衍射波时差法超声检测技术（TOFD）
简介：本文(wén)简要介绍了工业发达國(guó)家正在兴起和应用(yòng)的TOFD技术的起源，原理(lǐ)，优缺点，标准规定和在实际产品订货中节约的费用(yòng)和时间。
主题词：TOFD起源 原理(lǐ) 优缺点 相关费用(yòng)
1. 衍射波时差法检测技术（TOFD）的起源
TOFD(Time-of-flight-diffraction technique)检测技术是在1977年，由Silk根据超声波衍射现象提出来，意大利AEA sonovatiion公司在TOFD应用(yòng)方面，已经有(yǒu)15年历史，此技术首先是应用(yòng)于核工业设备在役检验，现在在核電(diàn)，建筑，化工，石化，長(cháng)输管道等工业的厚壁容器和管道方面多(duō)有(yǒu)应用(yòng)，TOFD技术的成本是脉冲回声技术的1/10。现在，TOFD检测技术在西方國(guó)家是一个热门话题，现在已经开始推广应用(yòng)，经过几年以后，将有(yǒu)取代RT趋势的可(kě)能(néng)。
2. TOFD原理(lǐ)及系统组成
2.1 TOFD原理(lǐ)是当超声波遇到诸如裂纹等的缺陷时，将在缺陷**发生叠加到正常反射波上的衍射波，探头探测到衍射波，可(kě)以判定缺陷的大小(xiǎo)和深度。
TOFD原理(lǐ)
当超声波在存在缺陷的線(xiàn)性不连续处，如裂纹等处出现传播障碍时，在裂纹端点处除了正常反射波以外，还要发生衍射现象。 衍射能(néng)量在很(hěn)大的角度范围内放射出并且假定此能(néng)量起源于裂纹末端（图1） 。这与依赖于间断反射能(néng)量总和的常规超声波形成一个显著的对比。
图1
1 =发射波 2 =反射波 3 =穿透波 4 =顶部裂纹端衍射波 5 =底部裂纹端衍射波
除了发现由缺陷衍射的能(néng)量变化以外，TOFD方法也探测到一个直接穿过两个探针的表面（横向）波和达到试块底部（测试对面）没有(yǒu)受到缺陷干涉的底部反射波（图1中的注1和4）。
图. 2
1- 横向波 2 - 顶部裂纹端衍射波
3 - 底部裂纹端衍射波 4- 对面器壁反射波
这种现象的研究产生了用(yòng)于下列应用(yòng)衍射波时差法无损检测方法：
■ 探伤检验 因為(wèi)来自于缺陷范围的信号可(kě)记录。
■ 裂纹定尺寸 因為(wèi)衍射波分(fēn)离的空间（或时间）与裂纹高度直接相关。
用(yòng)一对发射接受配对的单探头组（见图2）的TOFD技术，通常应用(yòng)的纵向探头的入射角是450～700，通过接受探头接受衍射信号，同时根据超声系统来评估B-扫描图像。
图. 3
裂纹定位原理(lǐ)图
图. 4
B－扫描
通过扫描探头组，可(kě)以得到两种B－扫描图像（收集数据方式）：
1. 沿裂纹或焊缝長(cháng)度方向的常规扫描。B－扫描结果过去习惯用(yòng)于裂纹定位和判断缺陷大小(xiǎo)（图3上图）。
也就是人们常说的線(xiàn)性的、非平行的或纵向扫描。
在文(wén)献中，这种图像经常被称作D-扫描，但这与欧洲标准prEN1330－4“用(yòng)于超声试验中的术语”是不一致的，在这个规范中，D-扫描有(yǒu)另一种定义。因此欧洲标准草(cǎo)案中在TOFD标准上没有(yǒu)用(yòng)“D-SCAN”代替TOFD。
2. 垂直于焊缝和裂纹的長(cháng)度方向的横向扫描（图3下图），此种B－扫描结果过去习惯用(yòng)于判断缺陷大小(xiǎo)，也就是人们常说的横向的，平行的或侧向扫描。
缺陷尺寸定位
在方向上垂直于表面的裂纹尺寸和深度可(kě)以被定位，一个可(kě)以用(yòng)于**定位的典型的图是1mm. 此时假定进入和离开试块的超声能(néng)量是在探头下面的固定点并且探头是相距2S的距离(见图 4)。
这是真实情况的简化，但对许多(duō)目的是足够**的）。T，超声能(néng)量到达裂纹**D点，然后返回试块的时间，如下给出：
C T= {d2 + (S - X) 2}1/2 + {d2 + (S + X) 2}1/2 (1)
此处
C －超声波速度
T －时间
d －表面到D点深度
X －衍射点到两个探头中線(xiàn)平面的距离
当X是零时，T值*小(xiǎo)，并且在此情况下，表达式简化成：
C T = 2 {d2 + S2}1/2 (2)
通常参考是侧向频率特性，如：从衍射时间计算得出的深度d，介于横向波和衍射脉冲之间的TD，在这里：
d = 1/2 { TDC 2 + 4TDC S}1/2 (3)
在分(fēn)析TOFD数据时，通常用(yòng)公式（2）并且此公式是基本的、重要的。假定对称地位于探头之间的缺陷发出了一个错误的信号，此错误信号能(néng)够调整到对分(fēn)析估定缺陷深度在**度上影响很(hěn)小(xiǎo)的程度。
通过今天**计算机技术的使用(yòng)，可(kě)能(néng)非常快的评定得到的信号。那就使每秒(miǎo)完成几百次的毫米扫描成為(wèi)可(kě)能(néng)。在现实中，速度仅仅是由技工水平限制的。
2.2系统组成
TOFD监测系统由计算机型超声波
探伤仪本體(tǐ)、发射探头、接收探头、前置放大器、光學(xué)或磁性编码器以及连接電(diàn)缆组成。
3. TOFD的应用(yòng)
衍射波时差法技术主要应用(yòng)如下方面：
◆在役缺陷检测
◆制造期间缺陷的监测，记录，评定
在技术上，由于TOFD在检测的外部表面存在一个死區(qū)，而且根据每一个应用(yòng)TOFD技术的公司的水平和技术的差异，这个死區(qū)的厚度是不一样的。因此，近表面的缺陷是不能(néng)够用(yòng)TOFD检测到的（表面穿透性裂纹是可(kě)以检测到的）。意大利AEA sonovatiion公司成功的将死區(qū)减小(xiǎo)到2mm，这是一个巨大的进步。因此AEA sonomatic公司可(kě)以检测厚度在6mm以上的容器或管線(xiàn)。常规公司这个死區(qū)在8mm左右。TOFD可(kě)以应用(yòng)于壁厚达到350mm以上厚壁容器的检验。
4. TOFD的优缺点
4.1 TOFD的优点
TOFD技术缺陷检出能(néng)力强，缺陷定位精度高，节省设备的制造时间，**，检测数据可(kě)以用(yòng)数字型式長(cháng)久保存。
（a） 与常规的脉冲回声检测技术相比，TOFD在缺陷检测方面，与缺陷的方向无关。
（b） 同射線(xiàn)相比，TOFD可(kě)以检测出与检测表面不相垂直的缺陷和裂纹。
（c） 可(kě)以**的确定缺陷的高度。
（d） 在**上，不需要一个**的独立的操作空间，因此可(kě)以在不中断工艺生产的情况下进行检测，节约设备制造时间。
（e） 可(kě)以在線(xiàn)得到检测结果，并且可(kě)以将结果用(yòng)数字信号型式長(cháng)久保存在光盘中，以便于以后在役检验进行对比分(fēn)析；
（f） 可(kě)以在線(xiàn)应用(yòng)相关的工程评定标准对缺陷进行评定，仅将按标准评定的缺陷进行挖补修复，避免了无用(yòng)的破坏焊缝整體(tǐ)性的修补现象。
（g） 因為(wèi)检测速度快，对于板厚超过25mm的材料，成本比RT少的多(duō)。
（h） 可(kě)以在200℃以上的表面进行检测（已经有(yǒu)在400℃检测的实例）。
（i） TOFD检测系统易于搬运，可(kě)以在方便的任何地方进行检测。
（j） 由于可(kě)以在产品制造期间进行检测，由此可(kě)以节约大量的时间和修复成本。
（k） 检测率高于常规的超声UT。
4.2 TOFD的缺点
（a） 焊缝的两边必须有(yǒu)能(néng)够安放用(yòng)于TOFD检测的发射和接收探头的位置，
（b） 在检测表面下，存在一个检测不到的死區(qū)；根据各公司的技术条件，此死區(qū)在2～10mm不等。
（c） 检测人员必须经过专门的训练，并积累相应的经验，
5.根据TOFD的原理(lǐ)和特点，在检测厚壁容器和大管径的管道方面具有(yǒu)巨大的优势，根据2005年2月采購(gòu)的厚壁加氢反应器（规格是，在采用(yòng)TOFD技术时，每个投标商(shāng)价格均可(kě)以节省20000到25000美元，生产周期可(kě)以缩短2～3周（这是主要的）。但是，根据中國(guó)现行的相关法律，如果采用(yòng)此技术的设备安装于中國(guó)，则应用(yòng)TOFD技术的制造商(shāng)必须按台次向中國(guó)國(guó)家质量技术监督检验检疫总局提出申请并要获得批准使用(yòng)，否则是非法的。
6. TOFD的相关支持标准
6.1检验方法标准
英國(guó)的BS7706,欧洲的PrEN586Pt6.
6.2检验规范
英國(guó)的BS4515,美國(guó)的ASME VIII Pt1&2(code case 2235-6),欧洲非直接受火压力容器规范CEN/TC54/WGEN51,
6.3缺陷的评定标准
各检验公司根据自己试验和经验，制定相应的检验规范。同时ASME规范2235－6也规定了不同的壁厚的缺陷的验收标准。
6.4检验人员的资格
必须依据EN473,BS5750,ASNT’s snt-tc-1等进行资格认证。
参考文(wén)献
1 李 衍 超声TOFD法与射線(xiàn)照相法对缺陷检出能(néng)力的比较 中國(guó)锅炉压力容器** 2004，20（5），37~41
2 ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL Code，Case 2235-6:Use of Ultiasonic in lieu of Radiography
3 The British TOFD standard BS 7706: Guide to Calibration and setting-up of the Ultrasonic Time of Flight diffraction (TOFD) technique for defect detection, location and sizing of flaws.