tofd声束扩散角

余热锅炉2020.41球形封头环缝TOFD 检测可行性试验及检测实施杭州锅炉集团股份有限公司无损检测中心 夏福明汪一鸣摘要锅炉和压力容器球形封头环缝采用衍射时差法(T0FD)时，由于封 头侧有弧度影响，造成主声束角度不一致、聚焦点位置发生偏离和传播声程不同等因素变化，检测人员通常认为该环缝无法检测。

目前封头环缝仍旧用射线 照相(RT)检测。

本文主要介绍了球形封头环缝用修正方法进行T0FD 检测的可 行性试验，通过试验获得检测数据及检测结果，并选择合适的方法用于检测实 施。

关键词球形封头环缝；仪器调校；T0FD 检测实施0背景锅炉和压力容器纵缝、环缝衍射时差法超声波检测(TOFD)技术已广泛应用并逐渐 替代射线检测，它比射线照相(RT)和超声波检测(UT)有更高的缺陷检出率，具有精确测量焊缝中缺陷自身高度能力(达到 O.lnnn 精度)和比较直观的缺陷长度测定能力，更特别的是，采用衍射波检测技术使得图］平板对接焊缝TOFD规范检测示意图2余热锅炉2020.4焊缝中面状缺陷如裂纹、未熔合等的检测几乎不受缺陷的倾斜角度影响，因此危险性缺陷检出率高、检测结果可靠、重复性好，是一种高效率、低成本、环保的良好检测手段。

T0FD检测采用探头组（一发、一收）横跨焊缝进行检测，大于50mm厚度则实施多通道检测，平板对接焊缝和环缝检测时两探头处在对称位置，如图1所示，所以探头主声束焦点都在焊缝中心线上，只要选用合适的仪器和探头并调试正确，就不存在检测深度误差超标和声场覆盖问题。

筒节纵缝T0FD检测却存在较多问题。

由图2可以看出，虽然主声束聚焦点在中心线同样方法检测纵缝内80mm处缺陷时，仪器图谱显示深度为（147.52-1382）1/2=52mm,使检测中缺陷深度和实际深度的误差达到80-52=28nmi,它包含直通波以上弦高仪器不能显示的深度误差10.6mm和弧度影响主声束向上位移误差17.4uuno该误差已经远远大于标准规定的厚度的3%。

超声波衍射时差法(TOFD)检测过程控制要点超声波衍射时差法(TOFD)是采用一发一收探头，利用缺陷端点的衍射波信号探测缺陷和测定缺陷尺寸的一种超声检测技术，其对垂直于探测面缺陷的尺寸测量具有独特的优势，在结构焊缝检测上的应用已经较为成熟。

随着国内标准NB/T 47013.10-2010《承压设备无损检测第10部分：衍射时差法超声检测》的颁布，TOFD检测技术在国内得到迅速推广。

TOFD检测不是一个基于幅度响应的超声检测技术，但需要足够的灵敏度以使待检测的缺陷能够被识别。

TOFD检测的一个弱点是检测面和底面附近存在盲区，为了确保声束覆盖检测区域，必须在确定检测工艺时考虑这一因素。

探头选择和探头配置很大程度上决定着TOFD检测技术的整体精度、信噪比和覆盖区域。

进行仪器设置是为了确保足够的系统增益和信噪比，以便发现所关注的衍射信号，确保分辨力可接受、声束能够覆盖所关注的区域以及系统动态范围的有效使用。

TOFD检测过程和现场评审中有以下几点需要重点关注：一、检测区域覆盖根据任务要求的检测区域和检测级别，首先通过选择探头角度、测定探头前沿及声束扩散角来确定探头组合和间距，并根据厚度决定是否需要分区检测。

然后进行上下面盲区的确认，以决定是否需要补充超声横波检测，或偏置非平行扫查。

二、数据采样间距进行TOFD扫查时，沿扫查方向的数据采样间距在各标准中有明确规定。

三、仪器设置和验证1．灵敏度:TOFD检测不是基于幅度对缺陷进行当量评定的检测技术，TOFD检测灵敏度的设置方式也与常规超声不同，不是以人工缺陷的幅度作为基准。

灵敏度的设置只是为了保证信号幅度在一定范围内，并具有较高的信噪比。

通常要求直通波高度为满刻度的40%~90%，或在底波80%的基础上再增益20~32dB，或噪声在满刻度的5%~10%。

有时标准会要求在试块上验证探头指定区域缺陷的检出性。

2．深度校准:TOFD检测中，探头接收的信号到达时间与反射体的深度并不是线性关系，反射体的深度是在假定信号位于两探头中心的正下方的情况下，依据已知的声速和信号与直通波的时间差由软件自动计算得到的。

TOFD 检测步骤及要领1 原理介绍TOFD 技术有赖于超声波与缺陷端部的相互作用。

此相互作用的结果：在相当大的角度范围发射衍射波。

检出衍射波就能确定缺陷的存在。

信号的幅值用来发现缺陷，所记录信号的传播时间信息用来对缺陷进行定位定量。

TOFD 采用一对相同型号的探头一发一收，对置放置。

波速覆盖的扫查面中有缺陷时，直通波和底面回波之间还含有缺陷端部产生的衍射波，根据直通波、缺陷回波和底面回波三者的时间关系和两探头之间的位置，就能对缺陷进行定位、定量。

计算示意图见图1。

图1 计算示意图(1.发射探头 2.接收探头 A.侧向波 B.底面回波C.上端点衍射波D.试件厚度 S.探头间距的一半)则缺陷深度可由简单的几何关系得出：d =上(1)St c t c d 下下下∆+∆=4)(212(2)上下d d D -= (3)式中 c ：工件中纵波波速；S：1/2探头间距；d ：缺陷端点高度；t∆：A信号中上端点衍射信号出现的时间；上t∆：A信号中下端点衍射信号出现的时间；下D ：工件自身高度；2 探头角度、频率、尺寸和间距对检查的影响TOFD检测中，探头角度、频率、尺寸和探头间距的选择十分重要，四者起着相互制约的作用。

1探头角度大小的选择关系到声波能量的分布，大角度探头声波能量分布靠上，检测区域也就靠上，小角度探头能量分布靠下，相应的检测区域也就靠下。

2探头频率对检测的分辨力和声波衰减影响较大。

当探头频率较高，波形振动周期短，分辨力提高，但难发生明显衍射现象，且衰减大。

探头频率减小，波形振动周期长，分辨力下降，但易于发生衍射现象，且衰减小。

3 探头晶片尺寸的大小关系到声束扩撒角的大小和与弧面工件耦合效果，小尺寸晶片扩散角较大，声束覆盖面广，对于弧面工件耦合较好，但局部声能相对较低，进场长度相对较长。

大尺寸晶片声束扩散较小，声束覆盖面窄，对弧面耦合效果不好，但局部声能集中，进场长度较短。

4 探头间距大小的调节可以改变近表面和远表面的分辨力，但较远的探头间距对应的声波传输路径也相对较长导致声波衰减较大。

TOFD 检 测 技 术一、 TOFD检测的概念和特点• TOFD（Time-of-flight-diffraction technique）检测技术 是在1977年，由英国Silk教授根据超声波衍射现象提出 来，简称衍射时差法 (TOFD) • TOFD是一种依靠从待检试件内部结构（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 • 检测时使用一对或多对纵波探头，这些探头的特点为 宽声束、高频率，并且每一对探头的频率应相同 • 每对探头相对焊缝对称分布，分别为发射探头和接收 探头，声束覆盖检测区域一、 TOFD检测的概念和特点• 声波在传播过程中，遇到缺陷时产生反射波和衍射波， 衍射波比反射波低20～30dB • 接收探头具有极高的灵敏度，接收探头接收衍射波（特 殊情况也接受反射波，如检测孔时孔的顶部反射） • 通过精确测量衍射波传播时间和利用三角方程，确定出 缺陷的尺寸和位置 • TOFD检测不是依赖于测量缺陷回波高度而是以精确测 量衍射波的飞行时间确定缺陷的尺寸和位置 • 在实验室条件下，对于自然裂纹测量精度为1mm，对于 人工反射体测量精度为0.1mm二、物理基础——反射现象入射波 衍射波反射波裂纹反射遵守反射定律： 入射角 = 反射角衍射波二、物理基础——衍射现象• 惠更斯原理:入射波使缺陷产生振动。

缺陷上的每一个点都产生 出一个球面子波二、物理基础——衍射现象入射波 衍射波反射波裂纹衍射向各个方向 传播，能量低 衍射波几乎与入 射角无关衍射波二、物理基础——衍射现象• 以往对衍射的利用——端点衍射法 (伴生脉冲观察法 SPOT)时间, 角度 和 声速 ⇒ 高度波幅 1 角度 2 2 时间 时间 1 尖端衍射 槽或裂纹 棱角反射二、物理基础——衍射现象单探头 上端点 下端点使用单探头检测时，探头接收到缺陷的反射波 和缺陷两端的衍射波，反射波比衍射波强，衍 射波通常湮没在反射波里。

TOFD检测技术工艺参数优化摘要：随着制造业的快速发展，对无损检测技术的环保性、检测精度和检测率提出了更高的要求。

TOFD检测技术（衍射时差超声检测技术）作为一种新型的无损检测技术，由于其检测效率高、定量精度高、可靠性好、无环境污染等优点，在许多行业得到了广泛的应用，为制造业的快速发展保驾护航。

关键词：TOFD；检测技术；工艺参数；优化1TOFD检测技术原理TOFD检测技术是一种定量检测技术，它依靠超声波与缺陷端部相互作用产生的衍射波来检测缺陷，即飞行时间衍射技术。

当超声波作用于一定长度的裂纹上时，裂纹尖端会产生衍射现象。

衍射信号远弱于反射波信号，传播方向性不明显。

衍射现象如图1所示。

缺陷端越尖锐，衍射现象越明显；相反，缺陷端越光滑，衍射现象越不明显。

TOFD检测技术采用两个探头进行检测，一个用于发射，一个用于接收。

双探头的应用可以避免镜面反射信号覆盖衍射波信号，从而在任何情况下都能很好地接收到端点的衍射信号，确定缺陷的准确位置和深度。

2TOFD检测技术的特点与传统的脉冲超声检测技术相比，TOFD检测技术利用衍射波进行检测，因此检测结果的准确性和可靠性不受缺陷与入射波夹角的影响。

一般认为，TOFD检测技术的缺陷检出率高达90%，远高于传统的超声检测和射线检测技术。

同时，缺陷的量化不受波高的影响。

对于线性缺陷或区域缺陷，TOFD检测技术对缺陷高度的测量误差不大于1mm。

但是，如果检测工艺参数设置不当，会对检测结果产生很大影响，尤其是上下表面缺陷。

直达波影响工件的近表面检测，在上表面产生盲区。

如果盲区设置不当，其厚度可达工件厚度的20%～30%。

因此，直达波的盲区是一个不容忽视的重要问题。

在检测工件下表面时，也有盲区，主要是轴线偏离底部的盲区，即两个探头中心偏离工件底部的盲区。

如果不消除盲区，疲劳裂纹等内表面缺陷的检出率将大大降低。

3TOFD检测技术的工艺参数选择和优化无损检测技术是指在检测被试物的过程中所采用的方法和技术。

厚壁焊缝TOFD 检测工艺讨论一、关于声束角度的计算对于检测工艺，有以下内容需要计算：•根据焊缝厚度，如何划分检测区域•各区TOFD探头的中心矩•根据探头角度和折射定律，计算声束在楔块中的角度•使用-12dB公式，计算楔块中声束的上下边界角•计算被检材料中-12dB的声束范围•计算时间窗口的设置•计算上表面盲区深度•计算下表面盲区深度•根据给定的盲区深度和偏离值，计算偏置扫查次数•计算最大扫查速度•计算检测宽度范围和打磨宽度探头的声场特性一、 TOFD关于声束角度的计算例：当使用直径6mm频率5MHz的60°斜探头检测钢工件时，求有机玻璃楔块中波的入射角度？求楔块中的半扩散角和钢中的半扩散角？求在聚焦深度100mm、200mm、300mm时，焊缝高度方向上的有效检测范围？（C玻璃=2400m/S，C钢=5930m/s）一、关于声束角度的计算•由以上计算可知，在楔块中探头的入射角为20.52°，两侧半扩散角为3.21 °，则在楔块中的有效声束角度为17.31~23.73 °。

•根据折射定律，入射角为17.31 °时，在钢中的折射角为47.32 °；当入射角为23.73 °时，在钢中的折射角为81.61 °。

•通过计算可知：声束在楔块中的半扩散角为3.21 °，则钢中的实际声束宽度为34.29 °。

一、关于声束角度的计算•探头角度为60°，聚焦深度在100mm时，探头入射点距离焊缝中心为173.2mm。

•根据－12dB声束，声束下端在钢中的折射角为47.32 °声束上端在钢中的折射角为81.61 °。

•在焊缝的中心线上，－12dB声束检测深度范围是25.55~159.71mm•同理可推出聚焦深度200mm、300mm时，－12dB声束的检测范围二、TOFD检测宽度区域的规定2.1检测区域检测区域由其长度、高度和宽度表征。

1.楔块声速2.4，晶片尺寸3mm，探头折射角/频率声束在楔块中入射角度θp声束在楔块中扩散角γp-12dB 声束在刚中上下扩散角（边界角）λ钢中声速5.90钢中声速5.95钢中声速5.90钢中声速5.95钢中声速5.90钢中声速5.9560 7.5MHZ 20.63 20.45 4.28 4.28 43.77~90 43.64~905MHZ 20.63 20.45 6.43 6.43 40~90 40~90 65 7.5MHZ 21.63 21.44 4.28 4.28 47.15~90 47.01~905MHZ 21.63 21.44 6.43 6.43 40.14~90 40~90 70 7.5MHZ 22.47 22.27 4.28 4.28 50.13~90 49.98~905MHZ 22.47 22.27 6.43 6.43 42.79~90 42.60~90 2.楔块声速2.4，晶片尺寸4mm探头折射角/频率声束在楔块中入射角度θp 声束在楔块中扩散角γp-12dB 声束在刚中上下扩散角（边界角）λ钢中声速5.90钢中声速5.95钢中声速5.90钢中声速5.95钢中声速5.90钢中声速5.9560 7.5MHZ 20.63 20.45 3.21 3.21 47.38~83.47 47.27~84.135MHZ 20.63 20.45 4.82 4.82 42.04~90 41.90~90 65 7.5MHZ 21.63 21.44 3.21 3.21 50.98~90 50.87~905MHZ 21.63 21.44 4.82 4.82 45.33~90 45.18~90 70 7.5MHZ 22.47 22.27 3.21 3.21 54.19~90 54.07~905MHZ 22.47 22.27 4.82 4.82 48.21~90 48.04~90 3.楔块声速2.4，晶片尺寸6mm探头折射角/频率声束在楔块中入射角度θp 声束在楔块中扩散角γp-12dB 声束在刚中上下扩散角（边界角）λ钢中声速5.90钢中声速5.95钢中声速5.90钢中声速5.95钢中声速5.90钢中声速5.9560 7.5MHZ 20.63 20.45 2.14 2.14 51.28~72.05 51.14~72.205MHZ 20.63 20.45 3.21 3.21 47.38~83.47 47.27~84.13 65 7.5MHZ 21.63 21.44 2.14 2.14 55.12~82.30 55.04~82.675MHZ 21.63 21.44 3.21 3.21 50.98~90 50.87~90 70 7.5MHZ 22.47 22.27 2.14 2.14 58.67~90 58.58~905MHZ 22.47 22.27 3.21 3.21 54.19~90 54.07~904.楔块声速2.4，晶片尺寸8mm探头折射角/频率声束在楔块中入射角度θp 声束在楔块中扩散角γp-12dB 声束在刚中上下扩散角（边界角）λ钢中声速5.90钢中声速5.95钢中声速5.90钢中声速5.95钢中声速5.90钢中声速5.9545 5MHZ 16.72 16.57 2.41 2.41 37.42~53.65 37.35~53.734MHZ 16.72 16.57 3.01 3.01 35.63~56.07 35.55~56.19 50 5MHZ 18.16 18.00 2.41 2.41 41.86~59.71 41.79~59.714MHZ 18.16 18.00 3.01 3.01 40~62.58 40~62.72 55 5MHZ 19.46 19.29 2.41 2.41 46.14~66.32 46.07~66.454MHZ 19.46 19.29 3.01 3.01 44.13~70.00 44.04~70.20 60 5MHZ 20.63 20.45 2.41 2.41 50.23~74.13 50.15~74.334MHZ 20.63 20.45 3.01 3.01 48.08~80.27 47.98~80.68 65 5MHZ 21.63 21.44 2.41 2.41 54.05~90 53.96~904MHZ 21.63 21.44 3.01 3.01 51.73~90 51.62~90 70 5MHZ 22.47 22.27 2.41 2.41 57.51~~90 57.41~904MHZ 22.47 22.27 3.01 3.01 55.00~90 54.88~90 5.楔块声速2.4，晶片尺寸10mm探头折射角/频率声束在楔块中入射角度θp 声束在楔块中扩散角γp-12dB 声束在刚中上下扩散角（边界角）λ钢中声速5.90钢中声速5.95钢中声速5.90钢中声速5.95钢中声速5.90钢中声速5.9540 3MHZ 15.16 15.03 3.21 3.21 40~50.77 40~50.884MHZ 15.16 15.03 2.41 2.41 40~47.89 40~47.97 45 3MHZ 16.72 16.57 3.21 3.21 40~56.91 40~57.044MHZ 16.72 16.57 2.41 2.41 40~53.65 40~53.73 50 3MHZ 18.16 18.00 3.21 3.21 40~63.59 40~63.754MHZ 18.16 18.00 2.41 2.41 41.86~59.71 41.79~59.81 55 3MHZ 19.46 19.29 3.21 3.21 43.48~71.38 43.38~71.604MHZ 19.46 19.29 2.41 2.41 46.14~66.32 46.07~66.45 60 3MHZ 20.63 20.45 3.21 3.21 47.38~83.47 47.27~84.134MHZ 20.63 20.45 2.41 2.41 50.23~74.13 50.15~74.335.楔块声速2.4，晶片尺寸12.5mm探头折射角/频率声束在楔块中入射角度θp 声束在楔块中扩散角γp-12dB 声束在刚中上下扩散角（边界角）λ钢中声速5.90钢中声速5.95钢中声速5.90钢中声速5.95钢中声速5.90钢中声速5.9540 3MHZ 15.16 15.03 2.57 2.57 40~48.46 40~48.542MHZ 15.16 15.03 3.85 3.85 40~53.21 40~53.34 45 3MHZ 16.72 16.57 2.57 2.57 40~54.28 40~54.382MHZ 16.72 16.57 3.85 3.85 40~59.74 40~59.90 50 3MHZ 18.16 18.00 2.57 2.57 41.35~60.45 41.27~60.562MHZ 18.16 18.00 3.85 3.85 40~67.12 40~67.33 55 3MHZ 19.46 19.29 2.57 2.57 45.60~67.25 45.52~67.392MHZ 19.46 19.29 3.85 3.85 41.42~76.67 41.30~77.04 60 3MHZ 20.63 20.45 2.57 2.57 49.65~75.52 49.56~75.752MHZ 20.63 20.45 3.85 3.85 45.19~90 45.07~90。