點
（a） 焊縫的兩邊必須有能夠安放用于TOFD檢測的發(fā)射和接收探頭的位置，
（b） 在檢測表面下，存在一個檢測不到的死區(qū)；根據(jù)各公司的技術條件，此死區(qū)在2～10mm不等。
（c） 檢測人員必須經(jīng)過專門的訓練，并積累相應的經(jīng)驗，
5.根據(jù)TOFD的原理和特點，在檢測厚壁容器和大管徑的管道方面具有巨大的優(yōu)勢，根據(jù)2005年2月采購的厚壁加氫反應器（規(guī)格是，在采用TOFD技術時，每個投標商價格均可以節(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)中國現(xiàn)行的相關法律，如果采用此技術的設備安裝于中國，則應用TOFD技術的制造商必須按臺次向中國國家質(zhì)量技術監(jiān)督檢驗檢疫總局提出申請并要獲得批準使用，否則是非法的。
6. TOFD的相關支持標準
6.1檢驗方法標準
英國的BS7706,歐洲的PrEN586Pt6.
6.2檢驗規(guī)范
英國的BS4515,美國的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缺陷的評定標準
各檢驗公司根據(jù)自己試驗和經(jīng)驗，制定相應的檢驗規(guī)范。同時ASME規(guī)范2235－6也規(guī)定了不同的壁厚的缺陷的驗收標準。
6.4檢驗人員的資格
必須依據(jù)EN473,BS5750,ASNT’s snt-tc-1等進行資格認證。
參考文獻
1 李 衍 超聲TOFD法與射線照相法對缺陷檢出能力的比較 中國鍋爐壓力容器** 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.
