TOFD中文教材校对完校对第一二章.doc
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1.简介
1.1课程范围
本课程的目的是使读者和学生了解TOFD技术，以及此技术对缺陷位置、大小检测的能力。
尽管本课程是基于普遍应用的数字超声波数据采集系统进行讲解的，但是由于许多系统也具有相同的基本特征和设备，因此本课程也适用于与数字超声波数据采集系统相似的系统。
本课程将作为超声波无损检测标准I级水平和II级水平的教材。
书中的斜体字代表II级水平超声波检测技术人员需要掌握的知识。
I级水平和II级水平的标准学时是40小时。
I级水平超声波检测技术人员需要掌握的技术包括：
i）设置TOFD检测设备
ii）采集TOFD检测所得数据
iii）根据说明书对结果进行记录和分类
iv）做出结果报告
II级水平超声波检测技术人员需要掌握的技术包括：
i）设置并校准TOFD检测设备
ii）执行并监测TOFD所得检测数据
iii）根据适用标准解析并评估检测结果
iv）判定TOFD检测的局限性
v）书写实用的检测方案和过程
vi）指导和培训I级水平超声波检测技术人员
vii）对TOFD检测结果进行整理并做出报告
由于观察和分析TOFD数据的经验非常重要，因此大部分时间将用于练习TOFD数据采集和分析。
同时掌握TOFD技术与传统脉冲回波技术相比的本质区别也很重要。
本课程也希望学习者能够了解两种技术的局限性，学会选择合适的检测技术以及能够进行有目的性的检测。
此外，本课程还要学习英国TOFD标准BS7706和欧洲标准CEN/TC138WG2N143。
由Charlesworth,J.P.和Temple,J.A.G.所著的《超声波TOFD技术在工程中的应用》一书也值得一读，尤其是检测核材料以及具有奥氏体成分的材料。
1.2课程要求
所有学习者都要达到超声波EN473I级和超声波EN473II级，并通过现场检测的考试。
1.3课程考试
课程结束后将有一个测验，包括：
等级I书面测验，90分钟内回答30个问题
等级II书面测验，90分钟内回答30个问题
测验的目的是证明超声波无损检测人员掌握了TOFD技术及其局限性。
2.背景以及传统超声波检测
2.1无损检测技术背景
在压力容器和管道系统中，焊缝缺陷可能导致整个系统不能使用或者使用不可靠。
因此焊缝需要检测并将有害的缺陷打磨掉或重新焊接。
由于焊缝缺陷可能产生非常严重的后果，因此对焊缝进行缺陷检测非常重要。
缺陷中的裂纹由于疲劳作用和压力侵蚀作用，易不断生长。
其他缺陷也可能生长，但通常保持不变，例如焊接和人工产生的未熔合缺陷，以及体积缺陷中的孔洞和熔渣。
后一种缺陷更易检测到，但其没有不断生长的裂纹缺陷破坏性大。
金属制品的无损检测技术多种多样，主要可以分为两大类。
用于检测表面开放裂纹：
磁性粒子技术
染料渗透技术
涡流技术
磁性技术
超声波技术
用于检测内部裂纹：
射线技术
超声波技术
由于表面缺陷最有可能生长并导致材料不可用，因此通常将表面裂纹看作最重要的缺陷。
但是表面开口裂纹比内部裂纹更易修补。
染料渗透技术和磁性粒子技术不能进行缺陷深度的尺寸测量，磁性技术也只能进行一般性的探查。
涡流技术是否能够定量检测，取决于被测材料，只有几毫米的表面缺陷可以检测。
而超声波技术既可以进行缺陷探查，又可以定量分析缺陷的尺寸。
设备管理者必须得到设备合格的资格证。
这个过程在设备关闭的情况下需要进行无损检测评估。
在评估过程中如果发现缺陷，则需要修补缺陷或置换工件。
检测和定量内部裂纹非常重要，因为修补缺陷非常困难和昂贵，而且如果裂纹尺寸低于某个关键的等级，设备可以判为合格并正常运行。
对于大部分内部裂纹，只有射线和超声波两种检测技术可用。
体积类缺陷最适于采用射线技术进行检测，且在X射线射向裂纹下方时，平面裂纹可以有效地得到检测。
射线需要接近工件的两侧，且已经有可靠的缺陷推断。
射线技术是一种应用广泛而且可靠的技术，可以检测各种类型的焊缝缺陷，其在壁厚方向上检测的误差范围是1%。
射线技术产生的图像能够被广泛的接受和理解，且其检测结果具有永久的保存性，并可以作为未来检测的参考。
对平面裂纹的检测和定量最具可靠性的技术是超声波技术，它的灵敏度在壁厚方向上是2%到3%。
超声波技术具有的优点还包括其只需要接近焊缝一侧，以及不需要可靠的缺陷推断。
2.2超声波无损检测技术
当电压加在压电晶体材料上使其振动，且压电材料的厚度正好能够产生用于检测金属工件的超声波，这种材料将作为超声波探头的基材。
超声波探头产生的纵波通常称作压缩波。
如果纵波以一定的角度进入金属，则其在金属中发生折射并产生纵波和横波，这两种波的折射角度取决于两种波在金属中的传播速度和纵波在楔块材料中的传播速度。
横波通过周期性的剪切力传播，它只能在像金属这种具有剪切弹性的材料中存在。
液体不具有剪切力。
通常采用超声波检测金属材料的频率范围在2MHz到5MHz之间。
频率相对应的波长可以通过以下的公式得出。
速度（c）=波长（l）*频率（f）
波速的单位通常采用m/s，在钢材中，纵波的传播速度是5950m/s，横波的传播速度是3230m/s。
因为探头频率的单位是MHz（在TOFD技术中，时间的单位是微秒），所以速度的单位采用mm/ms更方便（例如，5.95mm/ms和3.23mm/ms）。
采用这些单位并根据上面的公式得出波长的单位是毫米。
因此，根据前面提到的频率，其相应的纵波波长范围是1到3毫米，横波的波长范围是0.6到1.6毫米。
由于反射体的尺寸小于波长的一半时，反射波中会产生干涉现像，因此可检测到的裂纹的最小尺寸是波长的一半。
为了检测小尺寸缺陷，在薄壁材料中采用较高频率的探头，而在厚壁材料中由于频率的增加造成波的衰减增加，因此无法采用较高频率的探头。
对于带角度的横波而言，频率给定为纵波波长的一半，则小缺陷可以得到检测，因此常规脉冲回波的检测非常重要。
在后面的章节中也能看到，对于一定尺寸和频率的晶片产生的横波波束扩散较少且波束强度更集中，则对缺陷尺寸的测量比纵波更加精确。
2.3脉冲回波检测缺陷
超声波检测通过采用超声波束对金属工件进行扫查实现。
如果波束中断返回探头的晶片使其振动并产生电信号，那么金属中的反射体就会被检测到。
为了使反射波能够返回，波束必须以适当的角度射到反射体上，这就是所谓的镜面反射。
如果相对于超声波束而言工件表面是倾斜的，那么探头将接收不到反射波，从而无法检测出工件中的缺陷。
在理想的位置上，随着倾斜角度的增加，波束返回晶片的速度成比例地快速下降。
角度倾斜5度将使波幅下降约6dB，而倾斜10度以上将导致波幅完全消失。
对常规脉冲回波而言，选择合适的角度检测工件中最易出现裂纹的地方也非常重要。
在实际应用中，合适的角度已经通过经验得出。
垂直的裂纹较难检测，其原因是发射到裂纹表面的适当角度的超声波束不易实现，而且可能需要一对探头来检测（双轴技术）。
在脉冲回波检测中，反射体由起始信号的高度与某个闸门的高度相比来决定。
在实践中，这个相对简单的概念很实用。
闸门的高度取决于在校准试块中标准反射体所得的反射波的信号幅值。
但是，由于反射信号的波幅受到反射体表面粗糙度和方向的影响，了解其可能的方向非常重要。
超声波检测不是完美的，操作者的技术和经验很重要，因此需要对操作者进行培训。
2.4利用脉冲回波技术检测缺陷尺寸
用脉冲回波技术对缺陷进行定量取决于缺陷的尺寸和波束的扩散。
（见图2.1）。
图2.1缺陷尺寸与波束传播的关系
假设缺陷的尺寸小于波束扩散的范围，则在超声波束中，缺陷的尺寸范围与反射波的波幅成比例。
这种情况下，缺陷尺寸的评定取决于具有相似范围的标准反射体的波幅。
各种校准试块中，标准反射体包括平底孔，侧壁孔或凹槽。
而其精确度取决于缺陷表面的粗糙度，方向则与超声波束有关。
如果缺陷的尺寸大于波束扩散的范围，缺陷的尺寸增大将不会影响信号的幅值，因为在波束范围以外的缺陷不会产生反射信号。
通过探头对缺陷的扫查，以及根据波幅的变化确定缺陷的位置，则缺陷尺寸检测完成。
图2.2所示是带角度的横波探头对未熔合缺陷尺寸的检测。
当探头移动到焊缝缺陷的起始处，则超声波束有所显示且波幅逐渐增加。
一旦缺陷信号
图2.26dB波幅法测量缺陷尺寸
填满波束，则波幅保持不变，直到波束达到缺陷的另一端，此时波幅开始下降。
以上分析称为距离波幅修正，在此假设的范围内波幅保持不变。
通过缺陷的最大波幅轨迹称为动态回波轨迹，如图2.2下面的图所示。
假设信号幅值的一半是最大信号处，则只有一半的缺陷在超声波束范围内，且探头的中心与缺陷的边缘相对应。
因此，如果探头在波幅减小6dB的位置做出了标记，则缺陷的尺寸可以测量出来。
如果探头在两个半波的位置间距是x毫米，则缺陷的宽度w为w=xcos（q），q是波束中心与探头所在位置的金属表面的夹角。
缺陷的高度h是h=xcos（q）sin（q）。
为了确定沿焊缝方向缺陷的长度，探头必须沿焊缝方向平行移动，得出最大波幅处以及波幅减少了6dB处。
这两个波幅之间的距离就是缺陷的长度。
因此由于缺陷表面不可能和常规超声波束一样平滑，表面散射的粗糙度不同，则波幅降低6dB的波幅值也不同。
根据第五届超声脉冲回波检测焊缝协会国际会议的IIS/IIW-580–86文件，下表列出了一些典型的能被检测出的缺陷的最小尺寸。
缺陷位置
厚度
长度
最小尺寸,mm
精度,+或-mm
最小长度,mm
精度,+或-mm
表面附近,
0-5mm深
3
3
4
5
壁中部,mm
5-25
3
3
4
4
25-75
3
3
7
7
75-125
5
5
10
10
底部,mm
10-25
4
4
4
4
25-75
4
4
7
7
75-125
5
5
10
10
2.5对比不同技术对缺陷尺寸定量精度的不同
其他技术也可进行缺陷尺寸定量。
对于表面开口缺陷，如果能够接近表面，则ACPD是一种精度高的技术。
当探头放置在缺陷的任一面，ACPD技术通过测定两接触表面的电压降来实现。
电压降由于受电流的作用而流向有缺陷的一面。
ACFM技术也可以检测近表面缺陷的尺寸。
最精确和有用的方法之一就是TOFD技术，此技术可以测出缺陷的高度。
TOFD技术也是本课程学习的重点。
下表列出了TOFD技术与其他技术裂纹尺寸定量精度的对比值，从而说明TOFD技术的重要性。
人工脉冲回波
4mm
ACPD（仅限于表面缺陷）
1mm
TOFD
1mm
TOFD用于监测裂纹生长
0.3mm
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