TOFD超聲成像檢測技術(shù)在壓力容器檢驗中的應用

程康，李海明，徐海亮

淄博市特種設備檢驗研究院，山東淄博，255000

0 引言

壓力容器在很多行業(yè)都有廣泛的應用，而為了保證壓力容器的使用安全與穩(wěn)定性，需要對壓力容器實施無損檢測，通過檢測知曉不同壓力容器的實際狀況，便于確定壓力容器是否還能正常使用[1]。壓力容器檢測中既要保證檢測方法的使用不會對壓力容器造成影響，又要較好地顯示壓力容器可能存在的缺陷，提高檢測的靈敏度與檢測效率[2]。TOFD超聲成像檢測技術(shù)作為一種無損檢測方法，其在壓力容器檢測方面有重要應用，本文結(jié)合自身工作經(jīng)驗，對TOFD超聲成像檢測技術(shù)在壓力容器檢驗中的應用予以分析，旨在更好地指導壓力容器檢驗中TOFD超聲成像檢測技術(shù)的合理使用。

1 TOFD超聲成像檢測技術(shù)概述

TOFD是Time Of Flight Diffraction的簡稱，即超聲波衍射時差法，其屬于一種新型無損檢測技術(shù)，也是現(xiàn)代超聲檢測技術(shù)中的一種，是特種設備中缺陷檢測、定量、定位的重要方法之一。TOFD技術(shù)在應用期間，對待檢試件內(nèi)部進行檢測，當設備結(jié)構(gòu)中存在缺陷的情況下，將從其“端角”“端點”位置處獲取的衍射能量作為檢測缺陷的重要依據(jù)[3]。通俗地講，TOFD超聲成像檢測技術(shù)在對容器內(nèi)部進行超聲檢測時，當容器內(nèi)存在缺陷時，超聲波會在缺陷的尖端發(fā)生疊加，使得正常反射波中存在衍射波。檢測人員根據(jù)探頭探測到的衍射波具體情況，作為容器內(nèi)部缺陷位置、大小、深度判斷的重要依據(jù)。盡管現(xiàn)階段壓力容器檢測中可使用的方法較多，但是TOFD超聲成像檢測技術(shù)在壓力容器檢測中具有重要的應用價值，使其得到重要應用。

TOFD超聲成像檢測技術(shù)在壓力容器檢驗中的應用存在一定的優(yōu)勢，其在使用期間衍射波信號的靈敏度較高，有效地保證了壓力容器中缺陷的檢出；檢測過程中效率更高，通過合理布置一發(fā)一收探頭，可更快地獲取檢測信號，分析后，其可作為壓力容器檢測缺陷判斷的依據(jù)；通過衍射時差計算方法，可保證壓力容器中缺陷位置的精準定位；檢測過程中受到相關(guān)因素的影響較小，保證了檢測結(jié)果的可靠性與穩(wěn)定性；衍射波較高的靈敏度也使得在壓力容器實際檢測中相關(guān)缺陷的漏診率更低，可以更好地對壓力容器做綜合評價。除此之外，TOFD超聲成像檢測技術(shù)還具有成本低、檢測方式更加靈活、檢測安全性高及對工作人員無傷害等優(yōu)勢[4]。上述均為TOFD超聲成像檢測技術(shù)在壓力容器檢測中得到重要應用的原因。實際上TOFD超聲成像檢測技術(shù)在壓力容器檢測中也存在一定的局限性，該檢測技術(shù)具有較高的靈敏度，很容易在檢測中造成某些良性缺陷的夸大；同時該方法在具體應用中有檢測盲區(qū)的存在，這些可能會對實際檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。

2 TOFD超聲成像檢測技術(shù)在壓力容器檢驗中的應用

TOFD超聲成像檢測技術(shù)在壓力容器檢驗中，需要滿足相關(guān)要求，同時在檢測期間需要按照流程進行操作，以保證壓力容器檢測的可靠性。

2.1 知曉待測壓力容器的相關(guān)要求

為保證TOFD超聲成像檢測技術(shù)在壓力容器檢測中應用的準確性，具體檢測之前需要對壓力容器實施預處理，即通過有效處理使其滿足檢測要求，保證檢測結(jié)果的可靠性。壓力容器檢測前需要保證清潔度，比如其內(nèi)部表面不能殘留因為焊接而留下的飛濺物，外部不應有附著物，針對容器表層存在的雜物、土層等應有效消除，避免TOFD超聲成像檢測技術(shù)在高靈敏度下可能造成的缺陷夸大問題。根據(jù)壓力容器的具體情況，合理選擇介質(zhì)作為耦合劑。壓力容器耦合劑選擇需要注意以下問題：介質(zhì)材料應適合待檢壓力容器，同時介質(zhì)材料不會因環(huán)境因素影響發(fā)生失效。滿足上述要求的介質(zhì)材料方可達到耦合效果。根據(jù)實際應用情況，軟膏、水、油料等均屬于應用較廣的耦合劑。根據(jù)壓力容器實際情況，在某些情況下為了保證檢測效率，減小誤差，還可以加入其他材料。根據(jù)實際情況在檢測前應做好溫度控制，通常溫度需要控制在0～50℃，避免溫度對壓力容器產(chǎn)生影響[5]。如果超過上述溫度，在對壓力容器檢測中需要選擇特殊的耦合劑、探頭等。

2.2 準備好檢測儀器

TOFD超聲成像檢測技術(shù)在壓力容器檢驗中需要準備好相關(guān)的檢查儀器，發(fā)揮不同儀器設備的作用，以保證壓力容器檢測結(jié)果的可靠性。檢查儀器需要滿足超聲發(fā)射與接收要求，同時可自動完成數(shù)據(jù)采集、記錄、分析與顯示。準備好所需要使用的檢測儀器，能夠通過儀器保證檢測結(jié)果可靠性，同時提高檢測速度，節(jié)約人力成本。前期準備工作中也需要重視探頭的準備工作，即要求選擇合適的探頭，具體探頭的選擇應結(jié)合不同壓力容器的具體情況而定。如果壓力容器厚度≤7.5cm，檢測中可使用單探頭；如果壓力容器的厚度＞7.5cm，可通過設置多個檢測通道與組合探頭，便于多角度實施壓力容器檢測，提高檢測準確性。從壓力容器的實際應用方面分析，目前化工企業(yè)所使用的壓力容器厚度通常均超過7.5cm，所以在檢測中需要使用組合探頭，并根據(jù)具體的壓力容器，合理調(diào)整探頭的中心距[6]。

2.3 檢測儀校準與參數(shù)調(diào)整

檢測儀的準確性與性能在檢驗中發(fā)揮著重要作用，因而在使用前需要對檢測儀校準。探頭在使用期間也存在一定的參數(shù)要求，應對探頭的不同參數(shù)進行合理調(diào)整，如晶片規(guī)格、發(fā)射頻率、放置角度及探頭中心間距等。不同參數(shù)在調(diào)整期間應立足于壓力容器的實際情況，最大程度保證檢測參數(shù)同壓力容器檢測的有效匹配。結(jié)合TOFD超聲成像檢測技術(shù)在壓力容器檢驗中不同參數(shù)的研究分析，在晶片尺寸與探頭中心間距較小的情況下，橫向分辨力、擴散角均較大，而聲場能量較?。辉诰瓷漕l率較高的情況下，對應的反射波長較小，橫向、縱向分辨力較大，噪聲會下降，所能穿透的厚度較??；晶片放置角度較小，則探頭中心間距較小，此時對應誤差較小，分辨力較大；探頭中心間距較小對應的盲區(qū)也越小，因此能夠提高分辨力，提高測量精度。壓力容器檢測中，應具體問題具體分析，結(jié)合不同壓力容器特點，合理確定并調(diào)整相關(guān)參數(shù)，TOFD超聲成像檢測技術(shù)在壓力容器檢驗中通常采取小晶片、高頻率、大角度，保證探頭可更完整地對整個壓力容量內(nèi)部予以掃描，以保證壓力容器檢測結(jié)果的準確性。

TOFD超聲成像檢測技術(shù)在壓力容器檢驗中還需要對其他參數(shù)予以調(diào)整，比如采樣率方面，針對壓力容器外部厚度不足50mm的情況，采樣間距可調(diào)整到1mm，反之，如果壓力容器外部厚度超過50mm，采樣間距則應調(diào)整到2mm。掃描距離設置方面，應綜合所使用檢測設備的具體規(guī)格情況、壓力容器大小等，對掃描距離予以調(diào)整；掃描速度的調(diào)整應考慮耦合劑的選擇，通常從壓力容器內(nèi)部凹曲面開始檢測，并控制好檢測速度，避免太快，這樣可減少表面盲區(qū)，同時可保證壓力容器內(nèi)部檢測的連續(xù)性。

2.4 檢測過程

TOFD超聲成像檢測技術(shù)在壓力容器檢驗應用期間，需要執(zhí)行該檢測技術(shù)的有關(guān)標準，保證操作流程、操作步驟等的合理性與規(guī)范性，提高檢驗過程的科學性。檢測過程中對應的發(fā)射裝置、接收裝置、探頭均應正常運行。壓力容器檢測中耦合劑多選擇水，直通波波幅需要控制在滿屏的40.00%～80.00%。超聲波檢測期間需要順著壓力容器焊接處實施掃描，如果檢測后得到兩個完整的超聲波信號，則提示壓力容器焊接處不存在缺陷。如果檢測后接收到衍射波信號，可通過探頭再次進行檢測，通過檢測后可獲取參數(shù)，作為壓力容器缺陷信息獲取的依據(jù)[7]。

2.5 數(shù)據(jù)分析及其圖像處理

使用TOFD超聲成像檢測技術(shù)對壓力容器進行檢驗，檢測儀會自動采集并完成相關(guān)數(shù)據(jù)記錄，隨即通過計算機完成不同數(shù)據(jù)的分析與處理，并進行圖像重構(gòu)，該圖像可作為壓力容器有無缺陷的憑證。壓力容器中的缺陷依據(jù)形態(tài)不同可分為開口缺陷、埋藏缺陷，其中上表面開口缺陷、下表面開口缺陷、貫穿性開口缺陷均屬于開口缺陷。點狀、線性以及平面型缺陷則均是埋藏缺陷的主要形態(tài)。如果檢測中出現(xiàn)直通波消失，有下尖端衍射存在，則壓力容器存在上表面開口缺陷；如果出現(xiàn)底波反射波消失，存在上尖端衍射，則為下表面開口缺陷；如果是直通波和底面反射波均斷開，則為貫穿性開口缺陷，此類缺陷在圖像分析中應重視其與圖像不連續(xù)性的有效區(qū)分，便于準確地做出判斷。如果是點狀埋藏缺陷，檢測中可見缺陷長度短、高度小，不存在明顯的上下尖端衍射信號，通過孔徑聚焦技術(shù)予以檢測，檢測圖像中有點狀缺陷存在。線狀埋藏缺陷的缺陷高度小、無明顯上下尖端衍射信號，但長度較大。而平面型埋藏缺陷的高度大，存在明顯的上下尖端衍射信號，且兩個信號相位具有反向表現(xiàn)。通常通過圖像處理可更好地指導壓力容器檢測，例如將圖像拉直縮小，有利于提高測量精度。為了提高壓力容器檢測中的圖像信噪比，可選擇孔徑聚焦技術(shù)，對上尖端衍射信號快速定位，明確壓力容器缺陷位置。通過對不同壓力容器中缺陷的分析，預測不同缺陷可能給壓力容器使用所產(chǎn)生的危害，便于針對性地采取干預措施。

3 影響檢驗結(jié)果的固有因素與處理

TOFD超聲成像檢測技術(shù)在壓力容器檢驗中的整體影響因素較少，但是也存在固有因素，通過對這些固有因素的分析，便于更好地指導實際壓力容器檢測，消除相關(guān)的安全隱患。

3.1 38°帶來的影響

TOFD超聲成像檢測技術(shù)的應用原理表明，其需要以衍射信號為基礎(chǔ)，即波在傳播過程中與界面作用而發(fā)生的不同于反射的物理現(xiàn)象。根據(jù)物理學知識，當波在穿過狹縫、小孔等障礙物后會發(fā)生不同程度的彎散傳播。衍射波能夠在不同方向傳播，同時沒有明確的指向，且較反射信號對應的衍射信號更弱，如果波傳播遇到的障礙物端點越尖銳，則衍射越明顯，反之衍射會不明顯。根據(jù)對不同角度下衍射信號波幅的研究分析，當折射角度為65°時，此時上尖端信號和下尖端信號對應的波幅均最大。如果是裂紋下尖端的信號，38°時波幅下降最大，這樣會使得裂紋下尖端信號波幅曲線有兩個峰。通過反復試驗證實，折射角度變化后會引起衍射信號幅度發(fā)生變化，其中45°～80°范圍內(nèi)，衍射信號幅度同折射角度關(guān)系較小，因而要求TOFD超聲成像檢測技術(shù)探頭角度一般控制在45°～70°，這種角度會避開38°這種不利的角度，可確保檢測中衍射信號強度，同樣當角度超過75°后，會增加測量誤差。所以在使用TOFD超聲成像檢測技術(shù)進行壓力容器檢驗中，應避免38°，合理控制探頭角度，合理調(diào)整中心部位距離，以保證壓力容器實際檢測結(jié)果的可靠性。

3.2 檢測盲區(qū)問題

TOFD超聲成像檢測技術(shù)在壓力容器檢測中還存在檢測盲區(qū)問題。結(jié)合實際壓力容器檢測情況，TOFD超聲檢測技術(shù)存在上表面盲區(qū)與下表面盲區(qū)。其中探頭中心間隔距離、探頭帶寬、探頭掃射頻率等會影響上表面盲區(qū)，在保證檢測準確性的條件下，可將直通波脈沖帶寬縮小、探頭中心間距減小，同時增加掃射頻率，有利于消除上表面盲區(qū)。下表面盲區(qū)一方面與底面反射波信號寬度有關(guān)，另一方面則與軸偏離所引起的底面盲區(qū)有關(guān)，針對前者，可增加掃射頻率，同時適當擴大探頭中心間隔距離，以減小盲區(qū)。針對后者引起的盲區(qū)，需要考慮軸偏離的影響因素，比如壓力容器、探頭中心間距等，因而可適當增加探頭中心間距，同時在檢查中還可增加平行掃查方式，這些措施的使用有利于減小盲區(qū)范圍，更好地保證壓力容器檢測結(jié)果的可靠性。

3.3 測量誤差問題

在壓力容器檢驗應用TOFD超聲成像檢測技術(shù)，還需要考慮實際的誤差問題。從理論上分析，TOFD超聲成像檢測技術(shù)在檢測過程中的測量精度可達到0.1個波長，事實上在相關(guān)檢測過程中，還存在一定的客觀影響因素，使得實際檢測難以達到理想狀態(tài)。部分研究資料講述，TOFD超聲成像檢測技術(shù)在應用期間，不同位置、不同角度所產(chǎn)生的測量誤差不同，因此為了降低該技術(shù)在實際應用中的誤差，需要在具體應用中針對主要參數(shù)做調(diào)整與優(yōu)化，比如調(diào)整探頭中心間隔距離進行、處理檢測面平整度、控制軸偏移度、調(diào)整入射點角度等，利用多種參數(shù)的優(yōu)化，保證檢測結(jié)果的準確性，降低檢測誤差。

4 TOFD超聲成像檢測技術(shù)的創(chuàng)新測試

石油化工等行業(yè)所使用的壓力容器類型較多，需要遵循具體問題具體分析的原則，針對不同壓力容器應用TOFD超聲成像檢測技術(shù)采取的檢測方法不同。實際上因為壓力容器本身材料在更新，同時不同壓力容器的制造材料與工藝等也會有所不同，這就要求應用TOFD超聲成像檢測技術(shù)對壓力容器進行檢測應靈活調(diào)整方法，避免使用相同方法對不同壓力容器進行檢測。通過檢測技術(shù)檢測方法的創(chuàng)新，可更好地發(fā)揮TOFD超聲成像檢測技術(shù)優(yōu)勢，保證檢測結(jié)果的可靠性，避免使用不合格的方法造成壓力容器檢測結(jié)果的不可靠。關(guān)于TOFD超聲成像檢測技術(shù)的創(chuàng)新測試，需要在具體工作中不斷總結(jié)經(jīng)驗，分析不同缺陷的具體成像特點，整理使用不同方法與不同參數(shù)對應的檢測資料等，以便更靈活地開展壓力容器檢測工作。

5 結(jié)語

壓力容器檢測中，TOFD超聲成像檢測技術(shù)在檢測效率、檢測精度等方面均有優(yōu)勢，檢測過程中的影響因素更少。TOFD超聲成像檢測技術(shù)在具體應用中應重視對固有因素的處理，提高檢測精準度。合理進行檢測參數(shù)調(diào)整與優(yōu)化，可確保整體檢測結(jié)果的可靠性，從而更好地為壓力容器的安全應用提供參考。