超声波TOFD检测技术

　　TOFD技术全称Time of Flight Diffraction(绕射波传播时间技术),是20世纪70年代末由英国Harwell试验室(UKAEA)的Silk和Lidington先生发明的。它是一种可以精确测量缺陷尺寸的超声波检测技术,可以精确测量平面缺陷的在壁厚方向的高度,为设备的可用性评估提供试验数据。

　　20世纪80年代,在英国核工业领域中,要求减少缺陷高度测量的失误,以精确进行断裂力学评估,TOFD技术的发展为设备的可用性评估提供了精确的试验数据。此技术在国外应用在石油、天然气和石油化工等工业领域。

　　随着对该技术理解的深化,该技术以其检测的快速性和尺寸测量的可靠性必将得到更加广泛的应用。在英国出版物和欧洲临时标准对TOFD技术的应用都有阐述。

　　天津电力科学研究院作为中国最早引进该项技术的单位之一,对此技术进行了研究。本文对TOFD技术的基础理论进行阐述,并对试验图像进行一些说明。

　　1 TOFD技术基本原理

　　常规的超声波探伤技术是脉冲反射式的,利用超声波在缺陷表面的反射波对缺陷进行测量;TOFD技术以缺陷尖端对超声波的作用为基础,利用超声波的反射及绕射原理对金属部件进行检验。

　　当超声波遇到一个平面缺陷时,在产生正常的反射波的同时,在缺陷的边缘和尖端产生绕射波。这种绕射波在很宽的角度内发散,并且强度非常弱。

　　TOFD利用两个探头进行探伤,一个作为发射探头,另一个作为接收探头,探头间的距离称作探头间距(P.S.D)。TOFD通常使用频率为2~10MHz的纵波探头,这是因为纵波最先到达接收探头,且纵波易发生绕射,同时纵波的应用可以简化接收的波形和结果图形的解释。通常应用的纵波探头(角度为45°、60°和70°)也产生传播速度较慢的横波。横波也产生附加的绕射波,但比纵波产生的绕射波晚到达接收探头。TOFD技术原理见图1。

　　最先到达接收探头的声波叫横向波(LW),横向波是在被检试件表面传播的波,在没有缺陷的试件中,第二个到达接收探头的声波叫底波(BWE),底波是从试件另一面反射的声波。检测时,以横向波(lateral wave)和底波(back-wall echo)作为参考,TOFD系统具有很低的信噪比,很弱的超声波信号可以通过前置放大器进行放大处理。当试件中存在平面缺陷时,缺陷上端绕射波(Diffraction Signal)比下端绕射波先到达接收探头,并且这两个纵波信号位于横向波和底波之间,见图2。因此,TOFD系统不仅能够测量缺陷在壁厚方向的高度,而且能够测量缺陷的深度。

　　从图2可以看到,横向波和底波具有相反的相位,缺陷的上下端的绕射波也同样具有相反的相位。这些特性是缺陷判定的辅助依据,因此TOFD采用未经整流处理的波形,如RF (射频信号)波形。横向波与缺陷上端产生的绕射波的传播时间差与缺陷的位置有关,缺陷上下端产生的绕射波的传播时间差与缺陷的高度有关,因此,关于缺陷高度和缺陷的位置的测量,都由接收到的声波信号的传播时间决定,与信号的波幅无关。