（1.国电科学技术研究院；2.东北电力科学技术研究院金属所 辽宁沈阳 110001）
摘要：TOFD检测技术对于初学者的难点是图谱的识别和判读。针对TOFD检测图谱中纵波检测区域的缺陷和与之对应的波形转换区的缺陷结合检测实例进行展示和分析，找到波形转换区域的缺陷对TOFD检测技术是对图谱的识别和判读的一种辅助手段，从而正确识别和测定缺陷，避免漏判及误判。
关键词：TOFD检测；波形转换；缺陷信号；图谱
Abstract:TOFD Detection technology is the recognition and interpretation of the difficulty for beginners. According to the longitudinal wave TOFD detection of defect detection area and the corresponding waveform conversion area defects in combination with the actual test and display and analysis, find the defect waveform conversion region is an auxiliary means for the identification and interpretation of the TOFD detection technology, thus correct identification and determination of defect, avoid omission and miscalculation.
Keywords: TOFD; conversion; defect of signal
TOFD技术是一种依靠缺陷的端角和端点处得到的衍射能量来确定缺陷的方法，也叫裂纹端点衍射法或尖端反射法，是通过缺陷端部产生的衍射信号之间的时间差来实现确定缺陷位置和进行定量的无损检测技术。由于是基于衍射方法进行检测，因此不仅可以对垂直性缺陷进行检测，而且还可以对其高度进行准确的定量，可以代替X射线，具有比常规脉冲回波检测技术更大的优越性。新的《压力容器安全技术监察规程》已经把TOFD技术列入正式条文，成为与常规超声波检测与射线检测一样重要的无损检测方法。与X射线检测技术相比，TOFD检测方法更为直接，无需更多的安全防范措施，并能检测出X射线无法检测到的缺陷（比如层间未熔合等缺陷）。与传统超声波方法比较，TOFD检测更快捷、准确度高、可重复性更好等特点。TOFD技术应用难点之一是图像的识别判读比较困难，需要较深的理论基础和丰富的实践经验，如果检查参数的选择不当和对扫描图像的分析不是很清楚，非常容易误判。
1TOFD检测技术超声波波形分析
由于TOFD检测是以超生波信号传输时差来确定缺陷深度与长度的，而超声波的传输时间与传播的距离与声速密切相关的，因此声速必须有唯一性才能正确计算缺陷的位置、深度、和长度。超声波探头产生的纵波通常称作压缩波，如果波以一定的角度进入金属，则其在金属中发生折射并产纵波和横波，这两种波的折射角度取决于两种波在金属中的传播速度和纵波在楔块材料中的传播速度。横波通过周期性的剪切力传播，它只能在像金属这种具有剪切弹性的材料中存在。液体不具有剪切力。通常采用超声波检测金属材料的频率范围在2MHz至5MHz之间。频率相对的波长可以通过以下公式得出：
速度（c）=波长（λ）.频率（f）
波速的单位通常是m/s,在钢中，纵波传播速度是5950m/s，横波的传播速度是3230m/s。因为探头的频率单位是MHz（在TOFD技术中，时间的单位是微秒），所以速度的单位采用mm/μs更为方便，纵波声速5.95mm/μs，横波声速为3.23 mm/μs，由于纵波的传播速度几乎是横波的两倍，通常情况下横波信号总是远远落后于纵波信号，直通波和底面纵波之间的时间窗口只有纵波信号，声速具有唯一性，可以正确计算深度、长度，此窗口称为纵波检测窗口。由于探头发出的纵波在钢中会发生折射、反射和衍射，在折射、反射和衍射过程中会产生纵波变横波或横波变纵波的波形转换，在某些特殊情况下，在纵波的底面反射信号之后出现一个相当大的信号，这种信号时底面横波信号。在底面纵波和底面横波信号之间还会产生由于缺陷进行波形转换后形成的横波，其达到接收探头的时间比纵波底面反射波时间长。
在这个区域收集到的信号通常很有价值，因为如果试件中存在缺陷，且缺陷位置在波形转换后横波声场内，那么横波信号也会检测到该缺陷，这样在变形波区域内也会有缺陷显示对于带角度的横波而言，频率是纵波的一半，发现小缺陷的能力更强。
如图1、图2所示，TOFD检测主要观察的是纵波检测窗口，也就是直通波（A信号）与纵波底面反射之间的信号(B信号)，以确定是否有缺陷并确定大小。但是如果缺陷的形状方向都不是理想状态下的时候，各种波的位置有可能发生变化，那么在A与B之间的信号可能很弱或者很小，可能导致对危险性缺陷的误判或者放过合格。上面谈到变形横波的的优点可以使其在变形区域观察。不至于对危险性缺陷的漏检、误判。
各种信号的传输时间
为了方便起见，缺陷反射波简写成C、变形波缺陷信号简写成D。
计算如下公式表达：
通过上述时间公式中可以看出Pcs选值的大小直接影响超声波声束在被检物件中的传输时间。对一般规范推荐的最佳检测设置其取值是波束中心焦距在被检物件厚度的三分之二处，即Pcs=4/3tanβ。在上述时间公式中看出当h=T时t 值大小与 t 值很接近，这时变形缺陷波在变形波区域就很难发现甚至于底面波重合。这里我们重点讨论h<T的值。
1TOFD实际检测变形波检测实例分析
以下几个图谱是我们在几个发电厂管道焊缝TOFD检测实例图谱，现场为了验证TOFD采集的图谱在波形转换区域的缺陷显示是否为比较大缺陷，现场采取对采集图谱缺陷区域进行了射线检测，对采集的图谱与射线底片的实际对比，图3为裂纹类缺陷，是二维空间的面性缺陷，一般宽度很小，在TOFD成像中队垂直的裂纹有相当高的发现灵敏度，上下端点图像清晰，两端点信号较弱，中部信号较强；图4为侧壁未融合缺陷，位于焊缝的融合熔合线位置，在TOFD图谱上亦有长度方向显示，且上下端点图形不平滑，呈波浪状或锯齿状；图5在射线底片上看到焊缝上有两个明显的未焊透缺陷，在TOFD图谱亦有清晰的图形显示；
图6在图谱纵波观察区上两处均为裂纹，现场为验证波形转换区域的图谱反射信号是否是重大缺陷，我们在现场选择了图6中右侧比较大的缺陷进行了焊缝跟踪解刨，在挖到指定的深度位置的时候我们用渗透检测进行了验证，在现场我们发现这是一处裂纹缺陷，裂纹长度与距焊缝上表面的深度与我们在图谱纵波观察区所测得的数据基本一致。而且我们还没有进行焊缝解刨之前，我们对于缺陷还是不能定性，只是知道这个缺陷很大。
图6 两处均为——裂纹
通过上述某发电厂焊缝TOFD检验图谱与射线的对比及现场焊缝的实际解剖，我们可以看出，对于一些危险性缺陷在观察区显示非常清晰，在波形转换区域显示也是非常清晰的，如果单单依照TOFD的检测标准来作为评判依据，对于刚刚接触TOFD检测的人员，如果经验不是十分丰富，不能准确的进行缺陷定性，并且这些危险性缺陷在纵波观察区所反映出来的长度小于标准规定的大小，分析人员可能将此缺陷放掉，认为这些缺陷是合格的，这样会对设备的安全带来很多隐患。所以我们在实际评判的过程中要参考波形转换区的缺陷显示，对初学者在评判缺陷时作为补充和参考，避免漏判误判。
4总结
在TOFD检测主要采用的是纵波而不是横波，主要目的是由于纵波速度大大快于横波，纵波扩散角比横波大，但是在图谱评判过程中，在分析过程中如果不能准确的判断缺陷的类型及性质的时候，我们需要谨慎小心，需要一个辅助的方法来判断缺陷的实际情况。在TOFD检测的图谱中变形波区的变形缺陷波则是我们参考的唯一目标，因为在这个区域收集到的信号通常很有价值，因为经过较长的时间后，真正的缺陷会再次出现，对于带角度的横波而言，频率是纵波的一半，则小缺陷可以得到检测，对于一定尺寸和频率的晶片产生的横波波束扩散较少且波束强度集中，则对缺陷尺寸测量比纵波更准确，而经过横波的扩散后近表面的信号变得更加清晰，避免误判，减少事故发生几率，保证企业的安全生产。
参考文献
[1]超声时差衍射法（TOFD）教程.李智军.
[2]现代无损检测与评价.李国华.吴淼.
论文作者:周闯,董伟
论文发表刊物:《电力设备》2016年第10期
论文发表时间:2016/7/25
标签：纵波论文; 缺陷论文; 信号论文; 图谱论文; 波形论文; 横波论文; 底面论文; 《电力设备》2016年第10期论文;