超声TOFD原理和方法要领

【摘要】本文重点介绍超声TOFD法的工作原理，探头典型分布、测试系统的核心要求与测试技术的实施要点，其目的是对这一新技术在中国市场上的普及奠定基础。

【关键词】超声；TOFD法；原理；探头布置；检测系统；工艺要点

从二十世纪九十年代开始，超声TOFD（衍射时差）法在西方国家的工业无损测试中实现了全面普及，日本、英国、美国等陆续颁布了相关的应用标准。近期，中国也在进行全方位地应用与探索，专门研制便携型设备等。本文针对这一新技术的工作原理、探头典型分布、测试系统的核心要求与测试技术的实施要点等，进行了具体阐述。

TOFD（Time Of Flight Diffraction）技术则是在1970年经美国哈威尔无损检测机构所创建。经过二十多年的发展，英标准BS 7706得以形成。从1996年之后，美ASME把其归置到典型要案224第III卷《无损检测》目录（fal2002年欧美各自设定专一标准），大当前，TOFD和相控阵技术相融合，彼此推动，针对壁厚不一的承压机械焊接接头的生产与在役测试。

一、TOFD法应用特征和注意事项

超声TOFD法和一般的UT技术有区别，它能够进行物料探伤、缺陷定位与定量，该方法并非是通过脉冲回波幅度对缺陷进行定量分析，却是通过脉冲传递时间进行检测。

对于TOFD方法来说，其应用是选择相同规格、相同频率、相同角度的纵波斜探头，根据特定间距将其放在被测焊缝两端，通过D型扫描来检测；也能够通过B型扫描进行检测。

假若检测工作要求尽快、准确地进行探伤且定量，TOFD法具备独特优势，它能够针对承压机械各类规格的厚板、径长的筒体或管材对接接头进行探伤与定量测试。不过针对个别相对复杂的性状，例如管座角焊接、三通类分支焊接等，必须利用独特的装卸方法，方可进行探伤与定量测试。

在TOFD方法里，选择的回波幅度包括三个方面的内容：1）必须让检测的缺陷所形成的脉冲和局部基底噪音（比如超声晶粒散射）进行鉴别，需证实已知或实测的脉冲和超声传递路程与位点的内心联系，以此来确定实测结果的准确性，以此需要利用波幅法进行；2）要按照面状缺陷上下侧的回波幅度，对缺陷表层提供关键信息；3）要按照人工缺陷形成的脉冲幅度，来证实全系统校对在一次或多次实测里，没有出现变化。

二、几个关键术语

1、D一扫描

在探头顺着焊缝（或缺陷）径长进行垂直于声束方向的变化的情况下，经整理信息来描绘出焊缝或缺陷的纵切面结构图。D—扫描则是指TOFD方法缺陷测度期间的重要描绘方法，也可以叫做纵向扫描或非水平扫描。

2、B一扫描

在探头顺着声束水平方向进行横切焊缝或缺陷的横切面变化的情况下，经整理信息来描绘出焊缝或缺陷的横切面结构图。B—扫描则是指在进行缺陷测试之后，对缺陷进行有效定量、定位检测。也可以叫做横向扫描或水平扫描。

3、侧向波

当探测面正处于平面或凸面的情况下，在两个TOFD探头之间进行水平传递的声波，也可以叫做纵波。

4、爬波

当探测面正处于平面或凹面的情况下，在两个TOFD探头之间进行水平传递的声波，也可以叫做纵波。

说明：平面是在凸面和凹面之间的形态，适用于爬波和侧向波。

三、工作原理

1、超声和缺陷的相互作用

在分析TOFD方法的技术原理之前，需要了解一下超声波和缺陷彼此作用的工作原理。当超声体积波和裂痕类面状缺陷彼此产生作用之后，就算是不考虑波形转变反应，超声能力也能够划分成五大能力，不管在哪一个角度探察，都能够看到此类能力的差异化组合。此能力是：1）非涉及相互作用的入射波（前沿端）；2）裂痕表层的镜面反射波；3）经裂痕表层粗糙度与若干个小裂面而形成的散射波、皿裂痕端处形成的衍射纵波、烟裂痕端处形成的衍射锥波、衍射横波，这些均为独立的脉冲波，也能够认定是相互作用而创建的复合脉冲波，其受到探察角度、脉冲长度等要素的干扰。

由此来看，缺陷和波源、接收设备（探头）的方向是相对应的，能够会对此类能力的作用造成干扰，不过缺陷本身表层粗糙度的调整，则会影响镜面反射波、散射波的能力分瓶声透射率的调整，以此会对全部分量的布局造成干扰。

2、缺陷端点衍射

经过以上介绍，若超声波在物料里进行传递，碰到平面状缺陷，且与其形成相互作用的条件下，排除形成常规的反射波之外，也需在缺陷端处形成衍射波。假设这一衍射能力是由缺陷尖处形成的，其则在某个角度领域中辐身水由于缺陷信号能够选择一对探头由一系列不一样方向进行记载，所以这一衍射能力能够进行缺陷测试。也由于衍射波的空间（或时间）间隔和缺陷高度有一定的正比例关系，所以这一衍射能力也能够对缺陷进行定量测试，TOFD法可选择纵波，其原因是和横波进行对比，其纵波的速度快，以此能够提前抵达，从而让信号阐释简略处理。

3、探头对检测分布

需把超聲衍射波传递时间的定义适用于缺陷的测试、定量与定位忽视波型变化反应（简略介绍），描绘出有超声能力受限传递路径的声程，TOFD法适用于焊缝测试的特殊探头对分布包括四个，其分别是：①平面测试分布；②凸面测试分布；③凹面测试分布；④异面测试分布。

4、缺陷定位定量

由面状缺陷下端处至接收探头的能力，延缓于由面状缺陷下端出至接收探头的能力，这一时间延缓量，就是指缺陷高度量，同时，缺陷上下端处形成的两个衍射脉冲，一直处在顺着试件表层传递的声脉冲之后，可在试件底端形成的反射脉冲之前，所以，一般能够找到缺陷掩埋高度位点、缺陷本身高度的相关数据，缺陷深、高数据更直接、有效。假如缺陷正处在试件的上表层，那么侧面波则会遭遇到阻截。

四、小结

经过以上对超声TOFD法的应用特点、工作机理等方面的介绍，我们可以更清楚地掌握探头典型分布、测试系统的核心要求与测试技术的实施要点，同时可以更专业地学习其对应的相关专业术语，以此在未来的应用中，真正地发挥TOFD法的价值与功效，并借此扩大了TOFD法在工业领域内的应用范围。

【参考文献】

[1] 孔立峰， 李树学， 罗光华， 杨景标. TOFD检测技术的应用[J]. 河北工业科技， 2009（03）.

[2] 王清媛， 李建， 孙壮壮. 超声波检测新技术-TOFD检测[J]. 石油和化工设备， 2012（01）.

[3] 孟亚惠. TOFD技术在埋地管道检测中的应用[J]. 管道技术与设备， 2012（01）.

[4] 梁玉梅， 王琳， 王彦启. 超声TOFD检测原理探析[J]. 无损检测， 2010（07）.

【作者简介】

闫军帅（1990—），男，山东滨州人，中国石化集团胜利石油管理局海上石油工程技术检验中心助理工程师，主要研究方向：AUT应用。