TOFD在管道检测中的应用

TOFD在管道检测中的应用赵洁（昆明理工大学城市学院材料成型及控制工程，云南昆明650051）摘要：自2001年来，TOFD检测技术因其高可靠性、高精度、廉价以及高效的优点，被广泛地应用于国内的锅炉、压力容器和压力管道的检测中。李衍[15]同超声检测技术相比较，TOFD检测技术更适用于对压力容器、锅炉的检测。最后列举了国内TOFD检测技术在用标准，并对其发展趋势作了预测。相信，自主研发的设备及相应关键技术将是国内今后发展的重要方向。近几年,由于TOFD技术可以精确测量平面缺陷在壁厚方向的高度,为设备的可用性评估提供试验数据,韩相勇，姜自安，韩曙光[2]在管道检测方面得到越来越多的应用。实际工程应用中TOFD存在近表面盲区、横向裂纹的检测、管内介质的影响等技术难点,总结了各种技术难点产生的原因及解决方案。指出满足大量现场工况要求的检测设备和数字化超声信号的采集在管道检测中将有良好的发展前景。关键词：TOFD；超声波；管道；无损检测；特点；应用ApplicationofTOFDdetectioninthesphericaltankinEngineeringZhaojieMaterialFormingandcontrolEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnologyCity,Kunming650051,Yunnan,China)ABSTRACT:Since2001,TOFDinspectiontechnologybecauseofitshighreliability,highprecision,lowcostandtheadvantagesofhighefficiency,waswidelyusedindomesticboilers,pressurevesselsandpressurepipinginspection.Comparedwiththeultrasonictestingtechnology,andTOFDinspectiontechnologyismoresuitableforthedetectionofpressurevessels,boilers.FinallylistedthedomesticstandardforTOFDinspectioninandforecastingitsdevelopmenttrend.Believethattheindependentresearchanddevelopmentofequipmentanditskeytechnologyistheimportantdirectionforfuturedevelopment.Inrecentyears,becauseofTOFDtechniquecanprovideanaccuratemeasurementofPlanardefectsinthethicknessdirectionofheight,forusabilityevaluationoftheequipmenttoprovidetestdata,getsmoreandmoreapplicationsinthepipelineinspection.TOFDexistnearthesurfaceinthepracticalapplicationofblindspots,atransversecrackdetection,pipemediumeffectsandothertechnicaldifficulties,andsummarizeseachofthecausesoftechnicalproblemsandsolutions.Thatmeetrequirementsoftestingequipmentanddigitalultrasonicsignalacquisitioninthepipelinewillhavegooddevelopmentprospects.KEYWORDS;TOFD,Ultrasound,Thepipe,Nondestructivetesting,Characteristic,application0引言伊新[14]TOFD检验技术可以对较长管道进行远距离快速检测（如果从一个检测点可扫描到30M管道，该检验技术具有成本低和信息量大的特征。李衍[5]TOFD无损检测技术已经成功应用到特种设备无损检验行业，该技术降低了检测成本，提高了检测效率和腐蚀等缺陷的检出率，通过在特种检测行业的实际应用，对海上平台压力管道和压力容器等的腐蚀监测和对接焊缝检测的缺陷检测效率低和检出率低的问题得到解决。关键词：TOFD；超声波；管道；无损检测；特点；应用1.TOFD定义及检测原理1.1TOFD的定义TOFD”即Timeofflightdiffraction,译成中文是“超声波衍射时差法检测”，刘全利，白世武，李佳[6]TOFD检测技术原理是利用超声波遇到诸如裂纹等的缺陷时，将在缺陷尖端发生迭加到正常反射波上的衍射波，探头探测到衍射波，从而判定缺陷的大小和深度。极大地提高了缺陷检出率。TOFD检验技术具有缺陷检出能力强、缺陷定位精度高、节省设备的制造时间等特点，在检测资料上保证安全，并且可以用数字型式永久保存，恰好弥补了常规超声波检测技术的不足。此技术首先是应用于核工业设备检验，如今在电力、石化、管道、压力容器、钢结构等方面多有应用。王秀，程建政，刘俊[3]常规的超声波探伤技术是脉冲反射式的，利用超声波在缺陷表面的反射波对缺陷进行测量；TOFD技术以缺陷尖端对超声波的作用为基础，利用超声波的反射及绕射原理对金属部件进行检验。与常规UT检测相比，用TOFD技术进行检测，除可显示射频(RF)型波形图外，还可以得到D扫描图像，检测结果更直观。当超声波遇到一个平面缺陷时，在产生正常的反射波的同时。在缺陷的边缘和尖端产生绕射波。这种绕射波在很宽的角度内发散，并且强度非常弱。TOFD利用2个探头(发射探头、接收探头)进行探伤，探头间的距离称作探头间距。TOFD通常使用频率为2—10MHz的纵波探头，这是因为纵波最先到达接收探头，且纵波易发生绕射，同时纵波的应用可以简化接收的波形和结果图形的解释。通常应用的纵波探头(角度为45。、60。和70。)也产生传播速度较慢的横波。横波也产生附加的绕射波，但比纵波产生的绕射波晚到达接收探头。1.2TOFD的技术原理白艳,邢涛[14]超声衍射时差技术（TOFD）是一种依靠从检件工件内部结构，主要是指缺陷的“端角”和“端点”处得到的衍射能量来检测缺陷的方法。衍射现象是TOFD技术采用的基本物理原理。衍射现象的解释：波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象，根据惠更斯原理，媒质上波阵面上的各点，都可以看成是发射子波的波源，其后任意时刻这些子波的包迹，就是该时刻新的波阵面。TOFD技术原理采用一发一收两个宽带窄脉冲探头进行检测，探头相对于焊缝中心线对称布置。发射探头产生非聚焦纵波波束以一定角度入射到被检工件中，其中部分波束沿近表面传播被接收探头接收，部分波束经底面反射后被探头接收。接收探头通过接收缺陷尖端的衍射信号及其时差来确定缺陷的位置和自身高度。记录信号的飞跃时间就可以测量出缺陷的高度，就可以对缺陷进行定量。缺陷尺寸通常是被定义为衍射信号的飞跃时间。1.3TOFD主要检测的缺陷图像信息及特征在实际焊缝对接中，常见的缺陷主要有：气孔，夹渣，未焊透，未熔合，裂纹。2.TOFD的应用2.1TOFD技术在工程中的应用压力管道按其用途分为长输管道、公用管道和工业管道。长输管道主要用于输送石油、天然气和成品油，城市公用管道主要用于输送天然气、煤气和蒸汽，由于长输管道和城市公用管道输送距离长、经过人口稠密的地区、穿越道路与河流等，因此基本上采用埋地的方式，埋深一般在地下0．5～2m，这些管道的直径一般为89—1219mm，壁厚一般为6—30mm．埋地压力管道潜在危险主要分为以下几种：与时间有关的危险，如内腐蚀、外腐蚀、应力腐蚀开裂；固有的危险，如制造、施工过程中产生的缺陷；与时间无关的危险，如第三方破环、外力破坏；其他危害管道安全的潜在危险。胡先龙[7]对埋地压力管道焊缝检测，首先采用快速TOFD功能垂直焊缝平行扫查进行预检，然后采用快速TOFD功能倾斜焊缝平行扫查复查缺陷。2.2TOFD检测技术在电站管道上的应用特点(1)效率高。单组探头检测对焊缝覆盖范围大，只须做线性扫查，无须做锯齿形移动即可完成检测区域内的扫查，是常规超声探伤方法的3～5倍；(2)灵敏度高。衍射波信号具有很高的灵敏度，因此也保证了很高的检出率；(3)精度高。通过衍射时差计算方法，缺陷的高度可被精确的计算出来：(4)漏检少。衍射波具有高灵敏度，通过图象记录完整检测数据．重复性好；(5)数据全。检测的结果立刻就能知道，焊缝的纵断面或横断面的检测图像可以存盘或打印出来，也可随时在电脑上进行分析处理．作为永久的纪录；(6)更安全。对检测人员无任何身体伤害；(7)成本低。无需其它耗材，探头不与工件直接接触(通过契块)，减少了磨损，可在线应用相关的工程评定标准对缺陷进行评定，在对缺陷部位修复时可最大限度的减少不必要的刨开。不影响其它现场工作，减少了检测生产的间隔时间，和其它的一些问题；(8)局限性。灵敏度过高有时会夸大焊缝中的良性缺陷；由于是在管道外表面实施检测，在近表面有检测不到缺陷的盲区：检测人员需要经过专门的培训并积累相应的经验。2.3.ＴＯＦＤ技术在海洋平台压力管道的检测应用海洋石油平台的压力管道和压力容器在长时间服役后，海水中的氧化剂对海上石油平台的压力管道有很强的腐蚀作用，腐蚀现象普遍存在，一旦发生腐蚀失效，会给生产和人员带来巨大损害，需要监控海上设施结构的状况，若采用常规的无损检测技术检验压力管道和压力管线，则要海上平台处于停工状态才可以实施检测工作，这样造成巨大的经济损失，延长了工期，因而提倡对压力管道进行在役检验。在使用ＴＯＦＤ设备对海上平台压力管道进行检测时，检测范围受到塑料或沥青涂料的影响，如果管道在海底，还会受到河床底部沙子的影响；几何结构也会对ＴＯＦＤ检测结果产生影响，曲率的存在会只是衍射信号反馈断层，以致难检测到后面的区域。3.TOFD检测管道工艺及在现场应用陶红燕、张茂桐,郭强[9]在压力管道检测中．利用TOFD检测技术对管道进行了检测，采用与被测管道同规格的管子制做内壁人工刻槽及盲孔的对比试块；在对管道进行检测时，一般管道壁厚均小于50mm，可选用一对纵波斜探头进行一次扫查，探头频率根据厚度不同在3～15MHz范围内选择；探头角度为60。～70。；晶片尺寸为2～6mm：主声束聚焦深度为2／3壁厚。经对管道焊缝检测后．发现常规超声波检测时未能发现的小缺陷在TOFD扫描图中能够清晰地显示出来。此外，通过对带有内壁裂纹的压力管道做TOFD检测和宏观实物对比。可看出直管内壁为细小的龟裂纹。将中间局部内壁裂纹打磨干净后检测(裂纹打磨深度不超过lmm，实物照片如图5所示)，扫描图中能清晰显示有裂纹处的图像。4与传统检测技术的比较孔立峰，李树学，罗光华，杨景标[13]化工行业常用的各种反应、输送、存储设备大都为承压设备，包括锅炉、反应釜、储液槽、催化器、压力管道、夹套设备等，其多采用电弧焊接组装而成。焊接接头的质量好坏直接决定了承压设备的安全程度和寿命长短。目前，对焊缝接头的典型检测手段是射线检测，利用人眼看不到的x射线或^y射线对被检焊缝进行照相，焊缝内部缺陷的影像就会呈现在底片上。其工作方式类似于我们日常用的照相机，由于没有深度信息，所以只能对缺陷的长度和宽度做出测量，无法测量深度。焊缝内部缺陷的另一种检测手段是传统超声检测，多以脉冲波反射法，比如横波斜探头法，对缺陷反射回波的强度进行比较。由于横波只能在固体和液体中传播，而缺陷内部多有空穴或气体薄膜，会阻挡横波传播，所以超声检测只能对缺陷的长度和深度做出测量，无法测量宽度。5．TOFD技术的优点、缺点5.1优点(1)操作者可实时分析焊缝图像。也可打印和存盘,实现检