1 TOFD 原理及技术特点

TOFD 检测采用一对一发一收探头，原理如图1 所示。发射探头发射超声波在工件内传播，有一部分沿表面传播，直接被接收探头接收，该信号为最早到达接收探头，该信号称为直通波，一部分信号在工件中传播遇到焊缝中等的缺陷后在尖端产生衍射波，称为缺陷上端衍射波，该信号为副相位。同样，超声波在缺陷下端也会产生衍射波，称为缺陷下端波，该信号与上端衍射波相位相反。另外一部分超声经工件底面反射，称为底面波。由TOFD 原理可知，缺陷信号必然会出现在直通波之后而在底面波之前，所以，直通波和底面波就成为检测时识别缺陷回波的重要依据[1]。

作为一种应用广泛的无损检测技术，TOFD 有很多优点：

（1）TOFD 技术精度高。TOFD 技术定量精度远高于常规超声技术。对面积型缺陷或线性缺陷，TOFD 测量高度误差小于1mm，而对于长裂纹和未熔合缺陷高度测量误差更小。

（2）TOFD 技术可靠性好。衍射信号能发现任何方向的缺陷，TOFD 技术缺陷检测率高，高于常规超声技术。

（3）TOFD 技术易于保存。跟常规超声等技术相比，TOFD信号能全过程、大批量记录，易于保存及分析，为智能检测和识别提供大数据支持。

当然，TOFD 也存在一些缺点：

（1）TOFD 技术存在检测盲区。上表面缺陷因可能埋藏在直通波下而漏检。下表面存在底面盲区，位于熔合线缺陷信号可能因底面反射波漏检。

（2）TOFD 技术缺陷定性困难。TOFD 技术难以准确判断缺陷性质，目前缺陷的定性主要依靠检测人员的人工判断。

（3）TOFD 技术图像难以判断。数据分析依赖技术人员的经验，检测人员需要经过专业的培训。

2 TOFD 技术在承压设备无损检测中的具体应用

2.1 检测准备工作

在对压力设备进行无损检测前，有必要根据检测对象配制检测仪器。当TOFD 技术应用于压力设备无损检测的具体应用时，首先要调整数字式超声波探伤仪的参数、探头和仪器的灵活性。例如，探针设置包括探针中心距离、晶圆尺寸和探针频率等设置。对于薄壁承压设备，可采用较大的频率探头，通波信号与底波信号存在20 个周期以上的时差。对于厚壁承压色设备的检测，应采用低频探头靠近设备的下表面，较大频率探头靠近设备的上表面。将两个TOFD 探头的中心频率差控制在20%以内，保证信号覆盖的全面性。同时，由于检测灵敏度会直接影响检测增益值，所以在进行检测前，检测器还应适当调整TOFD 检测器的灵敏度。通常，灵敏度的设置是基于探测对象，如直波振幅设置为全屏40%。此外，扫描增量、脉冲重复频率、触发电压、信号平均等参数应准确设定和调整，以保证仪器接收到最全面、可靠的信号，得到理想的TOFD 图[2]。

2.2 缺陷定位、分类

承压设备在长期使用后，会受到多种因素的影响，产生不同程度的缺陷。以埋压管道为例。长期使用后，会出现外力损伤和内部腐蚀裂纹。在无损检测中，TOFD 技术可用于检测缺陷的长度和位置，识别不同类型缺陷的衍射信号。例如，在检测过程中，如果底波被碰撞损失修正打断或向较长传播时间的方向移动，则可判断设备存在地开型缺陷；或者在器件低端的绕射波中出现少量的减弱信号。通过对意外损失的修正，可以判断设备故障为开路缺陷。在检测过程中，可以利用TOFD 技术对设备进行多次扫描和标记，获得全面的设备故障信息。

2.3 盲区补充检测

在检测过程中，盲点的补充检测一直是关键问题之一。以表面盲区为例，主要分为以下盲区和上表面盲区。其中，通过波信号可以直接检测出上表面的盲区。在检测过程中，如果缺陷信号隐藏在贯穿波信号中，计算机无法接收到该信号，将影响信号的分析能力。在正常检查中，工件焊缝（主要是指长度小于或等于50mm 的焊缝）的检查中，上表面的盲区约为检查厚度的20%-23%。因此，在盲点补充检测中，必须对检测位置进行反复检测，以提高检测精度。在检测过程中，将衍射波信号送入探头，结合计算机技术，在计算机中形成TOFD 图像，结合图像分析，确定设备缺陷。

3 TOFD 在承压设备检测中的前景

目前压力设备的环缝焊接主要采用自动焊接和手工焊接两种方式。X 射线的拒收标准是基于工艺的。它是非常保守的评估严重的任何不完整的焊缝。然而，由于射线检查不能确定缺陷的垂直延伸，保守治疗是必要的。X 射线不易检测出角度差的平面缺陷（如未融合、裂纹等）。在大多数缺陷中，手工焊接和自动焊接没有太大的区别。自动焊接的主要缺陷是侧壁未熔合。手工焊接也会出现未熔合现象，但体积缺陷较为常见，如夹渣、空心焊道和气孔等。中心线裂纹与自动焊接有一定的关系，手工焊接更容易出现焊道下裂纹和根部裂纹。无论哪种方式，区分真正的缺陷和几何性能的反映都是至关重要的[3]。