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TOFD和相控阵超声技术的应用
作者：郭文江
来源：《中国电气工程学报》2018年第10期
摘要：沙特拉比格项目部关于无损检测方法的选用，检测中心与业主探讨多次，业主坚决不同意手动超声，要求全部采用射线探伤，故探伤工作量很大。由于工期紧的原因，采用自动超声的新技术TOFD和相控阵，这样可以交叉作业，降低工作强度，提高探伤效率，保证工程进度。通过沙特拉比格项目部一年多的TOFD和相控阵超声检测的实践经验，TOFD和相控阵超声波检测技术已经被证实是非常实用于现场焊缝检测的无损检测方法。在检测的过程中，展现出相当的优越性，如高效率，安全，低成本，储存数据，提高生产率等。 1.检测原理
TOFD和相控阵超声是两种不同的检测原理，所以我们分别阐述并两者结合总结。 1.1 TOFD（衍射時差法）超声技术是利用缺陷部位的衍射波信号来检测和测定缺陷尺寸的一种超声波检测方法，通常使用纵波斜探头，采用一发一收模式。
1.2 相控阵超声技术是借鉴相控阵雷达技术的原理而发展起来的。相控阵成像是通过控制换能器阵列中各阵元激励（或接收）脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射（或接收）声波到达（或来自）物体内某点时的相位关系，就可实现聚焦点和声束方位的变化，从而进行扫描成像。
2.现场应用
在沙特拉比格项目部，经过一年的实践应用，充分体现了TOFD和相控阵的可靠性、实用性、高效率、低成本，储存数据和提高生产率的优点，同时也是提高公司TOFD和相控阵超声波应用水平和开展技术研究是一项绝好的机会。
以下列举沙特拉比格项目部的过热器连接管道?508×55的应用图例。
2.1 在相控阵检测前，应根据焊接信息（坡口类型，坡口角度，壁厚，对接形式等）选择探头，制定详细的扫描计划。如图1和表1是过热器连接的扫查计划和探头参数。 2.2采集数据图像
采集的数据可以根据实际情况，转化为JPG格式的图片，附加在报告上。转化为的图像如图2和图2所示： 2.3 数据的评定
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采集数据的评定，即可在检验时进行评定，也在采集后进行评定，也可共第三方凭定。如图2和图3所示，我们可以很清楚的看出，此焊口存在密集型夹渣渣缺陷。然后利用对缺陷进行测量（包括长度，宽度和深度），出具报告。 3.与传统检测方式的比较的优缺点
1.以上数据是根据沙特第三方检测公司的平均探伤效率而定； 2.射线源拟定为40ci；
3.射线的等待时间包括胶片处理时间，评定时间和出具报告时间。 表2：射线，超声和相控阵及TOFD的比较
从表中，与传统检测方式相比，可以看出相控阵和TOFD有以下优点： 检测效率高；
不需要安排专门的探伤时间，利用提高生产率；
检验信息及时性，能够快速得到检测结果，利用焊缝的返修和质量的控制； 缺陷信息准确，利于焊缝的返修；
安全，没有射线事故的隐患，利用工作的开展； 数据储存，可以供第三方审查。
当然与传统的检测方式相比，缺点主要在于： 设备昂贵；
设备比较复杂，调节仪器的时间比较长； 对于壁厚小于6mm的薄壁焊缝还有待研究；
倾向于“过分夸大”中下部缺陷和部分良性缺陷，比如气孔、夹层等； TOFD数据分析对检测人员要求高。 4.TOFD和相控阵之间的优缺点
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由于TOFD和相控阵是不同的检测技术原理，所以两种技术也存在各自的优缺点。在这里阐述各自的优缺点，并根据其特点解决现场的问题。
4.1 TOFD由于是利用缺陷波的衍射原理和采用一发一收的至少两个探头进行检测，所以对于直管对弯头处焊缝，就不能采取TOFD技术。相控阵技术不受此结构的限制，可以单探头进行检测。
4.2 TOFD检测速度较快，相控阵较慢，所以对于直管焊缝易采用TOFD提高检验效率。 4.3 TOFD易受外界环境影响，产生噪音，生成不良的图像，如电压不稳，磁场影响，外界震动及外界电焊施焊等因素，但相控阵不易受到外界的影响，所以相控阵易使用在外界因素较多的施工区域。
4.4 TOFD的价格与相控阵相比，较为便宜。在沙特拉比格项目部，两者的报价都是一样的，但其他第三方的相控阵报价比TOFD稍高。
4.5 TOFD对于表面及根部缺陷的发现相对困难，但相控阵相对容易发现。在沙特拉比格项目部，对近表面5mm的试块进行比较，TOFD成像相对模糊，相控阵较容易发现，但两者结合可实现焊缝100%的扫查检测。国外知名厂家的检测仪器可以实现两者检测方法同时检测的功能。
综上优缺点所述，根据现场焊缝的实际情况，适宜选择这两种方法或者两者结合进行检测，以符合标准要求和质量要求。 5.机械装置
一般来说，只要扫描仪器能够满足手动和自动相控阵的要求，都是可接受的，两者都具有与焊缝固定距离的支撑架，都能满足数据采集的要求。图3是手动相控阵的机械装置的图片。 6.结论
相控阵及TOFD超声技术代替射线检测进行无损检测在沙特拉比格项目部得到了成功的应用，涉及范围包括油罐，高压管道，低压管道等。业主也肯定了相控阵和TOFD的作用了，在沙特拉比格项目部取得了良好的质量效益、经济效益、工期效益、安全效益，为项目部的工程推进发挥了巨大的作用。此项技术具有多项优势，必将在以后无损检测行业广泛的应用，必将在中国的电建行业广泛的应用。 7.参考
1.ASME I -2010 锅炉建造篇