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TOFD检测技术中扫查方式与检测盲区的关系

2022-03-21

河南化工 2022年2期
关键词:直通扫查试块

王 迪

(洛阳欣隆工程检测有限公司,河南 洛阳 471012)

0 前言

TOFD技术作为一种较为先进的无损检测技术,可对工件中的缺陷进行很好的定位和定量分析,相比传统检测方法,其具有独特的优点和便捷性。但由于各种原因,缺陷回波的信号被直通回波或底面回波的信号所覆盖,造成所谓的检测盲区[1]。因为检测盲区的存在,使TOFD的发展应用受到一定的限制,并且影响了TOFD的实用性。

石油化工设备在高温高压或者腐蚀条件下工作,无损检测技术应用越来越广泛。超声检测具有无害性、检测灵敏度高、检测速度快等优点,并且可以对工件中的缺陷进行定位和定量。在超声的基础上,衍生出了TOFD检测方法,也随之出现了一系列问题,例如检测盲区。

TOFD检测时,在工件内部距离探头不同距离的地方,由于波束的路程相近,近表面的缺陷回波可能会被直通波或者底面回波所覆盖,造成近表面的检测盲区。而焊接所造成的缺陷如气孔、夹渣,在焊缝凝固过程中上浮到上表面的位置,因此该部位的缺陷不易被检测出来。

检测盲区可以分为直通波盲区、底面回波盲区及轴偏离底面盲区[2]。前两种的形成原因与后者不同。在对各种盲区深度大小的计算过程中,可以发现基本都与探头的间距(PCS)相关,而PCS取决于工件的厚度,因此,工件的厚度影响盲区的大小。随着工件的厚度变化,盲区的大小以及盲区所占工件的比例也在变化,对于较薄的工件,虽然盲区较小,但是其占工件的比例很大;相反,厚的工件,盲区厚度很大,占工件的比例反而减小。因此,无论是厚或是薄的工件,都不能忽视检测盲区的存在。

当缺陷存在于检测盲区时,缺陷无法被检测出来,被检测工件设备在不准确的评价结果下使用,就会酿成事故,所以应尽量避免,由此看来,TOFD检测盲区的研究和处理方法至关重要。只有避免了检测盲区,才能正确地对缺陷进行定位定量的分析,以避免事故。

对于TOFD,其扫查方式决定了波束的传播路径,因此扫查方式对检测盲区的存在可能有某种关系,本课题的研究目的在于找出扫查方式和检测盲区的关系。

1 TOFD超声检测技术的国内应用现状

相比于其他国家,我国对于TOFD的研究开始的较晚,在20世纪末才引入中国,经过一些研究所和公司的研究发展,TOFD得到了一定的实际应用。2004年,TOFD在西气东输工程中大规模应用,而且取得了一定的成绩,由此得到了国内的关注,TOFD在国内也由此开始了快速发展。经过了几年的发展,我国已经较为广泛的应用TOFD技术,并且可以对检测工人进行培训、考核以及授发资格证书。

2015年我国发布最新的NB/T47013.10标准来代替JB/T4730.10,统一了TOFD检测的规范,对TOFD方法进行了具体要求。目前,我国TOFD技术虽然广泛应用于工业生产,但是相比于发达国家,仍有不小的差距,主要表现在成像显示错点、断点避免等方面,因此还需要更为深入的研究。

2 TOFD检测目前存在的问题

目前,TOFD存在的主要问题是检测盲区,检测盲区会影响缺陷的检出率,而检测盲区的存在是由于直通波和底面回波的影响。超声波进入工件中可覆盖大部分空间,但是在不同地方的波束信号强度和频率不同。在远离主声束的近表面缺陷和底面缺陷,声束的频率较低,A扫描图像的脉宽较大,会与直通波信号和底面回波信号连在一起,从而被直通波和底面回波的信号掩盖。在A扫描图上表示为两个波形,即只有直通波和底面回波,缺陷的上下端衍射波便隐藏在直通波和底面回波中。

检测盲区的存在对于缺陷的检出是很大的障碍,为了提高检出率,尽量避免检测盲区,可通过不同扫查方式的结合,使用不同频率的探头对等方法来控制;但是如何彻底避免检测盲区,仍待于有效的方法来解决。另一方面,现在的检测仍需要人为进行操作,但是在以后可与现代的信息技术相结合,减少检测过程中的人为操作,使TOFD技术趋于智能化、自动化,也是TOFD以后的发展方向。

3 实验部分

3.1 实验目的

在扫查方式对轴偏离底面盲区的影响实验中,可以大致了解直通波盲区及轴偏离底面盲区的原因和受影响因素。对于不同的扫查方式,可以通过改变其探头间距等参数来影响盲区的大小或是位置。相比于直通波,轴偏离底面盲区对扫查方式的改变更为敏感,因此,实验主要研究扫查方式对轴偏离底面盲区的影响。

对轴偏离盲区有影响的为非平行扫查和偏置非平行扫查,因为轴偏移量Δx,使得轴偏离底面盲区的位置得以改变。本实验是对标准试块的TOFD检测,通过改变扫查方式及轴偏移量,发现扫查方式对轴偏离底面盲区的关系。

3.2 实验原理

在对轴偏离底面盲区的形成原因分析中,得知以两探头为焦点的椭圆线上,任一点到两探头之间的距离相等,这也使得工件在椭圆线及线下的地方由于底面回波的覆盖,形成盲区。如果人为对探头进行偏移,改变椭圆的位置,使原本在椭圆线或者是线下的缺陷也改变位置,从而到达椭圆线之上,得到反馈信号,这样一来,缺陷就可以被检出。

在标准试块底部上开一个缺陷,在上表面放置探头对,先将探头对对称于缺陷放置,扫查一次,得到结果;向一方向偏移一定量,扫查一次,最后向相反的方向偏移相等的量,再扫查一次,得到结果以后进行对比。在实验过程中,由于最初的扫查缺陷正好位于探头中心线上,所以不需要向不同的方向偏移两次。但是需要注意的一点是,在实际的检测过程中,当缺陷的位置未知或者不在探头的中心线上,要向不同的方向偏移两次,因为在线下的缺陷偏移的过程中,可能会由于方向相反而使缺陷向盲区更深的地方偏移,因此,向不同的方向偏移是为了防止因为方向的错误造成检测不准确。

3.3 实验仪器

OmniScan MX2 TOFD仪器、标准试块800 mm×300 mm×40 mm(底面开有2 mm缺陷)、直尺、记号笔等。

3.4 实验方法步骤

①实验前准备:准备好需要的设备,在标准试块底面开2 mm的缺陷,对试块表面进行清理,对铁锈、油污等会影响检测结果的东西清理掉,保证试块表面无异物干扰检测。

②放置探头对:看准缺陷的位置,用记号笔在试块侧面作好标记,为了更好地表达扫查结果,在作好标记位置向约50 mm处放置探头对,注意此时要将探头对对称于缺陷位置放置。探头对的参数如下:探头频率5 MHz,楔块角度70,探头延迟4.74 μs,PCS55 mm,灵敏度设置直通波40%~60%。③进行扫查:配置好成像仪器后,缓慢匀速地移动探头至有缺陷的一侧,直至探头全部越过缺陷的位置,得到A扫描图像及灰度图。④偏移扫查:在最初固定探头对的位置,向工件一侧偏移5 mm放置探头,重复扫查过程,得到另一个A扫描图及灰度图。

3.5 数据分析

在上述试验之后,得到两次扫查的A扫描图像及灰度图,如图1所示。

图1 两次扫查的A扫描图像及灰度图

从图1可以明显看出,第一次扫查中,在底面回波附近未发现任何缺陷波,但是对同一个位置的扫查,在偏移一定量之后的第二次扫查,可以看出在底面回波附近出现了缺陷波。

两次扫查中,探头的参数及试块表面状态都相同,但是扫查结果不同,由于扫查方式的原因,偏置非平行扫查可以改变轴偏离底面盲区的位置,这才会造成非平行扫查与偏置非平行扫查的结果不同。

4 结论

①直通波盲区。相比于非平行扫查,偏置非平行扫查可使缺陷离开直通波盲区,能否离开的临界条件取决于偏移量和下式:

式中:S为PCS的一半,D为缺陷深度,Δx为轴偏移量,c是声波在材料中的速度,TP是直通波的脉冲时间宽度。

而平行扫查的直通波盲区深度就是理论计算得到的深度值。在对近表面的扫查中,为了防止直通波盲区的影响,建议利用偏置非平行扫查为主要方式,同时辅以平行扫查来进行结果的精确。

②轴偏离底面盲区。偏置非平行扫查可以使得在轴偏离底面盲区的缺陷不被漏检,而非平行扫查不能检测出位于轴偏离盲区正中心的缺陷,平行扫查则没有轴偏离底面盲区。对于底面附近有缺陷的检测,可利用偏置非平行扫查或者是平行扫查来对轴偏离底面盲区的缺陷进行检测。

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