TOFD技术及其在特种设备无损检测中的应用

摘要：特种设备是工业生产和人民生活中广泛使用的具有潜在危险的重要设备和设施，无损检测技术在确保特种设备制造安装质量和安全运行中至关重要。TOFD技术（超声衍射时差检测技术）是当前无损检测领域的前沿技术之一，因具有高精度、高效率以及成本低等优点被广泛应用于特种设备的无损检测中。本文介绍了TOFD技术的基本原理，分析了TOFD检测技术的优缺点，并详细阐述了TOFD检测技术在特种设备检测中的应用。

关键词：TOFD技术 特种设备 无损检测 缺陷

TOFD全称Time Of Flight Diffraction，即超声衍射时差技术，是由silk于1977年根据超声波衍射现象提出来，它是通过超声波与缺陷端部的相互作用发出的衍射波，来检出缺陷并对其进行定量测量的技术。此技术首先由意大利AEA公司在TOFD应用方面开始应用于核工业设备在役检验。随着科技的进步，现在TOFD技术已成功地应用到特种设备无损检测领域。

特种设备是指涉及生命安全，危险性较大的锅炉、压力容器(含气瓶)、压力管道、电梯、起重机械、客运索道和大型游乐设施等设备。所有这些设备，由于其结构的复杂性、不连续性以及工作条件（高温、高压、腐蚀介质等）的恶劣性，极易发生安全事故。TOFD技术作为一种新型可靠的无损检测技术，在确保特种设备制造安装质量和安全运行中至关重要。

1.TOFD技术基本原理

TOFD技术是一种较新的超声检测技术，它利用在固体中声速最快的纵波在缺陷端部产生的衍射能量来进行检测。

超声TOFD检测方法的物理基础是惠更斯原理，由荷兰物理学家惠更斯于1690年提出。该原理指出，介质中的波动传到的各点，都可以看作是发射声波的新波源(或称次波源)，以后时刻的波阵面，可由这些新波源发出的子波波前的包络面做出。

超声波TOFD检测方法的工作原理是将一对频率、尺寸和角度相同的纵波斜探头(发射探头和接收探头)相向对称放置。发射探头发射的纵波从侧面射入被检焊缝断面。在无缺陷部位，接收探头会接收到沿试件表面传播的直通波和底面反射波。而当超声波遇到诸如裂纹等线性缺陷时，会在缺陷的尖端产生衍射，根据惠更斯原理，每个缺陷的边缘都可看成为超声波的信号源，向外发射超声衍射波，入射波进入被测工件遇到缺陷除了产生底面反射波和直通波外，还在缺陷的上下尖端产生衍射波，即上尖端衍射波和下尖端衍射波。超声TOFD方法将这些衍射波信号记录下来，作为缺陷的检测和测量依据。

2. TOFD技术的优缺点

2.1 TOFD技术相对于常规检测的优势

常规脉冲反射回波超声波探伤是根据缺陷脉冲反射回波波幅的大小确定和测量缺陷长度，用缺陷信号传播时间计算其深度。通常用一个探头(兼发射和接收功能)，其缺陷的检出和定量受到声束角度、探测方向、缺陷表面粗糙度、试件表面状态及探头压力等多种因素的影响，这些影响很难克服。

TOFD技术与常规脉冲反射回波检测有很大区别，它采用了衍射信号。TOFD技术采用衍射波，缺陷定量定位不依靠信号波幅，精度大大提高，解决了脉冲反射回波检测的那些不利影响，它采用一发一收两个探头，根据缺陷信号传播的时间计算确定缺陷深度位置，根据同一缺陷上下端点信号传播的时差确定缺陷的高度，用编码器获得检测方向的长度数据，检测标准根据缺陷尺寸判定级别。

2.2 TOFD技术的优点

TOFD技术对于危害性较大的面积型缺陷和尺寸超标的大缺陷检测有很高的可靠性, 尤其是对于焊缝未熔合、未焊透检出率很高。在深厚窄间隙焊缝中应用可保证垂直方向上缺陷的检出, 不需再做专门检测垂直方向上串列扫查探伤。

TOFD技术可检查缺陷并测其长度和高度, 缺陷的检出和定量不受声束角度、探测方向、缺陷表面粗糙度、试件表面状态及探头压力的影响, 面状缺陷的倾斜不会影响缺陷的可检性。

TOFD技术可实时得到焊缝长度和宽度方向上的断面透视图像。检测的结果通过专用计算机软件系统扫描完成后自动存储数据和生成报告, 并将操作者标记出来的缺陷以硬拷贝的形式打印输出。

TOFD技术对壁厚较大的工件具有较好的应用前景，通过进一步研究和改进有望取代射线检测。

2.3 TOFD技术的缺点

TOFD技术对自然裂纹、表面和近表面缺陷、横向缺陷检出的评价依据不够充分, 对圆形缺陷和小条形缺陷的定量误差较大, 其误差为正偏差, 即测量长度大于实际长度。

3. TOFD技术在特种设备检测中的应用

特种设备是工业生产和人民生活中广泛使用的具有潜在危险的重要设备和设施，包括锅炉、压力容器(含气瓶)、压力管道、电梯、起重机械、客运索道和大型游乐设施等设备。特种设备由于其结构的复杂性、参数的多样性、焊接制造时产生的残余应力以及长周期在高温、高压、腐蚀环境下工作的特点，若使用或管理不当，极易发生安全事故。而此类事故大部分都是由于设备本身存在的宏观的或微观的缺陷而引起的。因此，采用TOFD技术精确测量缺陷尺寸及其平面缺陷在壁厚方向的高度，为设备的可用性评估提供试验数据，具有非常重要的现实意义。

3.1 TOFD检测的准备工作

3.1.1 被检设备要求

清除被检设备扫查区域内焊接飞溅、附着物、涂层等影响探头移动、耦合和声束入射的因素。并了解被检工件　如母材厚度、焊缝结构、材料晶粒度、历史缺陷等。

3.1.2 探头的选择

TOFD检测系统一般由专用计算机系统、软件、探头和探头支架几部分组成,为了适应厚壁容器的检测需要,一般具有多个通道,用于实现探头类型及型号的组合,一般根据母材厚度选择探头角度、频率、晶片尺寸和通道数。探头角度小，直通波与底面波的时间间隔大，分辨率高，深度测量精度高；而探头角度大，扫查覆盖范围大。频率越高，直通波和底面波的时间间隔内包含的信号周期越多，深度分辨率就越高，至少要达到20个周期才可获得满意的分辨率，但波的衰减和散射也随之增大，故不能一味增加频率。晶片尺寸和频率决定声束的扩散角大小，从分辨率和声束强度考虑，应选择高频率和大直径探头，而在扫查缺陷时考虑声束覆盖范围就应选择低频率、小直径探头，当对缺陷尺寸测量时要更多地考虑分辨率。

3.1.3 探头间距（PCS）的调整

检测前必须对TOFD检测探头间距( PCS)进行调整，以获得对特定深度缺陷的最佳检测结果，TOFD检测PCS计算公式为：

PCS = 2d tgθ 式中　d——缺陷深度

3.1.4 设置TOFD 参数

按照设备操作说明逐步将所选通道、探头角度、数字化频率、探头间距、检测厚度、增益设置、时间闸门等参数输入软件系统，并仔细核对是否有误,以免系统计算结果错误。

3.1.4 校准

这是非常重要的一步，决定着缺陷尺寸测量的精度。可以用试块或工件无缺陷处进行校准，检查被检工件厚度的TOFD 测量值与实际值是否相符，也直接校准了测量工具的零点。

3.2 数据分析

TOFD检测技术主要根据成像图形的形状、尺寸进行数据分析。第一步为定性分析，确定缺陷的性质，缺陷定性主要依据缺陷成像的形状；第二步进行定量分析，确定缺陷的尺寸、位置等数值信息，缺陷高度由缺陷上下端两衍射信号的时间差求得(计算时需注意，缺陷上端与下端的回波相位相反)，缺陷长度由缺陷成像的长度求得，缺陷深度由表面波与缺陷上端衍射信号的时间差求得，缺陷距探头中心线的距离由D-扫描信号求得。完成数据分析后，便可依据相关的标准规程，对缺陷的危害性等级进行评价。

4. 结语

TOFD技术作为一种新型可靠的无损检测技术，在确保特种设备制造安装质量和安全运行中发挥着重要作用。目前，TOFD技术的相关设备仪器、检测技术、检测标准不断发展，对于提高特种设备检测效率和数据可靠性具有重要意义。相信随着TOFD技术的日渐成熟，其必然会在特种设备无损检测领域得到更广泛的应用。

参考文献：

[1] 浅谈超声衍射时差法（TOFD）检测技术[J]. 航空制造技术，2009,(增刊):96～100；

[2] TOFD检测技术的应用[J]. 河北工业科技，2009,26(3):168～171；

[3] TOFD超声成像检测技术在压力容器检验中的应用[J]. 压力容器，2008，25(2):58～61;

[4] 超声TOFD法在无损检测领域中的应用[J]. 焊管，2007，30(6):39～44;