【導(dǎo)讀】本畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是焊管焊縫超聲波探傷測(cè)試。主要任務(wù)是掌握焊管制造流程和。用，并給出焊縫返修的具體方案。提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性有著重要的意義。本文首先針對(duì)波無損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行理論研。技術(shù)是當(dāng)前一種較先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù),應(yīng)用領(lǐng)域更廣,適用范圍更寬。然后細(xì)致的分析了。針對(duì)給定的焊管焊縫，通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)該焊縫的缺陷。等級(jí)評(píng)定并得出了檢測(cè)工藝卡。

　　

【正文】 (1)由于存在直通波和底面回波，當(dāng)缺陷距離上下表面較近時(shí)，缺陷衍射波會(huì)淹沒于直通波或底面回波中，形成盲區(qū)。故對(duì)于近表 面缺陷或薄板試件的缺陷檢出可靠性不夠。 TOFD 檢測(cè)中，針對(duì)近表面缺陷或薄板試件，可適當(dāng)采用短脈沖探頭、提高頻率 (≥5MHz)、減小探頭中心距 PCS(s=24~27mm)，必要時(shí)可輔助脈沖回波法和爬波法進(jìn)行檢測(cè)。在靈敏度符合要求的情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮更高的探頭頻率。在 TOFD 圖像中直通波或底面回波與缺陷尖端衍射波重疊在一起時(shí)，可用變通的信號(hào)處理法 —— 隱藏信號(hào)識(shí)別法 (Embedded Signal Identification Technique， ESIT)測(cè)量重疊信號(hào)的傳播時(shí)間。 (2)缺陷定性困難。需要檢 測(cè)人員不斷積累經(jīng)驗(yàn)，提高檢測(cè)能力，強(qiáng)化 TOFD 圖像的分析能力。 (3)對(duì)橫向缺陷檢測(cè)能力差。在 TOFD 缺陷圖中，容易將橫向缺陷誤認(rèn)為點(diǎn)狀缺陷，需要輔助其他檢測(cè)方法。 (4)對(duì)裂紋類缺陷檢出能力強(qiáng)，但在檢測(cè)尖端比較圓滑的缺陷時(shí)衍射聲波較弱，檢出效果不佳。 (5)表面缺陷與近表面缺陷容易混淆。 目前國(guó)內(nèi)對(duì)鍋爐、壓力容器、壓力管道及各種結(jié)構(gòu)件的焊接接頭，無論是在制造或在役階段，所采用的超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)，一般都只規(guī)定用單斜橫波探頭作手動(dòng)斜角探傷，此法所要求的換能器頻率、尺寸，可使超聲波束具有較小的指向角—— 約 5～ 15176。，以利于分辨缺陷回波和假信號(hào)，缺陷定量、定性都離不開回波幅度的大小和變化。 超聲波 TOFD焊縫檢測(cè)技術(shù)與其它檢測(cè)技術(shù)的對(duì)比 采用 TOFD 法時(shí)，回波幅度僅用于靈敏度調(diào)整，而不用于缺陷評(píng)價(jià)。焊縫缺陷定深測(cè)高是根據(jù)接收到的衍射波的傳播時(shí)間差來進(jìn)行的，實(shí)踐證明可達(dá)到有效的精度。缺陷測(cè)長(zhǎng)可由 D 型顯示圖象獲得數(shù)據(jù) (結(jié)合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的分貝降落法 )。表 比較了普通單斜探頭法與 TOFD 法的各項(xiàng)技術(shù)特性。 31 表 普通單斜探頭法與 TOFD法的特性比較 序號(hào) 項(xiàng)目 普通單斜探頭 TOFD法 1 探頭掃查速度及穩(wěn)定性 △ ○ 2 缺陷判斷 △ ○ 3 記錄性 △ ○ 4 小缺陷可檢性 ○ △ 5 橫斷面缺陷位置 ○ 6 缺陷測(cè)高精度 △ ○ 7 缺陷測(cè)長(zhǎng)精度 △ △ 8 缺陷種類判別 △ △ 9 對(duì)接頭形狀多樣性的適應(yīng)性 △ ○ 注： ○良， △ 可， 差 對(duì)于缺陷的檢出率，歐洲和荷蘭焊接協(xié)會(huì)等機(jī)構(gòu)的研究結(jié)果如表 。 表 缺陷的檢出率及檢驗(yàn)方法 方法 X射線 γ射線 TOFD PE脈沖回波 檢出率 (％ ) 70 60 80 50~60 不同方法對(duì)于缺 陷大小與檢出率的線性關(guān)系見圖 。 圖 不同方法對(duì)于缺陷大小與檢出率的線性關(guān)系 TOFD技術(shù)與其他焊縫檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)對(duì)比如表 。 32 表 TOFD技術(shù)與其他焊縫檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)對(duì)比 性能 方法 TOFD成像檢測(cè)方法 射線探傷 (RT) 脈沖反射探傷 方法 (UT) 檢測(cè)效率 很高，線性掃查平均 1m/min 一般，需要暴光 和洗片時(shí)間 較高，但需要對(duì)工件進(jìn)行鋸齒形掃查 靈敏度 很高，但對(duì)缺陷端 點(diǎn)信號(hào)很敏感 一般，對(duì)平行表面缺陷不敏感 較高，但需要表面耦合要求的保證 定量精度 很高，時(shí)差法對(duì)缺陷 定量較準(zhǔn) 水平定量準(zhǔn)，但 無法定深度 較高，對(duì)深度方向定量會(huì)有人為誤差 安全性 環(huán)保，無危害 有放射性危害 環(huán)保，無危害 適用性 滿足厚度 6mm以上對(duì)接焊縫 對(duì)較大厚度工件 無法穿透 基本能滿足各種焊 接件的檢測(cè) 檢測(cè)成本 數(shù)據(jù)硬盤存儲(chǔ)，無需其 他耗材 需要底片以及洗 片等耗材 除對(duì)探頭有一定磨損外無其他耗材 超聲波 TOFD 焊縫檢測(cè)技術(shù) 的應(yīng)用 在焊縫兩側(cè)，將一對(duì)頻率相同的縱波斜探頭相向?qū)ΨQ放置 (入 射角的范圍通常是 45176。～ 75176。)，一個(gè)作為發(fā)射探頭，另一個(gè)作為接收探頭。發(fā)射探頭發(fā)射的縱波從側(cè)面入射到被檢焊縫斷面，在無缺陷部位，接收探頭會(huì)接收到沿工件表面?zhèn)鞑サ闹蓖ú?(lateral wave)和底面反射波 (backwall echo)；在有缺陷存在時(shí)，在上述兩波之間，接收探頭會(huì)接收到缺陷上端部和下端部的衍射波，如圖 所示。 33 圖 超聲波 TOFD檢測(cè)原理示意圖 例如，當(dāng)超聲波在存在缺陷的線性不連續(xù) (如遇到諸如裂紋、未熔合等缺陷 )處出現(xiàn)傳播障礙時(shí)，將在缺陷尖端發(fā)生疊加到正常 反射波上的衍射波，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。計(jì)算機(jī)軟件處理系統(tǒng)將會(huì)計(jì)算評(píng)估這些衍射信號(hào)，對(duì)應(yīng)射頻信號(hào)的相位變換，生成有黑白梯度的D掃描或 B掃描圖像 (收集數(shù)據(jù)方式 )，并且依據(jù)探測(cè)到的衍射信號(hào)可以判定缺陷的大小和深度 。 掃查距離 /m B 掃描成像（縱剖面） 34 B 掃描成像（橫剖面） 圖 B掃描成像 這種現(xiàn)象的研究產(chǎn)生了應(yīng)用衍射波時(shí)差法的無損檢測(cè)方法，主要原因是來自于缺陷范圍的信號(hào)可記錄，而且缺陷的高度尺寸與衍射波分離的空間 (或時(shí)間 )直接相關(guān)。對(duì)于走向垂 直于工件表面的缺陷，可計(jì)算出該缺陷的大小和深度。對(duì)典型缺陷的定量精度可達(dá)到 90﹪以內(nèi)。假定超聲波都是在固定點(diǎn)進(jìn)入和離開工件的，兩探頭之間的距離是 2S。這是對(duì)缺陷真實(shí)情況的簡(jiǎn)化，但是，對(duì)實(shí)際情況下的缺陷計(jì)算，卻有非常重大的意義，如圖 所示。 衍射波信號(hào)的振幅雖然不顯示，但是這些信號(hào)的時(shí)間間隔卻能測(cè)量出來。因此，可精確的測(cè)量出缺陷的位置、缺陷的長(zhǎng)度和缺陷的高度。這樣對(duì)于檢測(cè)面狀或球面形缺陷的能力 (POD)與傳統(tǒng)的超聲波探傷方法相比大大地提高了 (可達(dá)90℅)。 在數(shù)字化技術(shù)的幫助下，可以快速地計(jì)算評(píng)估檢測(cè)到 的信號(hào)。計(jì)算機(jī)技術(shù)可保證掃查速度在每秒幾百毫米的情況下的數(shù)據(jù)處理，實(shí)際使用的掃查速度僅僅受到機(jī)械系統(tǒng)的限制。 35 PCS—— 探頭入射點(diǎn)間距 t—— 兩探頭間通過測(cè)量點(diǎn)總聲程時(shí)間 T—— 工件厚度 S—— 入射點(diǎn)距測(cè)量點(diǎn)水平距離 t0—— 探頭延遲時(shí)間 d—— 測(cè)量點(diǎn)深度 注：這里不考慮 X測(cè)量點(diǎn)與兩個(gè)探頭中間面的偏移值 (實(shí)際中 X值對(duì)缺陷深度的影響是很小的 )。 圖 缺陷定位簡(jiǎn)化模型 超聲波 TOFD焊縫檢測(cè)的缺陷分析 缺陷定性 圖 (底面裂 紋、表面裂紋、根部未焊透、坡口面未熔合和層間未熔合等 )的 TOFD A型掃描和 D型掃描的 2種顯示圖像 (引自英BS7706： 1993)。 36 圖 焊縫缺陷 TOFD法探傷記錄圖例（ A型顯示和 D型顯示） 一般超聲波探傷要識(shí)別缺陷性質(zhì)較困難。用超聲 TOFD法結(jié)合下述法則可推斷缺陷種類及其性質(zhì)： (1)裂紋、未焊透等面狀缺陷：缺陷上下端產(chǎn)生的衍射波波幅相位 180。反轉(zhuǎn)。通常，缺陷上端與試件底面 反射兩者回波波幅相位一致。 (2)氣孔、夾渣等全體積狀缺陷：其衍射波觀察不到相位的反轉(zhuǎn)，且下端衍射波波幅比上端衍射波波幅小得多。 (3)表面開口裂紋：可觀察到下端衍射波，也可觀察到表面波的衰減。 (4)底面開口裂紋：可觀察到上端衍射波，也可觀察到底面反射波的衰減及延遲。 (5)被檢試件內(nèi)部的面狀缺陷：上下兩端的衍射波信號(hào)均可觀察到，且相位相反。 可見，表觀相位與表面波一樣的信號(hào)，應(yīng)視為由缺陷下端產(chǎn)生；表觀相位與底面反射波一樣的信號(hào)，應(yīng)視為由缺陷上端產(chǎn)生，或由無高可測(cè)的缺陷產(chǎn)生。 缺陷定位定量 從面狀缺陷下端點(diǎn)傳到接收探頭的能量，遲后于從面狀缺陷上端點(diǎn)傳到接收探頭的能量。該時(shí)間延遲量即為缺陷高度的量值。而且，缺陷上下端點(diǎn)產(chǎn)生的兩衍射脈沖， 總是位于沿試件表面?zhèn)鞑サ穆暶}沖之后，在試件底面產(chǎn)生的反射脈沖之前。因此，通?？色@得有關(guān)缺陷埋藏深度位置和缺陷自身高度的準(zhǔn)確信息。圖 TOFD法檢測(cè)內(nèi)部缺陷所得簡(jiǎn)化的 A掃描非檢波波形圖，缺陷深、高信息一目了然。若缺陷位于試件上表面，則側(cè)面波會(huì)被截?cái)唷? 圖 TOFD法中面狀缺陷 A掃描非檢波波形圖例 37 缺陷定位定量數(shù)式 從面狀缺陷 下端點(diǎn)傳到接收探頭的脈沖，滯后于從面狀缺陷上端點(diǎn)傳到接收探頭的能量。該時(shí)間延遲量即為缺陷高度的量值。而且，缺陷上下端點(diǎn)產(chǎn)生的兩衍射脈沖，總是位于沿試件表面?zhèn)鞑サ穆暶}沖之后，在試件底面產(chǎn)生的反射脈沖之前。因此，通?？色@得有關(guān)缺陷埋藏深度位置和缺陷自身高度的準(zhǔn)確信息。假定超聲脈沖從發(fā)射探頭入射點(diǎn)進(jìn)入試件，又在接收探頭入射點(diǎn)離開試件，兩探頭相隔間距為 2S (見圖 )，則超聲脈沖入射到面狀缺陷上，在端點(diǎn) D處相互作用，產(chǎn)生衍射波后，又傳到接收探頭的全程時(shí)間 t，可由下式求出。 C t = [ d2＋﹙ S＋ X﹚ 2 ] 189。＋ [ d2＋﹙ S－ X﹚ 2 ] 189。 (3－ 1) 式中： C—— 縱波聲速 d—— 缺陷端點(diǎn) D離表面距離 (埋藏深度 ) X—— 缺陷偏離兩探頭間距中分平面的距離 M2 = d2＋﹙ S＋ X﹚ 2 L2 = d2＋﹙ S－ X﹚ 2 圖 TOFD法雙探頭檢測(cè)幾何原理 當(dāng)面狀缺陷位于兩探頭間距中心，即 X = 0時(shí)， t 值最小。此時(shí)式 (3－ 1) 可簡(jiǎn)化為 C t = 2 [ d2＋ S2 ] 189。 (3－ 2) 通常，以直通波信號(hào)為基準(zhǔn) ，缺陷埋藏深度 d可由直通波與衍射脈沖的傳播時(shí)差 tD算出，即 d = 1/2 [ tD2C2＋ 4tD CS ] 189。 (3－ 3) 求出面狀缺陷上下兩端點(diǎn)的深度位置 d上 和 d下 ，就很容易測(cè)出缺陷自身高度 h： h=d上 － d下 [。 38 試驗(yàn)圖片對(duì)比分析 對(duì) TOFD缺陷成像的圖形進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)缺陷定性、定量。首先，依據(jù)缺陷成像的形狀對(duì)缺陷進(jìn)行定性分析，區(qū)分缺陷為何種形式。然后，對(duì)缺陷作定量分析，確 定缺陷的位置、自身高度等信息。缺陷的高度和位置根據(jù)上下尖端衍射信號(hào)與直通波 的時(shí)間 差確定（直通波相位與上尖端衍射信號(hào)相反，與下尖端衍射信號(hào)相同）。 通過對(duì)不同厚度的試板做 TOFD探傷檢測(cè)，得到以下 D掃描圖像。 (a) (b) 圖 對(duì)厚度為 12mm的試板做的 TOFD掃描圖像 如圖 ，可以看出缺陷圖像顯示為直通波和地面回波之間的衍射弧，單個(gè)分散或密集分布，有一定曲率，沒有自身高度。 (a)中在 TOFD顯示圖上 ,缺陷信號(hào)圖像的尾部各自向兩 側(cè) 下墜呈弧線型 ,缺陷信號(hào)圖邊緣的清晰度向兩側(cè)逐 漸下降 ,A 掃波形中相位變化不明顯 ,底波側(cè)向波沒有明顯變化，缺陷自身衍射波相位反轉(zhuǎn)不明顯 ,且下端衍射波波幅比上端衍射波波幅小?？梢苑治龀?，缺陷為單個(gè)氣孔。 (b)中 TOFD顯示圖呈現(xiàn)一系列幅度各異的弧線 ,如果缺陷靠得很近時(shí) ,TOFD 信號(hào)圖像會(huì)出現(xiàn)層疊現(xiàn)象 ,很難區(qū)分幾個(gè)缺陷之間的邊界 ,A掃波形中雜亂無章，可以明顯看出缺陷為密集性氣孔。 39 (a) (b) 圖 對(duì)厚度為 16mm的試板做的 TOFD掃描圖像 圖 ， (a)中 TOFD顯示圖像形狀多不規(guī)則 ,邊緣不大清晰 ,總體亮度并不高。與底色反差不大 ,但局部會(huì)出現(xiàn)亮度反差較明顯的點(diǎn)。上端點(diǎn)衍射波與 表面 波相位相反 ,下端點(diǎn)衍射波與 表面波 相位相同。將 TOFD顯示圖和 A掃波形中結(jié)合起來很容易將其定性。 A掃波形中有明顯的變化 ,但底波變化不大，可以定性為條狀?yuàn)A渣缺陷，還可以看出在試板的頂端有氣孔缺陷。一般的，如果單純看 TOFD顯示圖 ,點(diǎn)狀?yuàn)A渣在衍射信號(hào)不太強(qiáng)的情況下 ,很容易誤判為單個(gè)氣孔。 圖 (b) TOFD圖像邊緣特別清晰 ,亮度很高 ,與底 色反差很大 TOFD；圖譜有完整的 表面 波和底波信號(hào)圖像，并有缺陷上端點(diǎn)和下端點(diǎn)的衍射信號(hào)圖像，上端點(diǎn)衍射波與側(cè)向波相反，下端點(diǎn)衍射波與側(cè)向波相位相同；同時(shí)底波和變型波之間明顯的圖像顯示。 A掃波形中缺陷自身衍射波相位和波幅變化明顯，相應(yīng)位置的底波變化也明顯。可定性為裂紋。一般，表面及近表面裂紋上端點(diǎn)衍射波不清晰，側(cè)向波有變形；根部裂紋下端點(diǎn)衍射波不清晰，且使底面衍射波延遲。可見，TOFD法對(duì)埋藏性裂紋的定性非常準(zhǔn)確。 40 (a) (b) 圖 對(duì)厚度為 19mm的試板做的 TOFD掃描圖像 圖 ， (a)中缺陷表現(xiàn)為