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超声衍射时差(TOFD)技术原理简介(含图表)
1.超声衍射时差(TOFD)技术介绍
TOFD“”即Timeofflightdiffraction,译成中文是“超声
波衍射时差法检测”,TOFD检测技术原理是利用超声波
遇到诸如裂纹等的缺陷时,将在缺陷尖端发生迭加到正常
反射波上的衍射波,探头探测到衍射波,从而判定缺陷的
大小和深度。极大地提高了缺陷检出率。TOFD检验技术
具有缺陷检出能力强、缺陷定位精度高、节省设备的制造
时间等特点,在检测资料上保证安全,并且可以用数字型
式永久保存,恰好弥补了常规超声波检测技术的不足。
此技术首先是应用于核工业设备检验,如今在电力、
石化、管道、压力容器、钢结构等方面多有应用。
上个世纪七十年代早期,英国原子能管理局
(UnitedKingdomAtomicEnergyAuthority,即UKAEA)的
国家无损检测研究中心的Harwell实验室提出了了超声
波衍射在UT中应用的原理。UKAEA为了开发比常规超
声波检测更精确的缺陷定量技术,最早由史可毛瑞斯·
(SILKMG)博士开发出了超声衍射时差技术
-1-
(TimeofFlightDiffraction,简称TOFD)。后来欧美国家的
有关机构进行了大量的试验,到80年代早期证实,对于
核反应堆的压力容器和主要部件,TOFD技术作为超声检
测是可行的,其可靠性和精度要高于常规超声检测(即脉
冲回波)技术;相比常规的脉冲回波技术,当时的TOFD
技术有几个最明显的不同,一是很高的定量精度,绝对误
差±1mm,而裂纹监测的误差±0.3mm;二是对缺陷的
方向和角度不敏感,不向脉冲回波技术那样对某些方向的
缺陷有“盲区”;三是对缺陷的定量不是基于信号的波幅,
而是基于缺陷尖端衍射信号的声程和时间。
后来开发了便携的设备系统(即国际无损检测中心的
ZIPSCAN),TOFD技术被国际工业界广泛公认。90年代,
该项技术开始应用与石油化工管线的检测。此后,BSI、
ASTM、ASME以及EN等相继承认了TOFD检测技术,
颁布并不断修订了有关标准。而发展到今天,世界上有很
多无损检测设备制造商开发了很多数字化的无损检测系
统可以满足上述标准进行TOFD检测。当然,顶尖的制
造商的设备系统可能还具备或者同时兼容常规超声、超声
相控阵(PA)、常规涡流(ECT)和涡流阵列(ECTARRY)检
-2-
测。
2.TOFD的主要原理
超声衍射时差技术(TOFD)是一种依靠从检件工件内
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。
当超声波遇到诸如裂纹等的缺陷时,将在缺陷尖端发
生叠加到正常反射波上的衍射波,探头探测到衍射波,可
以判定缺陷的大小和深度。当超声波在存在缺陷的线性不
连续处(欧洲很多标准中都使用discontinuity一词,即理
解为材质的不连续结构),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。
衍射能量在很大的角度范围内放射出并且假定此能量起
源于裂纹末端。这与依赖于间断反射能量总和的常规超声
波形成一个显著的对比。
超声波在工件内的传播遵循惠更斯原理,除在缺陷表
面产生超声波的反射波外,还在缺陷的端点或端角处产生
衍射波。衍射波被接收后经过仪器放大,由于缺陷端点和
端角间的传播时间的差异,检测仪器可以自动记录和计算
出时间差,进而对缺陷大小进行计算;同时计算机系统还
-3-
搜集相关的数据,通过全功能的A扫、B扫和C扫,对
该缺陷进行数字成像,形成易于理解的被检工件的截面
图,对缺陷进行成像显示
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