爬波檢測技術(shù)在厚壁壓力容器TOFD檢測中的工藝與應(yīng)用研究

劉禮良（廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣州，510663）

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爬波檢測技術(shù)在厚壁壓力容器TOFD檢測中的工藝與應(yīng)用研究

劉禮良
（廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣州，510663）

本文通過對爬波檢測技術(shù)應(yīng)用于厚壁壓力容器TOFD檢測中表面盲區(qū)檢測的研究與試驗，得出爬波檢測工藝。試驗研究和現(xiàn)場檢測結(jié)果表明：爬波檢測水平范圍在0～40mm內(nèi)能有效的檢出厚壁壓力容器表面及近表面缺陷，隨著水平距離的增加，發(fā)現(xiàn)表面及近表面缺陷的能力降低，且在一定深度范圍內(nèi)對TOFD檢測起到輔助檢測的效果，因此爬波檢測技術(shù)不失為一種解決TOFD表面盲區(qū)有效的補充檢測方法。

爬波檢測；TOFD檢測；厚壁壓力容器

引言

近年來，TOFD檢測技術(shù)在厚壁壓力容器中的應(yīng)用越來越廣泛，但TOFD技術(shù)因直通波導(dǎo)致表面存在較大盲區(qū)，目前常用脈沖反射法與磁粉檢測來解決表面盲區(qū)問題。脈沖反射法在檢測厚壁壓力容器時，信號衰減大且工件底面多為不規(guī)整，導(dǎo)致信噪比降低，表面及近表面缺陷檢出率較低；磁粉檢測一般只能檢測表面以下2～3mm的缺陷［1］，不能滿足要求。爬波聲場能量主要集中在表面下某個范圍內(nèi)，且不同于表面波，對工件表面粗糙不敏感，適合檢測表面及近表面缺陷［2］。因此本文結(jié)合爬波檢測技術(shù)來解決TOFD表面盲區(qū)問題，并對爬波檢測工藝進行研究。

1　爬波檢測的基本原理

最早實驗研究爬波的是由Harbold和Stemberg進行，Gruber等利用環(huán)向爬波來估測孔洞的直徑。爬波的定義最早出自于德國1898年的專利，爬波是超聲爬波探頭產(chǎn)生折射角為90°時的壓縮波（縱波）［3］。當(dāng)縱波以第一臨界角α1附近的角度入射到界面時，就會在第二介質(zhì)中產(chǎn)生表面下的縱波，即為爬波［4］。爬波產(chǎn)生原理如圖1所示，其中的α1為第一臨界角，β1為橫波折射角，β2為縱波折射角，其指向即為爬波光束方向。

圖1　爬波產(chǎn)生原理圖

由圖1中可以看出，爬波理論上是平行于表面?zhèn)鞑サ目v波，實際上最大能量方向是與表面呈一定角度，該角度大小與縱波入射角有關(guān)。爬波的傳播速度變化范圍［5］為0.8C～0.95C（C為壓縮波速度），決定于傳播介質(zhì)。爬波的衰減的主要原因是縱波在沿表面下傳播過程中不斷的發(fā)生向橫波的波形轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致在傳播的過程中波幅遞減。正因爬波的這些特性，通過對水平方向與深度方向傳播能量衰減進行研究，并設(shè)計爬波檢測工藝。

2　爬波檢測CIVA仿真

2.1爬波聲場CIVA仿真

根據(jù)爬波基本原理，為了更加直觀的分析爬波探頭的聲場，通過CIVA軟件對4Mhz的雙晶爬波探頭進行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2　4Mhz雙晶爬波探頭聲場仿真

由圖2可知，爬波聲場主要集中在近表面區(qū)域，主聲束不平行表面，與表面呈一定角度；聲場能量隨著水平距離與深度的增加急劇減?。慌啦晥鲋笥袡M波聲場，且聲場能量高于爬波聲場能量。由此更直觀的看出：爬波檢測在一定范圍內(nèi)可檢測表面及近表面缺陷。

2.2爬波檢測中缺陷響應(yīng)CIVA仿真

爬波檢測中，爬波在沿表面下傳播過程中，不斷發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致聲場能量衰減快。爬波傳播可分為水平方向傳播與深度方向傳播，因此通過改變水平距離與缺陷位置深度進行仿真研究，并分析對爬波檢測的影響。該部分仿真主要從三個方向進行分析研究：一是改變水平距離；二是改變?nèi)毕菸恢蒙疃龋蝗蔷C合分析不同水平距離與不同缺陷位置深度對檢測的影響。

（1）改變水平距離與改變?nèi)毕萆疃确抡?/p>

仿真通過對長10mm高2mm的表面刻槽，分別在距探頭前端10～100mm處進行仿真水平距離的影響；通過對10mm高2mm的缺陷，分別在1～10mm深度進行仿真缺陷位置深度對檢測影響，距探頭前端10mm。探頭參數(shù)為4Mhz入射角為90°，經(jīng)CIVA軟件仿真結(jié)果如圖3（a）、（b）所示。

圖3　4Mhz爬波探頭水平方向與深度方向變化仿真結(jié)果圖

由圖3可見，爬波探頭的聲場能量隨著水平距離與缺陷深度位置的增大驟減，對圖3中缺陷能量衰減分析結(jié)果如表1所示。

表1　改變水平距離與改變?nèi)毕萆疃扰啦晥瞿芰克p值

經(jīng)Origin 9.0分析結(jié)果如圖4所示。

圖4爬波能量幅值衰減圖

從圖4可知，爬波聲場能量隨著水平距離與缺陷深度的增大，均呈指數(shù)衰減。圖4（a）中，水平距離在0～40mm之間，能量衰減快；圖4（b）中缺陷深度在2～6mm之間，能量衰減快。由此可知，爬波在水平與深度方向上傳播范圍相當(dāng)有限，檢測時應(yīng)注意傳播距離的影響。

（2）不同水平距離對不同深度缺陷仿真

通過對長10mm高2mm的缺陷，分別在距探頭前端10mm～60mm，分別對深度方向上1～10mm的缺陷進行CVIA仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5　4Mhz爬波探頭不同距離不同深度缺陷仿真圖

由圖5可知：不同水平距離對不深度缺陷檢出效果不同，隨著水平距離的增加，能夠檢出缺陷深度增加，但靠近表面缺陷深度檢出能力降低，該結(jié)論與圖3（b）中仿真結(jié)果不一致。這是因為爬波聲場的分布主要在近表面區(qū)域，主聲束與表面成一定角度，當(dāng)水平距離增大時，深度越深的缺陷可能靠主聲束越近，越靠近表面區(qū)域的聲場能量越弱。當(dāng)水平距離增加到50mm時，表面1～3mm深的缺陷幾乎不能檢出。因此，爬波檢測水平距離不應(yīng)超過40mm，深度方向可檢測1～10mm深的缺陷。

3　爬波檢測實驗與工藝

3.1爬波檢測實驗

根據(jù)上述CIVA仿真結(jié)果可知，爬波檢測的聲能隨著水平方向與深度方向的增加而驟減，水平方向的檢測范圍對爬波檢測的檢出率有重要影響，通過實驗進行驗證爬波檢測范圍，并得出爬波檢測工藝。

實驗采用OMNISCAN-MX TOFD檢測儀、4MHz鳳凰爬波探頭、編碼器、轉(zhuǎn)接線等設(shè)備，在30mm厚TOFD試塊上進行爬波實驗，30mm TOFD對比試塊示意如圖6所示。

圖6　30mm厚TOFD試塊對比

（1）爬波衰減實驗

以埋深4mmΦ2mm的側(cè)孔為基準(zhǔn)，側(cè)孔距探頭前端距離為5mm，找到最大回波，并將回波幅值調(diào)到滿屏波高80%。再將探頭水平向后移，每間隔5mm記錄一次，直到40mm。實驗結(jié)果如表2所示。

表2　水平距離與能量幅值衰減實驗結(jié)果

經(jīng)Origin 9.0軟件分析結(jié)果如圖7所示。

圖7　能量衰減與水平距離關(guān)系實驗圖

由圖7可知，聲場能量幅值的衰減隨水平距離增大，衰減也較大。與圖4（a）對比分析可知，實際所測得爬波能量衰減比理論衰減的速度要慢，因為仿真與實際工件的介質(zhì)參數(shù)不同，測量時也存在誤差。還可得出衰減均在0～40mm之間，衰減的幅度大；40mm后，能量幅值衰減已經(jīng)特別大，能量很弱，實驗與仿真結(jié)果基本一致。

（2）爬波檢測范圍實驗與工藝實驗驗證

實驗通過對30mm試塊上0.5mm、1mm、2mm刻槽及埋深4mmΦ2mm、埋深7.5mmΦ3mm側(cè)孔在不同水平距離進行爬波實驗。分別在距缺陷水平方向10mm～60mm處進行實驗，每次實驗檢測靈敏度均以埋深4mmΦ2的側(cè)孔為基準(zhǔn)，將波高調(diào)至80%進行實驗。

實驗結(jié)果表明：當(dāng)水平距離在10～40mm之間時，刻槽及側(cè)孔均能有效檢測，隨著距離的增大，缺陷信號的分辨率逐漸降低，信噪比也降低。在50～60mm時，儀器增益調(diào)至最大，刻槽檢測效果較差，基本不能分辨刻槽的長度，側(cè)孔能有效檢出。圖8為水平距離為10mm時的刻槽及7.5mm深的側(cè)孔與水平距離50mm的刻槽及7.5mm深的側(cè)孔爬波檢測圖譜，由圖8可清楚的判別水平距離10mm時的刻槽與側(cè)孔；在50mm處，刻槽則不能很好區(qū)分，側(cè)孔能有效的檢出。因此爬波檢測范圍最大不應(yīng)超過40mm，水平距離越小對表面較淺的缺陷檢出效果越好。

圖8　刻槽與7.5mm深側(cè)孔爬波圖譜

在上述實驗結(jié)果得知，爬波檢測范圍應(yīng)在0～40mm內(nèi)，檢測靈敏度以埋深為4mmΦ2mm的側(cè)孔為基準(zhǔn)，找到最大波高并調(diào)至80%時為檢測靈敏度。按照該檢測工藝在100mm模擬試塊上進行檢測，模擬試塊焊縫寬度45mm，表面有長30mm 深5mm的表面裂紋。探頭前端距焊縫中心距離為30mm，靈敏度設(shè)置為68.7dB。檢測結(jié)果如圖9所示。

圖9　裂紋檢測爬波圖譜

由圖9可知：經(jīng)測量裂紋測得長度為33.3mm與實際裂紋長度30mm相差3.3mm，測量存在一定誤差，但由爬波檢測特點所致，無法測量裂紋深度。從爬波試驗較好的結(jié)果及目前對厚工件表面盲區(qū)無有效的解決方案的情況下，爬波檢測可作為一種有效的方法來解決TOFD表面盲區(qū)。

3.2爬波檢測工程應(yīng)用實例

在某壓力容器制造廠，對一壁厚為147mm的對接環(huán)焊縫壓力容器進行TOFD檢測，表面盲區(qū)采用爬波+MT進行補充檢測。在進行爬波檢測中，爬波檢測工藝參數(shù)設(shè)置為4Mhz爬波探頭，探頭前端距焊縫中心為35mm，靈敏度為72dB進行掃查，在該工藝參數(shù)設(shè)置下進行爬波檢測發(fā)現(xiàn)4處缺陷。其中一例缺陷在檢測區(qū)域內(nèi)的回波信號，如圖10（a）所示，在同一位置處進行TOFD檢測與MT檢測，均沒有發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷顯示。該處缺陷經(jīng)返修發(fā)現(xiàn)未熔合缺陷，經(jīng)測量，距離上表面為6mm。

（a） 爬波圖譜

圖10　現(xiàn)場檢測未熔合缺陷圖

在檢測過程中，還發(fā)現(xiàn)TOFD檢測在靠近近表面的缺陷，爬波檢測也能發(fā)現(xiàn)，如圖11所示。

圖11　爬波圖譜與TOFD圖譜對比

從工程實例可知，爬波在解決厚壁壓力容器的TOFD檢測表面盲區(qū)具有很好的效果，且以成像的方式反映缺陷，在一定程度上能對TOFD檢測起到輔助的作用，因此對TOFD表面盲區(qū)檢測不失為一種有效的補充檢測方法。

4　結(jié)束語

（1）經(jīng)實驗表明：爬波檢測水平距離在0～40mm范圍內(nèi)，具有較好的檢測效果，隨著水平距離的增加，對表面較淺缺陷的檢出能力降低，且檢測效果也會降低。

（2）實際檢測證明：爬波檢測能對厚壁壓力容器的表面盲區(qū)檢測起到較好補充檢測效果，并且在一定程度上對檢測TOFD檢測起到輔助檢測的作用。

（3）在實際應(yīng)用中還發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)場噪聲及電子噪聲均會對爬波檢測造成干擾，且對接焊縫的錯邊均會在爬波圖譜上形成偽缺陷，從而影響檢測效果。爬波檢測也不能對缺陷定量，這些問題今后將做進一步研究。

［1］任吉林，林俊明，電磁無損檢測［M］.科學(xué)出版社，北京，2008.06:222.

［2］樊利國等，爬波檢測及其應(yīng)用.無損檢測，2005，27（4）:212-216.

［3］江山等，表面及近表面裂紋的爬波無損檢測.無損探傷，2005，第29（3）:8-11.

［4］李安營等，爬波探頭的制作原理及應(yīng)用.無損探傷［J］.

［5］ZhangH， Bond LJ. Ultrasonic scattering by spherical voids［J］. Ultrasonics，1989，27（2）:116-119.

劉禮良（1989-），男，漢，江西九江人，碩士研究生，廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，無損檢測新技術(shù)研究（TOFD、相控陣等）。

Research Process and Application of Creeping Wave Detection Technology in TOFD of Thick Wall Pressure Vessel

Liliang Liu
（Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection and Research Institute ，Guangzhou， 510663， China）

The creeping wave testing technique is applied to the research and test of the thick walled pressure vessel of TOFD detection surface blind detection for that creeping wave testing process. Experimental study and field test results showed that creeping wave testing level in the 0-40 mm internal energy effective detection of thick wall pressure vessel surface and near surface defect， with the increase of the horizontal distance found ability to reduce the surface and near surface defect and in a certain depth range of TOFD detection to the detection of the auxiliary effect， so climbed wave detection technology can be regarded as a TOFD surface area and effective detection methods to solve.

Creeping Wave Testing； Time of Flight Diffraction； Thick Wall Pressure Vessel

TG115.28

A

2095-8412 （2016） 03-443-06