ASME规范对超声TOFD法的最新规定 第一部分:工艺要领(节选)
New Requirements for TOFD Technique in ASME Code Part 1:Procedure Essentials
李衍 Li Yan
江苏太湖锅炉股份有限公司Jiangsu Taihu Boiler Co., Ltd

介绍ASME规范最新版(2006增补)有关TOFD技术的最新规定。第一部分概述TOFD工艺规程和设备系统要求,校准事项和检测工艺要领。意在为国内承压设备推广TOFD新技术提供依据和借鉴。
The new requirements for TOFD technique specified in the latest edition (2006 addenda)of the ASME Code were presented。The first part outlined the requirements for a TOFD written procedure and the TOFD system,the calibration items and the key points of an examination process。It is primarily aimed at providing basis and reference for application of this new technology to pressure equipment in our country.
超声检测;TOFD法;工艺规程;设备系统;校准;检测工艺
Ultrasonic testing;TOFD technique;Written procedure;System equipment;Calibration;Examination procedure

        承压设备采用超声衍射时差(TOFD)技术取代射线照相进行检测,有关其使用方法和验收标准,早在十年前的ASME规范1996版第Ⅷ卷第一分册中,就以规范案例的形式规定在案例2235-1中。在最新发布的2006增补版中,ASME规范第Ⅴ卷对TOFD法的操作技术细节在第四章《焊缝超声检测方法》强制性附录Ⅲ中,又作了较为详尽的规定;而对TOFD法的典型图谱和结果评定,则在非强制性附录中一一作了剖析和交代。本文先对TOFD检测工艺要领作一简介。

1 TOFD工艺规程要求
       TOFD施探前,先要制定切实可行的工艺规程。工艺规程中必须包括的量化要求,除ASME第Ⅴ卷第四章《焊缝超声检测方法》规定的20项通用性变素(表1)外,新规范还特别提出了6项特定性变素(表2)。
       对表1表2中规定的主变素的变更,要求进行验证演示,以评定新参数的有效性;而对副变素的变更,则不要求重新评定。但不管是主变素或副变素,如有变更,均需在工艺规程中作出相应修改或增补。

2 TOFD设备系统要求
2.1 TOFD仪器要求
       对扫描参数的调整和信号分析,要求TOFD所用仪器提供线性的A-扫描显示。仪器放大线性和时基线性应≯±5%。新规范提出:超声脉冲发生器可通过单向或双向方波脉冲群提供激励电压。脉冲宽度应可调,以使脉冲幅度和持续时间达到最优化。超声接收器的带宽应至少与探头标称频率相等,这样探头的-6dB带宽就不会落在接收器-6dB带宽之外。接收器增益旋钮应能以≤1dB的增量调节信号幅度。系统中可设前置放大器。波形的模拟-数字变换取样率至少应为探头标称频率的4倍。要对原始数据进行数字信号处理时,波形的模数变换取样率应提高到探头标称频率的8倍。

2.2 TOFD数据显示和记录
       新规范强调:数据显示要求观测不检波的A-扫描图形,以便确定与A-扫描时基记录有关的显示闸门的始点和长度。所用设备应能将所有进入显示闸门的A-扫描图形储存到磁盘或光盘上。设备还要能提供至少64灰度等级或彩色色谱的被检焊缝的断面图。但不允许只存断面图,而不存作为TOFD信息基础的A-扫描射频(不检波)波形。TOFD显示用的计算机软件应包括将光标或波形时基线性化的算法,以便测评缺陷埋藏深度和自身高度。除储存包括波幅和时基细节的波形数据外,所用设备还要储存指示相邻波形相对位置——即编码位置的定位数据。
1 超声TOFD检测工艺必须量化的一般要求

序号

必 须 量 化 的 一 般 要 求

主变素

副变素

1

受检焊缝形状、外径、壁厚、产品形式(管、板等)

 

2

探测面

 

3

探测方法(直射波、斜射波、接触法或液浸法)

 

4

超声波型和声束角度

 

5

探头型式、频率和晶片尺寸、形状

 

6

特殊探头、楔块、衬垫或鞍座(使用时)

 

7

超声仪

 

8

校验(校准试块和校准方法)

 

9

扫查方向和扫查范围

 

10

扫查方式(手工或自动)

 

11

几何信号与缺陷信号识别方法

 

12

信号大小测定方法

 

13

计算机数据采集(使用时)

 

14

扫查覆盖性(仅指减少时)

 

15

人员操作要求(有要求时)

 

16

人员资格鉴定要求

 

17

表面状态(探测面,校准试块)

 

18

耦合剂类型或牌号

 

19

自动报警或记录设备(使用时)

 

20

记录,包括要记录的必要校验数据(如仪器设定)

 

2 超声TOFD检测工艺必须量化的特定要求

序号

 

必 须 量 化 的 特 定 要 求

主变素

副变素

1

 

仪器型号和制造者

 

2

 

仪器软件

 

3

 

扫查方向和扫查范围

 

4

 

缺陷测长方法

 

5

 

缺陷测高方法

 

6

 

数据取样间隔

 

2.3TOFD探头要求
       对超声TOFD探头,新规范提出应至少满足以下7项要求:
① 使用一对探头(称为TOFD探头对),相向对置,一发一收;
② TOFD探头对的标称频率相同;
③ TOFD探头对的晶片相同;
④ 对峰值回波降20dB测试时, 探头脉冲持续时间应 ≯ 2 周期;
⑤ 探头可用非聚焦探头,也可用聚焦探头:前者推荐用于探伤,后者推荐用于提高定量分辨力;
⑥ 探头可用单晶片,也可用相控阵;
⑦ 标称频率应为2 ~ 15 MHz,除非检测特殊产品材料晶粒结构,需用其他频率,以保证有足够的声穿透,或提高分辨力。
除上述要求外,笔者认为TOFD探头角度的选择和布置也很重要。对壁厚T ≤70mm的钢焊缝,一般要求用一对纵波斜探头横跨在焊缝两侧。3为对三种壁厚范围可达到足够分辨力和评定范围的探头参数推荐值。对壁厚T >70mm的钢焊缝,应将壁厚分成若干层,进行分层检测。4是对T > 70~300mm钢焊缝可获得足够分辨力和评定范围的探头参数推荐值。
3 T 70mmTOFD探头参数推荐值

壁 厚T mm

中心频率MHz

晶片尺寸mm

标称探头角度(°)

<10

10~15

2~6

50~70

10~<30

5~10

2~6

50~60

30~70

2~5

6~12

45~60

4 T 70300mmTOFD探头参数推荐值

壁 厚T mm

中心频率MHz

晶片尺寸mm

标称探头角度(°)

70~<80

5~10

2~6

50~70

80~<100

2~5

6~12

45~60

100~300

1~3

10~25

45~60


图1TOFD 探头对最佳间距的设定
       TOFD检测的最佳探头对间距2S ( 图1 )可由下式求出:
       2S = 2dm·tg60° = 3.46 dm或S =dm·tg60° = 1.73 dm
       式中dm:缺陷高度中点离板材表面距离 (深度)。
       若声束中夹角2θ < 85°或2θ > 165°,就可能引起缺陷端部衍射波减弱,以致检测灵敏度降低。

2.4TOFD校验试块要求
2.4.1校准反射体
       原ASME(20004版)第Ⅴ卷仅在非强制性附录L中,提出用三种不同深度(1/4T、1/2T和3/4T)的槽形试块,作为验证TOFD系统利用衍射信号、对表面开口缺陷测深测长精度的演示试块,见图2。新规范则在强制性附录中,规定采用长度与探测面相平行的长横孔,作为调整TOFD系统在厚度范围内检测灵敏度的校准反射体。孔长至少50 mm,孔径随检测焊缝厚度而异。钻孔位置大致居于试块侧面中心,板厚T的1/4和3/4 处。
2.4.2基本校准试块
       新规范规定的基本校准试块的形状、尺寸和反射体位置见3。若被检焊缝厚度较大,要将厚度分层检测,则相应的校准试块厚度也要分层调整检测灵敏度:每层至少设置2个孔,分别处于各层厚度Tz的1/4 和3/4处。4表示厚度分两层检测用的校准试块示例。所选定的试块尺寸和反射体位置,应足以验证实际使用的声束角度,能在被检焊缝厚度范围内达到规定的检测灵敏度。
2.4.3校准试块厚度
      (略) 

2.5 TOFD扫查机构
       (略)

3 TOFD校准事项
       以下所述指检测对象为非管类工件。
3.1 灵敏度校准方法(略)
3.2 灵敏度的验证(略)
3.3 厚度分层检测
 (略)
3.4 覆盖宽度的验证
 (略)
3.5编码器的校准(略)

4 TOFD检测工艺要领
4.1扫查方法
(略)
4.2数据记录(选通区)
 (略)
4.3横向缺陷检测
(略)
4.4 横波辅助检测
(略)
4.5 数据取样间隔
 (略)
4.6 扫描漏缺限制
 (略)
4.7 缺陷定量和结果评定
 (略)

5 TOFD检测记录报告
 (略)

6 结论和讨论
       ⑴TOFD显示要求有A、B、D三种显示。A显示必须是不检波波形,由其相位显示可推断缺陷类别(表面或底面开口缺陷,或内部缺陷,面状或体状缺陷);D显示可判读缺陷在焊缝纵断面中X-Z轴双向位置和范围;B显示可判读缺陷在焊缝横断面中Y-Z轴双向位置。所有显示均有编码器的同步定位数据。
       ⑵TOFD施探前,制定切实可行、有量化要求的UT工艺规程,并在含人工缺陷或自然缺陷的试块或焊接试样上进行验证演示,对保证TOFD在实际产品上进行可靠检测,具有重要意义。应对六个特定量化要求一一作出应答。
       ⑶TOFD探头一般采用对向布置、相隔一定间距的一对纵波斜探头。探头对间距要作优化考虑。探头频率和角度的选择相关于被检焊缝厚度。壁厚较薄时,用一对同频率、同尺寸、同角度的探头横跨焊缝两侧;壁厚较厚时,用多对不同角度的横跨焊缝两侧,进行分层检测。
       ⑷校准试块在TOFD检测中,是校准检测灵敏度、校验声束可覆盖范围、确定缺陷可探范围的重要器具。ASME原规范采用槽型试块,槽的形状和端部特征体现了面状缺陷特征,要求用该试块作验证演示。新规范规定了设有上、下、中三横孔的校验试块,作为灵敏度校准试块,便于校验声束在厚度方向上的可覆盖范围;对厚板则提出了分层检测的孔型试块。长横孔作校验反射体有易加工、且适用于各种声束角度的优点。
       ⑸TOFD是双探头检测法,通常要设计专用机械手,使其夹持探头对和编码器同步动作,探头对间距要能根据焊缝厚度和声束角度易于调节。必要时还可停下来,用慢动作对相关显示进行复检和诊断。
       ⑹新规范提出一般采用中心扫查法,即探头对连线中心对准被检焊缝中心线;当焊缝宽度较大,或为检测焊缝熔合线或坡口熔合面上的面状缺陷时,规定还需作两次偏心附加扫查。被检焊缝有横裂纹检出要求时,探头对还应置于磨平的焊缝表面,作平行于焊缝轴线的扫查。
       ⑺TOFD检测主要是用斜射纵波检测,根据缺陷端部的衍射波来检测缺陷,并对缺陷进行定位、定量和表征分类的。近表面和近底面的缺陷,由于侧向波和底面回波脉冲宽度的影响,有可能识别不了。为弥补这一缺点,尚需用普通斜探头对表层和底层作补充检测。在自动检测装置中,一般通过多组探头对和多种角度的单探头的平列设置来统筹解决。
       ⑻ TOFD技术是1972年由英国哈威尔核工业无损检测中心的M.G.SiLk博士首创的。迄今为止,世界上已公布的有关TOFD法的应用标准主要有:英标 BS 7706:1993,欧标 ENV 583-6:2000,日标 NDIS 2423:2001,美标 ASME 规范案例 2235:1996,2003,2005,ASME 2004版第Ⅴ卷第四章非强制性附录E-475,L-410~491,2006增补版强制性附录Ⅲ其中,有TOFD图谱识别辅导内容的为英标和美标(以上除日标外,笔者均有细节介绍散见于国内相关期刊上)。

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