TOFD技术与射线技术在焊接接头检测中的对比 - 图文

TOFD检测技术和RT检测技术在焊接接头检测中的对比实验

徐生东

1

张鹏林

2

（1.兰州石化公司建设公司 甘肃兰州730060；2.兰州理工大学材料工程学院 甘肃兰州 730060） 摘要：本文介绍了TOFD 技术的基本概念、原理、特点，以及TOFD与RT技术对比试验结果等，并提出承压设备焊接检测工作使用TOFD 技术替代射线方法的新局面。

关键词：TOFD技术 标准 射线检测 检测能力 对比试验 应用效果

TOFD detection and RT detection technology in the

welding experiments of joint detection

Xu Shengdong Zhang Penglin

1

2

(1 Petrochemical Industries Co of Lanzhou construction company Gansu Lanzhou

730060; 2College of materials engineering Lanzhou University of

Technology Gansu Lanzhou 730060)

Abstract: This paper introduces the basic concepts of TOFD technology, principle, characteristics, and the TOFD and RT technology in comparison to the experimental results, and proposes the bearing pressure equipment welding inspection work using TOFD technology instead of X-ray method a new situation.

Key words: TOFD technology standard ray detection ability contrast experiment and application effects 1 概述

由于TOFD的缺陷高检出率和缺陷深度定位的准确性以及检测的高效率，TOFD技术在国内已用于天然气管道、加氢反应器等焊缝的检测。与X射线检测技术相比，TOFD技术更为直接、检测更快捷、准确度更高、可重复性更好，无需更多的安全防护措施，并能检测出X射线无法检测到的缺陷等特点。为验证TOFD检测技术相对于RT检测技术的优越性，以及在承压设备对接焊缝上的适用性，我们分别在焊接试板及承压设备筒体对接焊缝上联合进行了TOFD与RT检测能力对比试验。使用欧宁检测技术有限公司的Olympus检测系统，试验取得了较好的效果，并已成功地用于承压设备焊缝的检测 2 TOFD的技术特点及原理

TOFD技术作为一种较新的超声波检测技术，不同于以往的超声脉冲反射法和声波穿透法等技术，它利用的是在固体中声速最快的纵波在缺陷端角和端点产生的衍射来进行检测。在焊缝两侧，将一对频率、尺寸和角度相同的纵波斜探头相向对称放置，一个作为发射探头，另一个作为接受探头。发射探头发射的纵波从侧面入射被检焊缝断面。部分波束沿近表面传播被接受探头接受，部分波束经底面反射后被接受探头接受，通过各个声波信号之间到达的时间差并形成特殊TOFD图象，显示缺陷位置、高度、形状等

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 徐生东 1972年 男 汉族 甘肃 兰州石化公司 无损检测责任师 高级工程师 学士学位 RTIII UTIII PTIII MTIII TOFDII

信息。特点是成像直观，检测速度快，能全程记录检测过程并可实现数据回放。在无缺陷部位，接收探头会接收到沿试件表面传播的侧向波和底面反射波。而有缺陷存在时，在上述两波之间，接收探头会接收到缺陷上端部和下端部的衍射波。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脉冲反射检测技术。相比常规的脉冲反射技术，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；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。 3 对比试验

3.1 焊接试板的TOFD、RT检测 3.1.1 焊接试板的工艺参数如下表：

焊接试板的工艺参数

试板编号 B2 B3 B4 材质 Q245R 板厚（mm） T=60 规格（mm） 500×600 数量 3 坡口形式 X型 焊接方法 SMAW 3.1.2 焊接试板的TOFD检测

（1）焊接试板采用两通道非平行扫差方式进行检测。 （2）检测区域为焊缝本身宽度加焊缝两侧热影响区范围。 （3）焊接试板TOFD检测工艺参数如下表：

焊接试板TOFD检测工艺参数

通道1 通道2 频率 晶片尺寸 楔块角度 探头延迟 探头中心间距 5MHz 5MHz φ6mm φ6mm 70° 60° 5.2μs 5.2μs 76 mm 144 mm 灵敏度设置 扫查增量 直通波80% 底波80%+25dB 1mm 1mm （4） 检测数据的采集，对于确认为是相关显示的，应进行分类并测定其位置和尺寸，主要采集的数据有缺陷位置、缺陷长度、缺陷深度、缺陷自身高度。 3.1.3 焊接试板的RT检测

（1）焊接试板采用单壁单影Ir-192γ射线进行RT检测，照像质量等级AB级。 （2）焊接试板RT检测工艺参数如下表：

A焊接试板RT检测工艺参数

源种类 透照厚度(mm) 实际L3(mm) Ir192 52 250 设备型号 像质指数 拍片张(张) DL-IID 8 3 焦点尺寸 透照方式 源 活 (Ci) 3×3mm 纵缝单壁 70 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 徐生东 1972年 男 汉族 甘肃 兰州石化公司 无损检测责任师 高级工程师 学士学位 RTIII UTIII PTIII MTIII TOFDII

曝光时间min 19分 胶片牌号 冲洗方式 显、定影时间 柯达胶片AA400 手工 胶片规格 增感屏铅 80×300 前0.1mm 后0.1mm 像质计型号 Fe (6-12) 显、定影温度 20℃±2℃ 5/15分钟 （3） 底片上,定位和识别标记影像应显示完整、位置正确，底片评定范围内的黑度D应符合2.0≤D≤4.0，底片评定范围内不应存在干扰缺陷影像识别的水迹、划痕、斑纹等伪缺陷影像。

（4） 检测数据的采集，对于确认为是相关显示的，应进行分类并测定其位置和尺寸，主要采集的数据有缺陷性质、缺陷位置、缺陷长度。 3.2 承压设备纵、环焊缝TOFD、RT检测

：

3.2.1 承压设备纵、环焊缝工艺参数如下表：

承压设备纵、环焊缝工艺参数：

焊缝编号 环焊缝C1-1 纵焊缝C1-2 材质 Q245R Q245R 板厚（mm） 焊缝长度（mm） T=32 T=32 250 250 数量 1 1 坡口形式 X型 X型 焊接方法 SMAW SMAW 3.2.2 承压设备纵、环焊缝的TOFD检测。

（1） 承压设备纵、环焊缝采用单通道非平行扫差方式进行检测。 （2） 检测区域为焊缝本身宽度加焊缝两侧热影响区范围。 （3） 承压设备纵、环焊缝TOFD检测工艺参数如下表：

承压设备纵、环焊缝TOFD检测工艺参数

通道1 频率 晶片尺寸 楔块角度 探头延迟 探头中心间距 灵敏度设置 5MHz φ6mm 60° 5.2μs 74mm 直通波80% 扫查增量 1mm （4）检测数据的采集，对于确认为是相关显示的，应进行分类并测定其位置和尺寸，主要采集的数

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徐生东 1972年 男 汉族 甘肃 兰州石化公司 无损检测责任师 高级工程师 学士学位 RTIII UTIII PTIII MTIII TOFDII

据有缺陷位置、缺陷长度、缺陷深度、缺陷自身高度。 3.2.3 承压设备纵、环焊缝的RT检测

（1） 承压设备纵、环焊缝采用单壁单影Ir-192γ射线进行RT检测，照像质量等级AB级。 （2）承压设备纵、环焊缝RT检测工艺参数如下表：

承压设备纵、环焊缝RT检测工艺参数

源种类 透照厚度(mm) 实际L3(mm) 曝光时间min 像质计型号 Ir192 32 250 6分 Fe (6-12) 设备型号 像质指数 拍片张(张) 胶片牌号 冲洗方式 DL-IID 10 1 柯达胶片AA400 手工 增感屏铅 显、定影温度 20℃±2℃ 显、定影时间 5/15分钟 后0.1mm （3） 底片上,定位和识别标记影像应显示完整、位置正确，底片评定范围内的黑度D应符合2.0≤D≤4.0，底片评定范围内不应存在干扰缺陷影像识别的水迹、划痕、斑纹等伪缺陷影像。

（4）检测数据的采集，对于确认为是相关显示的，应进行分类并测定其位置和尺寸，主要采集的数据有缺陷性质、缺陷位置、缺陷长度。 4分析表征

4.1焊接试板的检测对比分析

4.1.1 B2焊接试板TOFD、RT检测，缺陷定位、缺陷定量分析。 （1） B2焊接试板TOFD检测缺陷示意图如下：

B2焊接试板TOFD检测缺陷示意图

焦点尺寸 透照方式 源 活 (Ci) 胶片规格 3×3mm 单壁 70 80×300 前0.1mm 缺陷6

缺陷1 缺陷2 缺陷3 缺陷4 缺陷5

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（2） B2焊接试板TOFD检测结果如下表:

B2焊接试板TOFD检测结果

（3） B2焊接试板RT检测缺陷示意图如下：

序号 1 2 3 4 5 6 焊缝编号 焊缝厚度(mm) 缺陷位置X(mm) 长度L(mm) B2 B2 B2 B2 B2 B2 60 60 60 60 60 60 11 154 268 421 555 448 119 45 14 24 43 33 深度d1(mm) 高度h(mm) 27 26.9 27.1 36.6 28.1 9.2 9 0 8.4 0 12.1 5.3 B2焊接试板RT检测缺陷示意图

缺陷2 缺陷1

缺陷3

缺陷4

（4） B2焊接试板RT检测结果如下表:

B2焊接试板RT检测结果

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序号 1 2 3 4 检测部位编号 B2 B2 B2 B2 底片 编号 1 1 2 3 缺陷类型及数量 条形缺陷48mm 条形缺陷10mm 圆形缺陷12点 圆形缺陷＞30点 4.1.2 B3焊接试板TOFD、RT检测，缺陷定位、缺陷定量分析。 （1） B3焊接试板TOFD检测缺陷示意图如下：

B3焊接试板TOFD检测缺陷示意图

缺陷2

缺陷1 缺陷3

（2）B3焊接试板TOFD检测结果如下表:

B3焊接试板TOFD检测结果

焊缝厚度 序号 1 2 3 焊缝编号 (mm) B3 B3 B3 60 60 60 X(mm) 6 248 545 L(mm) 488 4 47 d1(mm) 26.4 8 27.2 h(mm) 11 8 7.3 缺陷位置 长度 深度 高度 （3） B3焊接试板RT检测缺陷示意图如下：

B3焊接试板RT检测缺陷示意图

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缺陷1

缺陷2

缺陷3

（4）B3焊接试板RT检测结果如下表:

B3焊接试板RT检测结果

序号 1 2 3 检测部位编号 B3 B3 B3 底片 编号 1 2 3 缺陷类型及数量 未焊透300㎜ 圆形缺陷 未熔合70㎜ 4.1.3 B4焊接试板TOFD、RT检测，缺陷定位、缺陷定量分析。 （1） B4焊接试板TOFD检测缺陷示意图如下：

B4焊接试板TOFD检测缺陷示意图

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 徐生东 1972年 男 汉族 甘肃 兰州石化公司 无损检测责任师 高级工程师 学士学位 RTIII UTIII PTIII MTIII TOFDII

缺陷1 缺陷1

（2）B4焊接试板TOFD检测结果如下表:

B4焊接试板TOFD检测结果

焊缝厚度 序号 1 焊缝编号 (mm) B4 60 X(mm) 0 L(mm) 600 d1(mm) 26.2 h(mm) 21.4 缺陷位置 长度 深度 高度 （3）B4焊接试板RT检测缺陷示意图如下：

B4焊接试板RT检测缺陷示意图

缺陷1

缺陷1

缺陷1 缺陷1

（4）B4焊接试板RT检测结果如下表:

B4焊接试板RT检测结果

序号 1 检测部位编号 B4 底片 编号 1 缺陷类型及数量 未熔合300mm ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 徐生东 1972年 男 汉族 甘肃 兰州石化公司 无损检测责任师 高级工程师 学士学位 RTIII UTIII PTIII MTIII TOFDII

4.2现场承压设备焊缝的检测对比分析

4.2.1现场承压设备环焊缝C1-1 TOFD、RT检测，缺陷定位、缺陷定量分析 （1） C1-1环焊缝TOFD检测缺陷示意图如下：

C1-1环焊缝TOFD检测缺陷示意图

缺陷1 缺陷2

（2）C1-1环焊缝TOFD检测结果如下表:

C1-1环焊缝TOFD检测结果

焊缝厚度 序 号 1 2 焊缝编号 (mm) C1-1 C1-1 32 32 X(mm) 288 328 L(mm) 25 17 d1(mm) 9 8.9 h(mm) 0 0 缺陷位置 长度 深度 高度 （3） C1-1环焊缝RT检测缺陷示意图如下：

C1-1环焊缝RT检测缺陷示意图

缺陷1 缺陷2

（4）C1-1环焊缝RT检测结果如下表:

C1-1环焊缝RT检测结果

序号 1 2 检测部位编号 C1-1 C1-1 底片 编号 1 1 缺陷类型及数量 1.条形缺陷22㎜ 2.条形缺陷15㎜ 4.2.2现场承压设备纵焊缝C1-2 TOFD、RT检测，缺陷定位、缺陷定量分析 （1）C1-2纵焊缝TOFD检测缺陷示意图如下：

C1-2纵焊缝TOFD检测缺陷示意图

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缺陷1 缺陷2 缺陷3 缺陷4 缺陷5 缺陷6

（2）C1-2纵焊缝TOFD检测结果如下表:

C1-2纵焊缝TOFD检测结果

焊缝厚度 序 号 1 2 3 4 5 6 焊缝编号 (mm) C1-2 C1-2 C1-2 C1-2 C1-2 C1-2 32 32 32 32 32 32 X(mm) 69 120 148 200 266 338 L(mm) 26 12 38 28 27 68 d1(mm) 12.4 12.9 12.8 13.2 9.4 11.5 h(mm) 0 0 0 0 0 0 缺陷位置 长度 深度 高度 （3）C1-2纵焊缝RT检测缺陷示意图如下：

C1-2纵焊缝RT检测缺陷示意图

缺陷5 缺陷1 缺陷2 缺陷3 缺陷4

（4）C1-2纵焊缝RT检测结果如下表:

C1-2纵焊缝RT检测结果

序号 1 2 3 4 5 检测部位编号 C1-2 C1-2 C1-2 C1-2 C1-2 底片 编号 1 1 1 1 1 缺陷类型及数量 条形缺陷4㎜ 条形缺陷16㎜圆形缺陷6点 条形缺陷19㎜ 圆形缺陷18点 条形缺陷27㎜ 4.3 TOFD与RT检测技术缺陷检出可靠性对比分析

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4.3.1 检测试件缺陷检出数量比较如下表：

试件缺陷检出数量

检测方法 试件编号 TOFD B2 B3 B4 C1-1 C1-2 合计 6 3 1 2 6 18 RT 4 3 1 2 5 15 4.3.2 从检出缺陷数量判断，TOFD检测检出缺陷18个，RT检测检出缺陷15个，说明缺陷检出率TOFD＞RT， RT检测漏检缺陷3个

4.3.3 TOFD检测衍射信号不受声束角度影响，任何方向的缺陷都能有效发现，而射线透照厚度和缺陷形状对RT检测影响较大，对于较厚工件选择γ射线源检测灵敏度会下降，从而导致缺陷漏检。当射线垂直透照到自身高度较小的面积型缺陷时，极易发生漏检。 4.4 TOFD与RT检测技术检出缺陷定量精度分析

4.4.1 缺陷的定量主要包括缺陷长度、缺陷深度，在现场承压设备环焊缝C1-1进行现场缺陷返修时，对缺陷大小及位置进行了实际测量，如下图：

C1-1焊缝剖视缺陷图

缺陷2 缺陷1

C1-1焊缝剖视缺陷长度测量图

缺陷2 缺陷1

C1-1焊缝剖视缺陷深度测量图

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4.4.2现场承压设备环焊缝C1-1的 TOFD、RT检测技术检出缺陷长度及实际长度如下表：

试件C1-1检出缺陷长度

检测方法 焊缝编号 缺陷编号 TOFD 1 C1-1 2 17mm 15mm 17mm 从检出缺陷长度可以得出如下结论：TOFD检测缺陷1长度误差1mm，缺陷2长度误差0mm；RT检测缺陷1长度误差4mm，缺陷2长度误差2mm；因此，在长度定量精度方面TOFD＞RT。 4.4.3 现场承压设备环焊缝C1-1的 TOFD、RT检测技术检出缺陷深度及实际长度如下表：

试件C1-1检出缺陷深度

检测方法 焊缝编号 缺陷编号 TOFD 1 C1-1 2 8.9mm / 9mm 首先RT检测只能得到缺陷的俯视图信息，无法判断缺陷的深度和自身高度，这对于缺陷返修来说无法判断返修的深度和返修的顺序。从环焊缝C1-1检出缺陷深度可以得出如下结论：TOFD检测缺陷1深度误差0mm，缺陷2深度误差0.1mm。

4.4.4 TOFD检测可以测定缺陷自身的高度，而RT检测无法测定缺陷自身的高度，这样对一些缺陷的危害性就得不到充分认识。

4.5 TOFD与RT检测技术缺陷检出所用时间对比分析 4.5.1 检测试件检出缺陷所用时间数量比较如下表：

试件检出缺陷时间（min） 检测方法 试件编号 TOFD RT ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 徐生东 1972年 男 汉族 甘肃 兰州石化公司 无损检测责任师 高级工程师 学士学位 RTIII UTIII PTIII MTIII TOFDII

实际测量 RT 22mm 26mm 25mm 实际测量 RT / 9mm 9mm

B2 B3 B4 C1-1 C1-2 合计 30 15 5 10 30 90 70 70 70 30 30 270 （2） 从缺陷检出所用时间数量判断，TOFD检测检出18个缺陷所用时间90min，RT检测检出15个缺陷所用时间270min。因此缺陷检出速率TOFD检测为5min/个，RT检测为18min/个。说明缺陷检出时间TOFD＜RT。TOFD检测缺陷检出时间是RT检测缺陷检出时间的28%。

（3） TOFD检测一次扫查几乎能够覆盖整个焊缝区域，可以实现非常高的检测速度TOFD检测简单快捷，最常用的非平行扫查只需一人即可以操作，探头只需沿焊缝两侧移动即可，，检测效率高，成本低。而UT检测需做锯齿扫查操作较繁琐耗时长，RT检测需要布片、曝光、洗片、评定过程繁琐，耗时长，效率低下。 5. 检测应用

在对比试验后，TOFD技术在承压设备对接焊缝现场制造、安装焊缝检测中试用。先后对多台容器筒体对接焊缝在UT检测合格后进行TOFD检测代替RT，并采用与对比试验相同的检测工艺。由于“丁字缝”处几何形状复杂，仍然采用RT。 6结果与讨论

6.1 TOFD检测结果与RT检测结果都是以二维图像显示，不同的是TOFD能对缺陷的深度和自身高度进行精确测量，而射线只能得到缺陷的俯视图信息，对于判断缺陷危害性程度的重要指标，厚度方向的长度，射线是很困难的。

6.2 TOFD技术可探测的厚度大，对厚板探伤的效果比较明显，但射线对厚板的穿透能力非常有限。

6.3 TOFD技术检测缺陷的能力非常强，特殊的探伤方式使其具有相当高的检出率，约90%左右，而相比之下，射线检测的检出率稍低，大约75%，在实际工作中，我们也发现有TOFD检测出来的缺陷，X射线未能发现的情况，这给质量控制带来了极大的隐患。 6.4 TOFD技术所采集的是数据信息，能够进行多方位分析，甚至可以对缺陷进行立体复原。这是因为TOFD技术是将扫查中所有的原始信号都进行了保存，在脱机分析中我们可以利用计算机对这些原始信号进行各种各样的分析，以得出更加精确的缺陷判断结果；而

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射线检测只能将射线底片置于观片灯前进行分析，不可以再进一步利用软件对缺陷进行更加全面的分析。

6.5 TOFD检测操作简单，扫查速度快，检测效率高；而射线检测过程繁琐，耗时长，效率低下。

6.6 TOFD技术是利用超声波进行探伤，对检测时的工作环境没有特殊的要求。超声波检测是一种环保的检测方式，对使用人员没有任何伤害，所以在工作场合不需要特殊的安全保护措施；而射线检测因其放射的危害性受到国家政策的严格控制，现场只能单工种工作，降低了检测工作效率，阻碍了整个工程进度。

6.7 TOFD检测成本低，重复成本少；而射线检测，建造暗室需要较高的投入，平时工作中的耗材成本重复发生，综合成本相对较高。

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