TOFD檢測(cè)技術(shù)起源于英國(guó)的Harwell實(shí)驗(yàn)室，最早作為一種缺陷精確定量的工具應(yīng)用在英國(guó)的核電領(lǐng)域。隨著TOFD檢測(cè)技術(shù)的逐步成熟，其檢測(cè)速度快、不受缺陷走向影響等優(yōu)點(diǎn)也逐漸被熟知，進(jìn)而發(fā)展為一項(xiàng)獨(dú)立的超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)出了不少針對(duì)焊縫的TOFD檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，比較有代表性的有ISO 10863-2020《焊縫無(wú)損檢測(cè)-超聲檢測(cè)-衍射時(shí)差法技術(shù)》、ISO 15626-2018《焊縫無(wú)損檢測(cè)技術(shù)-衍射時(shí)差法技術(shù)-驗(yàn)收等級(jí)》、ASTM E2373-2004《超聲波衍射時(shí)差技術(shù)》、ASME BPVC CC BPV-2015《超聲檢查代替射線照相術(shù)的應(yīng)用》、NB/T 47013.10-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》、GB/T 41115-2021《焊縫無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)衍射時(shí)差技術(shù)(TOFD)的應(yīng)用》、GB/T 41116-2021《焊縫無(wú)損檢測(cè)衍射時(shí)差技術(shù)(TOFD)驗(yàn)收等級(jí)》等。

然而，ISO標(biāo)準(zhǔn)及GB標(biāo)準(zhǔn)更多表述的是技術(shù)本身。ISO 16828-2012和GB/T 23902-2021標(biāo)準(zhǔn)中，都提到了TOFD檢測(cè)時(shí)的上下表面盲區(qū)、空間分辨力、定位誤差等問(wèn)題，但沒(méi)有明確其對(duì)實(shí)際應(yīng)用的影響程度及其補(bǔ)充措施。在ISO 10863-2020以及GB/T 41115-2021標(biāo)準(zhǔn)中，也只對(duì)焊縫檢測(cè)時(shí)的通用工藝做了規(guī)定，并未詳細(xì)明確各工藝條件下TOFD技術(shù)中檢測(cè)能力不足的區(qū)域。

作為國(guó)內(nèi)影響力較大的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，NB/T 47013.10-2015標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)描述了TOFD檢測(cè)所需達(dá)到的最小覆蓋范圍，即要求掃查面盲區(qū)及底面盲區(qū)均小于1 mm，當(dāng)掃查面盲區(qū)不能達(dá)到上述要求時(shí)建議輔以超聲脈沖反射法予以補(bǔ)充檢測(cè);同時(shí)，提出了盲區(qū)測(cè)試試塊，用以判斷掃查面盲區(qū)的真實(shí)范圍，增加了TOFD檢測(cè)方法的實(shí)用性及可操作性。但略有遺憾的是，NB/T 47013.10-2015標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)空間分辨力帶來(lái)的影響做出進(jìn)一步的規(guī)定。

一、TOFD技術(shù)空間分辨力及其影響

與掃查面盲區(qū)類似，空間分辨力的局限性主要源于信號(hào)的占寬，不同的是掃查面盲區(qū)源于直通波信號(hào)的占寬，而空間分辨力的局限性主要源于缺陷上端信號(hào)的占寬，空間分辨力限制的產(chǎn)生原理如圖1所示。

圖1空間分辨力限制的產(chǎn)生原理示意

t0，t1，t2分別為直通波、缺陷上端點(diǎn)、缺陷下端點(diǎn)信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間

由圖1可見(jiàn)，當(dāng)缺陷下端信號(hào)對(duì)應(yīng)的出現(xiàn)時(shí)間t2位于上端信號(hào)持續(xù)時(shí)間之內(nèi)時(shí)，缺陷上端信號(hào)和下端信號(hào)將發(fā)生混疊，檢測(cè)人員無(wú)法順利分辨出缺陷的上下端，進(jìn)而無(wú)法順利對(duì)缺陷的高度進(jìn)行分析。

由于TOFD檢測(cè)不以缺陷波高作為缺陷大小評(píng)判的依據(jù)，準(zhǔn)確地說(shuō)，由于TOFD檢測(cè)時(shí)的衍射波波幅與缺陷實(shí)際尺寸之間不存在相關(guān)性，故不能以缺陷波高作為缺陷大小評(píng)判的依據(jù)。所以，目前使用TOFD技術(shù)時(shí)，只能采用基于缺陷長(zhǎng)度和缺陷自身高度的缺陷評(píng)定方法。

部分TOFD驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中的驗(yàn)收要求如表1所示，表中所列數(shù)據(jù)均為標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)的I級(jí)驗(yàn)收要求。以ISO 15626-2018標(biāo)準(zhǔn)中的1級(jí)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為例，當(dāng)焊縫母材厚度為15~50 mm時(shí)，如埋藏型缺陷的自身高度h3大于3 mm，則該缺陷應(yīng)予以拒收;若缺陷自身高度h1小于1 mm，該缺陷可以不予考慮。我國(guó)NB/T 47013.10-2015標(biāo)準(zhǔn)中也有類似的表述及要求，但增加了累計(jì)長(zhǎng)度的要求。這就意味著在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，應(yīng)至少能夠在需要關(guān)注的區(qū)域準(zhǔn)確測(cè)量出自身高度大于1 mm的缺陷。換言之，在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的任何位置，都應(yīng)能區(qū)分自身高度大于1 mm缺陷的上下端信號(hào)。否則，在分辨力不足的區(qū)域，雖然能發(fā)現(xiàn)缺陷，卻無(wú)法對(duì)缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和判斷，也就無(wú)法按照驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該區(qū)域內(nèi)缺陷進(jìn)行評(píng)定及驗(yàn)收，從而導(dǎo)致出現(xiàn)無(wú)效檢測(cè)區(qū)域。

表1不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)缺陷自身高度的要求(mm)

二、典型設(shè)置下的空間分辨力限制區(qū)域分析

由于TOFD圖像在深度方向上與時(shí)間軸的非線性關(guān)系，TOFD檢測(cè)時(shí)的空間分辨力也受到缺陷位置的影響。在探頭中心距(PCS)相同的情況下，深度越大的位置，時(shí)間間隔相同的兩個(gè)點(diǎn)之間對(duì)應(yīng)的深度差越大。故TOFD檢測(cè)時(shí)，在相同參數(shù)設(shè)置的情況下，越靠近上表面的區(qū)域，其空間分辨力越差;越靠近底面的位置，其空間分辨力越好。與掃查面盲區(qū)類似，在其他參數(shù)不變的情況下，減小PCS、增加探頭頻率有助于改善同一深度位置處的空間分辨力。GB/T 23902-2021標(biāo)準(zhǔn)中給出了空間分辨力的計(jì)算公式：

式中：tp為單個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間;td為d深度位置聲波的傳播時(shí)間;S為探頭中心距的一半;c為聲速。

從式(1)可以看出，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23902-2021中定義的空間分辨力，要求兩個(gè)衍射點(diǎn)的衍射信號(hào)完全分離。

一般情況下，按照探頭信號(hào)為2個(gè)周期計(jì)算，要完全實(shí)現(xiàn)上下端信號(hào)的分離，即需要缺陷上下端信號(hào)接收時(shí)間差大于2個(gè)信號(hào)周期。現(xiàn)實(shí)條件下，考慮到時(shí)差較大的信號(hào)疊加后可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)周期數(shù)的明顯增加，從經(jīng)驗(yàn)上采取“數(shù)周期”的方法可在一定程度上輔助辨別信號(hào)的上下端位置，因此也可假定當(dāng)缺陷上下端時(shí)差大于1個(gè)信號(hào)周期時(shí)，則可較為準(zhǔn)確地識(shí)別缺陷的上下端信號(hào)。

為方便計(jì)算，對(duì)式(1)進(jìn)行改造得出：

式中：當(dāng)定義了S、c以及最小時(shí)差Δt時(shí)，Rd即為特定設(shè)置下d深度位置的空間分辨力;當(dāng)d=0時(shí)，R0即為直通波產(chǎn)生的上表面盲區(qū)。

以厚度為21 mm焊縫的TOFD檢測(cè)為例，按照NB/T 47013.10-2015標(biāo)準(zhǔn)及其推薦設(shè)置，可選擇5 MHz，直徑為6 mm的探頭，60°縱波楔塊，使主聲束相交于2/3板厚處。此時(shí)S=PCS/2=24.2 mm，c=5.9 mm/μs。假設(shè)認(rèn)為1個(gè)周期的時(shí)間差即可分辨缺陷上下端，則Δt=0.2μs，此時(shí)可計(jì)算出不同工藝檢測(cè)厚度為21 mm的焊縫時(shí)各深度處的空間分辨力，其結(jié)果如圖2所示。

圖2不同工藝檢測(cè)厚度為21 mm的焊縫時(shí)各深度處的空間分辨力

從圖2中可以看出，如使用5 MHz的探頭進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)深度小于17 mm時(shí)，其空間分辨力均不足1 mm，當(dāng)檢測(cè)深度小于6.5 mm時(shí)，其空間分辨力不足2 mm。也就是說(shuō)，對(duì)厚度為21 mm的焊縫試塊進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，在0~17 mm深度內(nèi)，5 MHz探頭對(duì)自身高度小于1 mm的缺陷無(wú)法實(shí)施有效測(cè)量，在0~6.5 mm深度內(nèi)，對(duì)自身高度小于2 mm的缺陷無(wú)法實(shí)施有效測(cè)量。如使用10 MHz的探頭進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)深度大于6.5 mm時(shí)，才可達(dá)到1 mm的空間分辨力。

當(dāng)定義2個(gè)周期以上的時(shí)差才可能分辨缺陷上下端時(shí)，即Δt=0.4μs，空間分辨力還將成倍下降，其空間分辨力如圖2c和d所示。

三、結(jié)語(yǔ)

TOFD檢測(cè)技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，除上下表面盲區(qū)會(huì)對(duì)檢測(cè)造成較大影響外，空間分辨力也是一個(gè)較大的影響因素。在空間分辨力受限制的位置，雖能夠?qū)崿F(xiàn)缺陷信號(hào)的識(shí)別，但自身高度較小的缺陷上下端信號(hào)無(wú)法明顯分離，故無(wú)法依據(jù)信號(hào)對(duì)缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定量及驗(yàn)收。在實(shí)際應(yīng)用中，若不能明顯區(qū)分上下端的缺陷，均按照自身高度小于1 mm的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定，將造成標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)重誤用，引起質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

在使用TOFD技術(shù)時(shí)，應(yīng)綜合考慮直通波盲區(qū)以及近表面附近空間分辨力不足的區(qū)域?？赏ㄟ^(guò)將二者一并定義為“檢測(cè)面檢測(cè)受限深度范圍”來(lái)劃分TOFD技術(shù)的有效檢測(cè)區(qū)域，從而更有針對(duì)性地制定TOFD檢測(cè)時(shí)的補(bǔ)充檢測(cè)方案。

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