检测技术在建筑钢结构工程中的应用探讨.doc

TOFD检测技术在建筑钢结构工程中的应用探讨
冯俊英
（河南省基本建设科学实验研究院有限公司，郑州 450000）
摘　要：本文介绍了TOFD检测技术的基本原理、适用范围、优缺点及其在建筑钢结构工程中的应用探讨、前景分析。
关键词：TOFD检测技术；建筑钢结构；无损检测
TOFD Detection Technology In The Application Of Construction Steel Structure Engineering
FENG Jun-ying
(Capital of /Henan Institute of Science Experiment Co.,Ltd , Zhengzhou 450000，China)
Abstract: TOFD detection techniques were introduced in this paper the basic principle, advantages, disadvantages, application scope and application in building steel structure engineering were discussed, prospects.
Key words: TOFD detection technology；Construction steel structure; Nondestructive testing

1 概述
超声波衍射时差法(Time Of Flight Diffraction， TOFD)是一种利用超声波衍射现象，利用缺陷端点的衍射波信号检测和测定缺陷尺寸的超声检测技术。近十几年来在欧洲和美洲等西方发达国家广泛应用；国内核电、石油等行业的大型压力容器及管道焊接检测也正逐渐推广。但是在国内建筑钢结构行业，该技术尚处于刚刚引入阶段。
2 TOFD检测技术的基本原理
TOFD检测技术是一种利用超声波衍射现象，非基于波幅的自动超声检测方法。TOFD 技术检测时使用1对或多对宽频带窄脉冲宽声束探头，每对探头分置在焊缝两侧，声束覆盖检测区域，遇到缺陷时产生反射波和衍射波。探头同时接收反射波和衍射波，通过测量衍射波传播时间、利用三角方程，来确定出缺陷的尺寸和位置。图1为 TOFD 技术的工作原理示意图。

图1 TOFD 检测技术的工作原理示意图
在工件无缺陷部位，发射超声脉冲后，首先达到接收探头的是直通波。然后是底面反射波。有缺陷存在时，在直通波和底面反射波之间，接收探头还会接收到缺陷处产生的衍射波或反射波。除上述波外，还有缺陷部位和底面因波型转换产生的横波，一般会迟于底面反射波到达接收探头。工件中超声波传播的路径见图2.缺陷处A扫描信号见图3.

图2 TOFD检测技术的声波传播路径

图3 缺陷处A扫描信号
一次扫查操作所得到的所有连续A扫描信号按照信号幅度取灰度或色度就形成了B、D 扫描显示。其中，B扫描为进行平行扫查时所得到的工件二维图像；D扫描为进行非平行扫查时所得到的工件二维图像，这样就得到一个完整 TOFD扫查图像（见图4）。

图4 TOFD 非平行扫查和典型的D扫描显示
3 TOFD检测技术的适用范围、优缺点
3.1 TOFD检测技术的适用范围：
a) 材料为低碳钢或低合金钢；
b) 截面全焊透的对接接头；焊接中两件表面构成大于或等于135°，小于或等于180°夹角的角接头。
c) 工件厚度t：12mm≤t≤400mm（不包括焊缝余高，焊缝两侧母材厚度不同时，取薄侧厚度）。
3.2 TOFD检测技术的优点：
a) TOFD检测技术融合了普通超声波和射线检测的优点：既可以检测较大厚度的焊缝，又能比较直观地显示检测结果；
b) 检测灵敏度高，缺陷检出率远大于其他常规检测方法；比常规脉冲回波超声检测更能对缺陷精确定位、准确定量；
c) 能准确测出侧向波、上端部散射波和下端部衍射波声程，很容易测知缺陷自身高度；
d) 检测速度快、效率高、重复性好；
e) TOFD检测安全环保、和其他工作可交叉作业。
3.3 TOFD检测技术的缺点：
a) 由于超声波的局限性对近表面的缺陷难以检出，通常需补充进行磁粉（MT）等表面检测；
b) 由于TOFD检测灵敏度很高，对粗晶材料的晶界反射信号不易区别；
c) 检测面光洁度要求较高，需打磨光滑平整；
d) TOFD检测对缺陷定性需要检测人员有丰富的经验，对焊接知识、生产、设备运行等相关的情况进行掌握；
e) TOFD检测需要的对比试块比较多，加工起来难度大，购买费用高。
4 TOFD检测技术在建筑钢结构工程中的应用探讨
建筑钢结构工程的无损检测主要是脉冲回波超声波、射线和磁粉检测。其中最常用、使用最多的是超声波检测，占建筑钢结构工程无损检测的80%左右；其次是射线和磁粉检测，占建筑钢结构工程无损检测的20%左右。超声波、射线检测都属于内部缺陷的无损检测方法，但是其原理和适用范围区别很大，并且有各自独特的优点和局限性。磁粉检测属于表面无损检测，主要辅助超声波、射线检测铁磁性材料构件表面和近表面的缺陷。根据现场检测情况将TOFD检测技术与脉冲回波超声波、射线检测技术的比较情况见下表。

TOFD 检测技术和脉冲回波超声波、射线检测技术的比较
方 法
项 目
TOFD检测
脉冲回波超声波检测（UT）
射线检测（RT）
检测效率
很高，线性扫查
较高，锯齿形扫查
一般，需要曝光和洗片时间
灵敏度
很高，对缺陷端点信号很敏感
较高，需表面耦合保证好
一般，对平行表面的缺陷不敏感
定位、定量
很高，对缺陷能精确定位、准确定量
较高，对缺陷定位、定量会有人为误差
对缺陷水平定量准，但是无法确定缺陷的深度
安全性
环保安全、无危害
无危害
对人体有害，需特别防护；对其他工作面施工干扰大
适用性
12mm≤t≤400mm截面全焊透的对接接头
基本能满足各种焊接件的检测
对较大厚度的构件无法穿透
检测成本
数据硬盘存储，无需其它耗材
耦合剂、探头等耗材
需要底片、洗片等耗材

5 结束语
通过比较，TOFD 检测技术具有对各种缺陷检出率高、检测速度快、重复性好、对人体无伤害、无须采取特殊环境防护措施、可交叉作业、检测数据经软件分析处理后结果直观并能长期保存等特点。T0FD 检测技术在特种设备、压力容器和水利等行业焊缝质量检测中的成功应用，给建筑钢结构行业也带来了启示：在建筑钢结构工程中，如果工件情况符合T0FD 检测技术的适用范围，我们完全可以把T0FD 检测技术运用到建筑钢结构工程中。使用T0FD 检测技术不仅能提高建筑钢结构工程的焊接质量，而且还能提高工作效率、缩短工期，减少了潜在环保风险，充分体现了现代建筑工程建设中“以人为本”的科学发展观理念。随着TOFD检测技术在国内无损检测领域的推广深入，该技术在建筑钢结构的焊缝质量检测中必将具有广阔的应用前景。

作者简介：冯俊英（1981—），女，工程师 ，河南省基本建设科学实验研究院有限公司钢结构检测所技术负责人,UTⅢ、MTⅢ、PTⅢ级。
参考文献
[1] 国电大渡河流域水电开发有限公司 华电郑州机械设计研究院有限公司。DL/T330-2010水电水利工程金属结构及设备焊接接头 衍射时差法超声检测[S]。北京：中国电力出版社，2011
[2] ASTM E2373-2004 TOFD 技术标准[起草单位ASTM,国际分类号71.040.99, 发布日期2004年 [S].
[3] 中国特种设备检测研究院。JB/T4730.10- 承压设备无损检测 TOFD检测[S]。征求意见稿