TOFD檢測技術起源于英國的Harwell實驗室，最早作為一種缺陷精確定量的工具應用在英國的核電領域。隨著TOFD檢測技術的逐步成熟，其檢測速度快、不受缺陷走向影響等優點也逐漸被熟知，進而發展為一項獨立的超聲無損檢測技術。

隨著技術的發展，國內外涌現出了不少針對焊縫的TOFD檢測方法標準及驗收標準，比較有代表性的有ISO 10863-2020《焊縫無損檢測-超聲檢測-衍射時差法技術》、ISO 15626-2018《焊縫無損檢測技術-衍射時差法技術-驗收等級》、ASTM E2373-2004《超聲波衍射時差技術》、ASME BPVC CC BPV-2015《超聲檢查代替射線照相術的應用》、NB/T 47013.10-2015《承壓設備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測》、GB/T 41115-2021《焊縫無損檢測 超聲檢測 衍射時差技術（TOFD）的應用》、GB/T 41116-2021《焊縫無損檢測 衍射時差技術（TOFD） 驗收等級》等。

然而，ISO標準及GB標準更多表述的是技術本身。ISO 16828-2012和GB/T 23902-2021標準中，都提到了TOFD檢測時的上下表面盲區、空間分辨力、定位誤差等問題，但沒有明確其對實際應用的影響程度及其補充措施。在ISO 10863-2020以及GB/T 41115-2021標準中，也只對焊縫檢測時的通用工藝做了規定，并未詳細明確各工藝條件下TOFD技術中檢測能力不足的區域。

作為國內影響力較大的行業標準，NB/T 47013.10-2015標準中詳細描述了TOFD檢測所需達到的最小覆蓋范圍，即要求掃查面盲區及底面盲區均小于1 mm，當掃查面盲區不能達到上述要求時建議輔以超聲脈沖反射法予以補充檢測；同時，提出了盲區測試試塊，用以判斷掃查面盲區的真實范圍，增加了TOFD檢測方法的實用性及可操作性。但略有遺憾的是，NB/T 47013.10-2015標準中未對空間分辨力帶來的影響做出進一步的規定。

TOFD技術空間分辨力及其影響

與掃查面盲區類似，空間分辨力的局限性主要源于信號的占寬，不同的是掃查面盲區源于直通波信號的占寬，而空間分辨力的局限性主要源于缺陷上端信號的占寬，空間分辨力限制的產生原理如圖1所示。

圖1 空間分辨力限制的產生原理示意

t0，t1，t2分別為直通波、缺陷上端點、缺陷下端點信號出現時間

由圖1可見，當缺陷下端信號對應的出現時間t2位于上端信號持續時間之內時，缺陷上端信號和下端信號將發生混疊，檢測人員無法順利分辨出缺陷的上下端，進而無法順利對缺陷的高度進行分析。

由于TOFD檢測不以缺陷波高作為缺陷大小評判的依據，準確地說，由于TOFD檢測時的衍射波波幅與缺陷實際尺寸之間不存在相關性，故不能以缺陷波高作為缺陷大小評判的依據。所以，目前使用TOFD技術時，只能采用基于缺陷長度和缺陷自身高度的缺陷評定方法。

部分TOFD驗收標準中的驗收要求如表1所示，表中所列數據均為標準中對應的I級驗收要求。以ISO 15626-2018標準中的1級驗收標準為例，當焊縫母材厚度為15~50 mm時，如埋藏型缺陷的自身高度h3大于3 mm，則該缺陷應予以拒收；若缺陷自身高度h1小于1 mm，該缺陷可以不予考慮。我國NB/T 47013.10-2015標準中也有類似的表述及要求，但增加了累計長度的要求。這就意味著在檢測區域內，應至少能夠在需要關注的區域準確測量出自身高度大于1 mm的缺陷。換言之，在檢測區域內的任何位置，都應能區分自身高度大于1 mm缺陷的上下端信號。否則，在分辨力不足的區域，雖然能發現缺陷，卻無法對缺陷進行準確測量和判斷，也就無法按照驗收標準對該區域內缺陷進行評定及驗收，從而導致出現無效檢測區域。

表1 不同標準對缺陷自身高度的要求（mm）

典型設置下的空間分辨力限制區域分析

由于TOFD圖像在深度方向上與時間軸的非線性關系，TOFD檢測時的空間分辨力也受到缺陷位置的影響。在探頭中心距（PCS）相同的情況下，深度越大的位置，時間間隔相同的兩個點之間對應的深度差越大。故TOFD檢測時，在相同參數設置的情況下，越靠近上表面的區域，其空間分辨力越差；越靠近底面的位置，其空間分辨力越好。與掃查面盲區類似，在其他參數不變的情況下，減小PCS、增加探頭頻率有助于改善同一深度位置處的空間分辨力。GB/T 23902-2021標準中給出了空間分辨力的計算公式：

式中：tp為單個脈沖的持續時間；td為d深度位置聲波的傳播時間；S為探頭中心距的一半；c為聲速。

從式(1)可以看出，標準GB/T 23902-2021中定義的空間分辨力，要求兩個衍射點的衍射信號完全分離。

一般情況下，按照探頭信號為2個周期計算，要完全實現上下端信號的分離，即需要缺陷上下端信號接收時間差大于2個信號周期。現實條件下，考慮到時差較大的信號疊加后可能會導致信號周期數的明顯增加，從經驗上采取“數周期”的方法可在一定程度上輔助辨別信號的上下端位置，因此也可假定當缺陷上下端時差大于1個信號周期時，則可較為準確地識別缺陷的上下端信號。

為方便計算，對式(1)進行改造得出：

式中：當定義了S、c以及最小時差Δt時，Rd即為特定設置下d深度位置的空間分辨力；當d=0時，R0即為直通波產生的上表面盲區。

以厚度為21 mm焊縫的TOFD檢測為例，按照NB/T 47013.10-2015標準及其推薦設置，可選擇5 MHz，直徑為6 mm的探頭，60°縱波楔塊，使主聲束相交于2/3板厚處。此時S=PCS/2=24.2 mm，c=5.9 mm/μs。假設認為1個周期的時間差即可分辨缺陷上下端，則Δt=0.2 μs，此時可計算出不同工藝檢測厚度為21 mm的焊縫時各深度處的空間分辨力，其結果如圖2所示。

圖2 不同工藝檢測厚度為21 mm的焊縫時各深度處的空間分辨力

從圖2中可以看出，如使用5 MHz的探頭進行檢測，當檢測深度小于17 mm時，其空間分辨力均不足1 mm，當檢測深度小于6.5 mm時，其空間分辨力不足2 mm。也就是說，對厚度為21 mm的焊縫試塊進行檢測時，在0~17 mm深度內，5 MHz探頭對自身高度小于1 mm的缺陷無法實施有效測量，在0~6.5 mm深度內，對自身高度小于2 mm的缺陷無法實施有效測量。如使用10 MHz的探頭進行檢測，當檢測深度大于6.5 mm時，才可達到1 mm的空間分辨力。

當定義2個周期以上的時差才可能分辨缺陷上下端時，即Δt=0.4 μs，空間分辨力還將成倍下降，其空間分辨力如圖2c和d所示。

CIVA軟件模擬驗證

為驗證理論分析結果的準確性，采用CIVA軟件分別對該工藝條件下，不同臨界埋藏深度及不同自身高度的缺陷進行了模擬檢測，其中探頭帶寬設置為80%，信號持續時間為2個周期。模擬檢測缺陷參數如表2所示，臨界缺陷的CIVA仿真檢測結果如圖3所示。

表2 模擬檢測缺陷參數（mm）

圖3 臨界缺陷的CIVA仿真檢測結果

圖3中從左到右依次為1~4號缺陷的顯示，可以看出使用5 MHz探頭時，很難分辨深度為6.5 mm、高度為1 mm缺陷的自身高度；當其深度增加到17 mm時，雖上下端信號未能完全分離，但勉強可以通過技術手段分辨其上下端信號。當使用10 MHz探頭時，勉強可通過“數周期”的方法分析深度為6.5 mm、高度為1 mm缺陷的自身高度，但難度較大；當深度增加到17 mm時，可清晰分辨其自身高度。即仿真結果與理論分析結果表現出良好的一致性。

結 語

TOFD檢測技術在應用過程中，除上下表面盲區會對檢測造成較大影響外，空間分辨力也是一個較大的影響因素。在空間分辨力受限制的位置，雖能夠實現缺陷信號的識別，但自身高度較小的缺陷上下端信號無法明顯分離，故無法依據信號對缺陷進行準確定量及驗收。在實際應用中，若不能明顯區分上下端的缺陷，均按照自身高度小于1 mm的標準進行評定，將造成標準的嚴重誤用，引起質量風險。

在使用TOFD技術時，應綜合考慮直通波盲區以及近表面附近空間分辨力不足的區域。可通過將二者一并定義為“檢測面檢測受限深度范圍”來劃分TOFD技術的有效檢測區域，從而更有針對性地制定TOFD檢測時的補充檢測方案。

作者：楊齊1，劉禮良1，曹海靜1,2

工作單位：1.中國特種設備檢測研究院

2.中特檢檢測科技（北京）有限公司

第一作者簡介：楊齊，碩士，高級工程師，主要從事超聲檢測應用方面的研究工作。

來源：《無損檢測》2024年4期