长沙TOFD课件--学员

衍射时差法超声检测技术(TOFD技术）张平2016年5月25日衍射时差技术TOFD发展简史衍射现象基本原理基础知识优点和局限性第一章TOFD技术的基本知识1.1TOFD技术的发展历史和衍射基本原理1.1.1TOFD技术的发展历史TOFD----衍射时差法超声检测技术（TimeofFlightDiffractionTechnique）英文称TOFD技术也叫“裂纹端点衍射法”或“尖端反射法”什么是TOFD?衍射时差法(TOFD)是一种依靠从从被检工件内部结构（主要是指缺陷）的“端角”和“端点”处相互作用后，而发出的衍射波检测缺陷（对缺陷进行定位、定量）的一种方法。定义：TOFD技术是一种基于衍射信号能量检测缺陷的无损检测技术。关于TOFD的不同翻译中文翻译为—衍射时差法超声检测技术GB/T12604.1:2005（等同ISO5577:2000）翻译为—衍射声时物理学术语翻译为—衍射渡越时间发射探头接收探头直通波裂纹衍射波底面反射横波dD2S1.1.1TOFD技术的发展历史缺陷的衍射信号与哪些因素无关？1、与衍射信号的角度无关2、与衍射信号的幅度无关因为衍射信号与角度和振幅无关，所以，TOFD技术在原理和方法上与传统脉冲反射超声波检测技术有根本性的区别。1.1.1TOFD技术的发展历史在模拟仪器上应用TOFD仪器的困难是：超声波信号不能记录，无法进行计算，无法显示图像，只能显示一条A扫信号。在简单数字仪器上应用TOFD仪器的困难是：超声波信号不能记录，无法显示图像。1.1.1TOFD技术的发展历史TOFD技术发展历程A、从上世纪七十年代中期由UKAEAHarwell发现的定量很准–成为了一种标准的定量技术——摸索、完善、装备研发阶段，经历了约10年的时间。B、在九十年代初，线形开始——开始应用TOFD用于管线；C、从20世纪九十年代到21世纪初——大规模应用推广阶段；大约又经过10年的时间，功能强大的便携式TOFD仪器问世。单独使用TOFD的检出率很高。1.1.1TOFD技术的发展历史TOFD技术得以推广应用的先决条件：数字技术：是计算机技术、多媒体技术、智能技术和信息技术的基础计算机技术：快速处理大量数据压电复合材料：可用于相控阵探头、TOFD探头和高性能常规脉冲超声探头1.1.1TOFD技术的发展历史TOFD仪器性能：1、更宽的接收放大系统频带2、更快的数字化采样频率3、更高的信号处理速度4、更大的存储量1.1.1TOFD技术的发展历史一、TOFD技术在我国的应用情况TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》于2009年12月1日起施行，做出如下规定：4.5无损检测4.5.1无损检测人员无损检测人员应当按照相关技术规范进行考核取得相应资格证书后，方能承担与资格证书的种类和技术等级相对应的无损检测工作。1.1.1TOFD技术的发展历史4.5.3压力容器焊接接头无损检测4.5.3.1无损检测方法的选择(1)压力容器的对接接头应当采用射线检测或者超声检测，超声检测包括衍射时差法超声检测（TOFD）、可记录的脉冲反射法超声检测和不可记录的脉冲反射法超声检测；当采用不可记录的脉冲反射法超声检测时，应当采用射线检测或者衍射时差法超声检测做为附加局部检测；1.1.1TOFD技术的发展历史2013年6月1日实施的TSGZ8001-2013《特种设备无损检测人员考核规则》将超声检测分为：A、脉冲反射法超声检测UT（I、II、III）B、衍射时差法超声检测TOFD（I、II、III）C、超声检测检测（自动）UT（AUTO）I、II1.1.1TOFD技术的发展历史三、TOFD检测仪器情况国外产品1、以色列SonotronNDT公司产品Isonic2005型、2008型检测仪2、加拿大R/DTech公司产品OmnisacnMXTOFD检测仪3、美国物理声学公司（PAC）公司4、美国AIS公司NB2000-MC八通道超声波检测设备引进国内国内产品1、武汉中科创新公司于2005年研制了HS800便携式TOFD超声波检测仪，2008年7通道的仪器已经投入了检测市场2、南通友联公司开发了PXUT-900便携式TOFD检测仪，该仪器具有三种操作模式、U盘恢复等优点。1.1.1TOFD技术的发展历史四、TOFD标准的制定情况1、国际标准1993年，英国BS7706标准中规定了用TOFD法进行缺陷定量评价的具体程序和要求。1996年，美国ASME规范在案例2235案例中，明确提出允许使用TOFD取代RT。2000年ASME规范第I卷（动力锅炉）也允许用AUT取代RT，用TOFD法记录焊缝检测结果。2000年欧共体也在原英国标准BS7706：1993基础上，制订了有关焊缝TOFD法检测的现行标准ENV583-6-2000《超声衍射波时差法用于缺陷检出和定量》。2001年，日本制定了NDIS2423：2001超声波衍射时差技术(TOFD)用于缺陷高度测量的方法。1.1.1TOFD技术的发展历史2、国内标准TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》已经将TOFD技术方法纳入正式条文。国家能源局于2010年8月27日发布了NB/T47013.10-2010（JB/T4730.10）第10部分：衍射时差法超声检测，该标准于2010年12月15日实施。2004年中国一重与中国特检院合作编制的第一份企业标准通过全国锅容标委的审查和备案。目前，国内有8个单位拥有TOFD企业标准。1.1.2衍射现象一、衍射定义波在传播路径中遇到障碍物，发生绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象，称为波的衍射。衍射也是波在传输过程中与界面作用而发生的不同于反射的另一种物理现象。裂纹衍射波入射波反射波1.1.2衍射现象裂纹衍射波衍射波入射波反射波裂纹的上下端点都可以产生衍射波。衍射波信号比反射波信号弱得多，向空间的各个方向传播，没有明显的指向性、能量低、衍射方向不取决于入射角。图1.1裂纹端点衍射波示意图1.1.2衍射现象二、惠更斯－菲涅尔原理：缺陷上的每一个点都产生出一个球面子波入射波使缺陷产生振动。1.1.2衍射现象二、惠更斯－菲涅尔原理：惠更斯提出，介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。菲涅尔充实了惠更斯原理，他提出波前上每个面元都可视为子波的波源，在空间某点的振动是所有这些子波在该点产生的相干振动的叠加。1.1.2衍射现象图1.2惠更斯原理的解释裂纹中部的反射波接近平面波，其波阵面由众多子波源反射波叠加构成;裂纹尖端则没有叠加现象发生。定义：尖端独立的子波源发出的超声波即为衍射波。衍射波的重要特点：1、没有明显的方向性2、衍射波强度很弱1.1.2衍射现象2009/2/232009/2/23CopyrightCopyright©©2005LavenderInternational2005LavenderInternationalNDTLtd:emailNDTLtd:[e-mail]@lavender.demon.co.uk88TipDiffractionTipDiffraction20102010--1111--1616CopyrightCopyright©©2005LavenderInternational2005LavenderInternationalNDTLtd:emailNDTLtd:[e-mail]@lavender.demon.co.uk44CornerReflectionCornerReflection2009/2/232009/2/23CopyrightCopyright©©2005LavenderInternational2005LavenderInternationalNDTLtd:emailNDTLtd:[e-mail]@lavender.demon.co.uk1111EchoPatternEchoPatternTimeAmplitudeReflectionTipDiffraction20to24dB1.1.2衍射现象缺陷端点形状对衍射的影响：1、端点越尖锐，衍射特性越明显，2、端点越圆滑，衍射特性越不明显，3、当端点圆半径大于波长（dλ)时，主要体现的是反射特性。1.1.3不同角度下衍射信号波幅的变化裂纹下尖端信号在折射角20°和65°时,波幅曲线出现两个峰；在38°时,波幅下降很大几乎为零。裂纹上尖端信号在0~65°区域单调增大，在65°时波幅达到最大值，从65°~85°单调降低。折射角为65°时，裂纹上、下尖端信号波幅均达到最大值，在45°~80°区间，裂纹下尖端的信号波幅大于上尖端的信号波幅。图1.3衍射波波幅随着角度变化的曲线1.1.3不同角度下衍射信号波幅的变化综上所述1、衍射信号幅度随折射角的变化而变化。2、TOFD技术一般使用45°~70°的探头，避开了38°角度，这就保证衍射信号的强度；因探头角度70°以上时，会增大测量误差，所以，在实际TOFD检测中一般也不使用75°以上的探头。3、由角度变化引起的信号波幅变化不大于6dB。1.1.3不同角度下衍射信号波幅的变化折射角度与衍射波幅度的关系:1、上尖端信号从0~65°单调增大，从65°~85°单调降低，信号波幅最大处于折射角65°。2、下尖端的信号波幅曲线出现两个峰。在20°和65°时波幅达到峰值，信号波幅在38°时，波幅下降到最低。3、在45°~80°区间，裂纹下尖端的信号波幅略大于上尖端的信号波幅。4、在此区间内，由角度变化而引起的信号波幅变化不大于6dB。1.1.4关于TOFD衍射信号的进一步知识1、裂纹相对于两探头中心线偏斜对衍射信号波幅的影响图1.4裂纹相对于两探头中心线偏斜对衍射信号波幅的影响1.1.4关于TOFD衍射信号的进一步知识1、裂纹相对于两探头中心线偏斜对衍射信号波幅的影响研究结果：试验中不断改变两探头中心线与裂纹的夹角，即使裂纹走向与两探头中心线不垂直，对衍射信号波幅不会产生严重影响。1、夹角α由90°→60°时，TOFD衍射信号振幅降低1dB。2、夹角α由60°→45°时，TOFD衍射信号振幅降低6分贝。1.1.4关于TOFD衍射信号的进一步知识1、裂纹相对于两探头中心线偏斜对衍射信号波幅的影响裂纹相对于探头中心线90°裂纹相对于探头中心线135°1.1.4关于TOFD衍射信号的进一步知识2、裂纹相对于探测面倾斜时衍射信号幅度的变化●图的上半部分所示为裂纹衍射的几何布置。下半部为平底孔反射的几何布置，参考反射体是一个直径为3mm平底孔。●在该模型中，衍射信号的振幅是裂纹倾斜角度的函数。倾斜系数Ve以垂直检测表面为基准，Ve＝0对应于缺陷垂直于检测平面。模型中的缺陷是光滑的平面椭圆型裂纹。1.1.4关于TOFD衍射信号的进一步知识2、裂纹相对于探测面倾斜时衍射信号幅度的变化图中显示了当-30°≤Ve≤+30°时衍射波幅度的变化。该图中有很重要的两点：第一点，在相同深度范围内衍射波的波幅与直径为3㎜的平底孔相当；其次，信号随着缺陷倾角增加而加强。第二点，垂直裂纹缺陷的衍射信号幅度最小，当倾角V=90°时会产生一个信号幅度为32dB的最大值。衍射信号幅度随着倾角的增加也随之增加。当V趋近90°时，裂纹如同平底孔那样会形成反射波，两信号比近似等于它们的面积比。计算表明当裂纹倾角为±30°时，衍射信号幅度增加不超过3dB，这表明裂纹方向对衍射时差法检测相对不敏感。图1.6衍射信号幅度随倾斜角度的变化关系1.1.4关于TOFD衍射信号的进一步知识3、裂纹偏离两探头中心时衍射信号幅度的变化在1983年Temple研究了，当裂纹的位置相对于两个探头的位置变化时，衍射信号波幅的变化情况：即使缺陷偏离两个探头之间的对称