不等厚對(duì)接焊縫TOFD檢測(cè)中PCS的計(jì)算

肖元超++石勇

摘 要：TOFD（超聲波衍射時(shí)差法）現(xiàn)已廣泛用于特種設(shè)備制造的原材料和使用過程中缺陷的檢測(cè)、定量和定位，目前國家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)平面工件特別是平齊工件做了詳細(xì)的規(guī)定，而對(duì)非平面特別是非平齊工件并未涉及。本文針對(duì)實(shí)際工作中的非平面工件TOFD檢測(cè)特點(diǎn)進(jìn)行了分析并對(duì)檢測(cè)過程中PCS的計(jì)算提出了自己的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：不等厚；對(duì)接焊縫；TOFD檢測(cè)；PCS計(jì)算

中圖分類號(hào)：TG441.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）12-0045-02

1 前言

TOFD（Time of Flight Diffraction）檢測(cè)通常對(duì)于全焊透結(jié)構(gòu)的母材為低碳鋼或低合金鋼的焊接接頭，且母材（工件）公稱厚度t在12mm-400mm的焊接接頭兩側(cè)母材公稱厚度相同或不同時(shí)的檢測(cè)。TOFD（Time of Flight Diffraction）檢測(cè)是采用一發(fā)一收探頭對(duì)工作模式、主要利用缺陷端點(diǎn)的衍射波信號(hào)探測(cè)和測(cè)定缺陷尺寸的一種超聲檢測(cè)方法。其基本原理是通常采用兩個(gè)分離的的寬帶窄脈沖縱波斜入射探頭相對(duì)排列在焊接接頭兩側(cè)，由發(fā)射探頭發(fā)射的超聲縱波在焊縫的截面較大范圍內(nèi)擴(kuò)散，一部分沿表面到達(dá)另一探頭接收，該路徑是一發(fā)一收兩只探頭的最短距離，也是第一個(gè)被接收到的脈沖；另一部分縱波脈沖到達(dá)焊縫的底部，被底面反射回來，到達(dá)另一接收探頭形成底面反射波；超聲縱波在焊縫中間如果遇到缺陷，在缺陷的入射正面產(chǎn)生反射波，在缺陷的邊緣則產(chǎn)生衍射波，而衍射波基本是沒有方向性，大多數(shù)都能被另一接收探頭接收到，所以超聲波的傳播基本上在直通波和底面反射波之間[1]。

2 工藝研究

在TOFD技術(shù)中，通常采用光標(biāo)對(duì)信號(hào)位置或信號(hào)傳輸時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。所用的光標(biāo)工具有兩種，一種是十字光標(biāo)，用來測(cè)量A掃信號(hào)中的數(shù)據(jù)，另外一種是拋物線光標(biāo)，用于從D掃圖中測(cè)量數(shù)據(jù)。對(duì)于平板焊縫之類幾何形狀比較簡(jiǎn)單的工件，信號(hào)位置的測(cè)量通常包括三個(gè)參數(shù)：平行焊縫方向上距離掃查起始點(diǎn)的距離（X），以及垂直焊縫方向的橫向距離（Y），距離檢測(cè)面的深度（Z）、為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，在非平行掃查中，需要確定掃查的起始點(diǎn)和掃查的基準(zhǔn)線[2]。執(zhí)行TOFD掃查最常見的方式叫做非平行掃查。這種掃查方式，探頭的移動(dòng)方向是沿著焊縫方向，垂直于聲束的方向。它適用于焊縫的快速檢測(cè)，而且常常在單一通道時(shí)使用。非平行掃查的結(jié)果稱為D掃描（D-scan），它顯示的圖像是沿著焊縫中心剖開的截面。由于兩個(gè)探頭對(duì)稱布置于焊縫的兩側(cè)，掃查發(fā)現(xiàn)缺陷的位置信息（平行焊縫方向上距離掃查起始點(diǎn)的距離（X），以及垂直焊縫方向的橫向距離（Y），距離檢測(cè)面的深度（Z）、以及缺陷偏離焊縫中心線的位置信息）是采用探頭選?。ń嵌?、頻率、晶片尺寸），工件壁厚（分層掃查各層厚度不用）通過設(shè)置時(shí)間窗口及計(jì)算探頭中心距（PCS）通過儀器自帶軟件的計(jì)算得出的。多用在平面（板）焊縫等厚工件的檢測(cè)，而實(shí)際工作中常會(huì)遇見焊縫兩側(cè)不等厚工件的檢測(cè)情況，探頭中心間距 probe centre separation（PCS）的計(jì)算將有所不同，2015年9月1日?qǐng)?zhí)行的NB/T47013《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》中第十部分《衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》NB/T47013.10-2015對(duì)不等厚焊縫的檢測(cè)只對(duì)底面平齊的對(duì)接接頭結(jié)構(gòu)，分削邊處理和不削邊處理兩種結(jié)構(gòu)的對(duì)比試塊和檢測(cè)方法進(jìn)行闡述，對(duì)雙面不平齊的對(duì)接接頭結(jié)構(gòu)的對(duì)比試塊要求制作相同厚度和結(jié)構(gòu)形式的對(duì)比試塊，側(cè)孔的設(shè)置應(yīng)滿足其他結(jié)構(gòu)形式的對(duì)比試塊要求，對(duì)實(shí)際工作中常會(huì)遇見焊縫兩側(cè)不等厚工件的檢測(cè)情況，如不等厚焊縫的檢測(cè)包括非平面工件的對(duì)接、法蘭與筒節(jié)的對(duì)接、錐體與筒節(jié)的對(duì)接、以及筒節(jié)或管道的縱縫等探頭中心間距probe centre separation（PCS）的計(jì)算未有提及到，所以在實(shí)際操作工藝驗(yàn)證中，探頭中心間距（PCS）需要實(shí)際檢測(cè)計(jì)算得到，并且該距離大小會(huì)影響缺陷定位[3]。

不等厚焊縫的檢測(cè)包括非平面工件的對(duì)接、法蘭與筒節(jié)的對(duì)接、錐體與筒節(jié)的對(duì)接、以及筒節(jié)或管道的縱縫等諸多情況（如下列圖1-4所示）。

通過檢測(cè)實(shí)踐，探頭（probe）置于平面，并且沿焊縫中心線對(duì)稱放置（類似于非平行掃查 non-parallel scan）時(shí)聲束焦點(diǎn)位置將不與焊縫中心線重合；探頭（probe）置于平面，其聲束焦點(diǎn)位于焊縫中心線時(shí)探頭（probe）的位置將發(fā)生變化[4]。同理，探頭（probe）置于坡口斜面，并且沿焊縫中心線對(duì)稱放置（類似于非平行掃查 non-parallel scan）時(shí)聲束焦點(diǎn)位置將不與焊縫中心線重合；探頭（probe）置于坡口斜面，其聲束焦點(diǎn)位于焊縫中心線時(shí)探頭（probe）的位置將發(fā)生變化。探頭（probe）放置不同的聲束焦點(diǎn)位置與焊縫中心線的相對(duì)位置仿真圖如圖5-6所示。

通過簡(jiǎn)單的三角計(jì)算可知，圖7所示，探頭（probe）放置在較厚一側(cè)母材平面上，探頭中心間距 probe centre separation（PCS）的計(jì)算如下：

同理，圖8所示，探頭（probe）放置在較厚側(cè)母材削邊坡面上，探頭中心間距 probe centre separation（PCS）的計(jì)算如下：

3 結(jié)語

在不等厚工件進(jìn)行TOFD檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析測(cè)量時(shí)，由于兩個(gè)探頭不在同一水平平面上，且實(shí)際PCS中心與焊縫中心線也不再重合，目前TOFD軟件還沒有此類變量的設(shè)置，直接利用軟件測(cè)量會(huì)存在一定的測(cè)量誤差。因此，實(shí)際測(cè)量此類數(shù)據(jù)時(shí)，一般可以采用直通波與底波兩點(diǎn)校準(zhǔn)的方法，固定工件聲速和楔塊的延遲時(shí)間，重新計(jì)算一個(gè)虛擬的PCS值（參考值），以此來測(cè)量缺陷深度位置，可以減小部分誤差值，如果再能考慮實(shí)際PCS中心與焊縫中心線位置的偏移量，重新人工計(jì)算缺陷深度位置，還能減小部分誤差值，測(cè)量結(jié)果會(huì)更接近實(shí)際值。

參考文獻(xiàn)

[1]TSG 21-2016.固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[2]NB/T47013.10-2015.承壓設(shè)備無損檢測(cè)第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)[S].

[3]謝鐵軍，壽比南，王曉雷，李軍.《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》釋義[Z].新華出版社，2010.12.

[4]強(qiáng)天鵬.衍射時(shí)差法TOFD超聲檢測(cè)技術(shù)（2012年版）[Z].2012.05.