CN109060961A - 基于tofd周向扫查图像的厚壁管道倾斜裂纹精准定量方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于TOFD周向扫查图像的厚壁管道倾斜裂纹精准定量方法，属于无损检测技术领域。该方法采用由TOFD探伤仪、TOFD探头、倾斜有机玻璃楔块和扫查装置组成的TOFD检测系统，沿厚壁管道外壁实施TOFD周向扫查与图像采集。读取扫查图像中一次底面波和裂纹上、下端点衍射波传播声时，计算裂纹上、下端点到管道外壁的径向距离，即端点深度。结合TOFD探头中心间距、管道壁厚及管道外壁曲率半径之间的几何关系，计算得到裂纹长度和倾斜角度。该方法可实现厚壁管道中裂纹深度、长度和倾斜角度的同时测量，且检测效率高、操作简便，具有较高工程应用价值。

Description

基于TOFD周向扫查图像的厚壁管道倾斜裂纹精准定量方法
技术领域
本发明涉及一种基于TOFD周向扫查图像的厚壁管道倾斜裂纹精准定量方法，其属于无损检测技术领域。
背景技术
厚壁管道广泛应用于核电、石油、化工和电力等行业，且往往长期处于高温、高压、高辐射或强腐蚀等恶劣服役环境，容易产生裂纹等危险性缺陷。准确给出裂纹位置、尺度及取向信息，对管道挖补维修、寿命预测和安全性评估具有重要意义。
目前，管道内部缺陷无损检测方法主要包括射线检测和超声检测。其中，射线检测对裂纹等面积型缺陷不敏感，且难以给出缺陷深度信息。超声检测方法又包括常规超声、导波和超声衍射时差法(Time of Flight Diffraction，TOFD)等。常规超声检测效率低，回波信号受裂纹取向影响显著；导波技术可以实现厚壁管道裂纹检出，但无法对裂纹长度和倾斜角度准确定量。利用常规TOFD沿周向对管道倾斜裂纹实施检测时，存在曲率的管道表面与直通波传播路径不重合，使得裂纹定位、定长及定取向结果均存在偏差；当管道壁厚较大时，需增加探头中心间距实现深层区域裂纹检测，管道曲率引起的检测误差将进一步增大。
发明内容
本发明提供一种基于TOFD周向扫查图像的厚壁管道倾斜裂纹精准定量方法。其目的是针对厚壁管道实施TOFD周向扫查时，管道曲率影响倾斜裂纹定位、定量及定取向精度的问题，利用管道壁厚与曲率半径、探头中心间距和裂纹上、下端点之间的几何关系，基于TOFD周向扫查图像，实现厚壁管道裂纹长度和倾斜角度的精准定量。
本发明采用的技术方案是：一种基于TOFD周向扫查图像的厚壁管道倾斜裂纹精准定量方法，采用由TOFD探伤仪、TOFD探头、倾斜有机玻璃楔块和扫查装置组成的TOFD检测系统，沿厚壁管道外壁实施TOFD周向扫查与图像采集，读取扫查图像中一次底面波和裂纹上、下端点衍射波传播声时，结合裂纹上、下端点深度、TOFD探头中心间距、管道壁厚及管道外壁曲率半径之间的几何关系，计算得到裂纹长度和倾斜角度；所述方法采用如下步骤：
(1)TOFD检测参数确定
根据被检厚壁管道的材料、几何尺寸及待检测范围选取合适的TOFD检测参数，TOFD检测参数包括TOFD探头频率、楔块斜楔角、探头中心间距、检测增益、采样频率、电子扫查步进；
(2)扫查图像采集
在厚壁管道内部存在沿轴向分布的埋藏型倾斜裂纹，裂纹上端点与下端点分别设为A和B；采用步骤(1)中确定的TOFD检测参数，控制TOFD探头沿管道外壁进行周向扫查，获得扫查图像，并读取一次底面波传播声时t1，裂纹上端点与下端点衍射波传播声时分别为tA与tB；
(3)裂纹端点深度计算
设管道外壁圆周半径为R，壁厚为T，圆心为O，TOFD探头中心间距为2S；以裂纹上端点为例，当其位于TOFD探头对的连线中垂线上时，周向扫查图像中的显示深度，即与直通波的间距最小；此时，不考虑TOFD楔块带来的超声延迟时间，裂纹上端点到管道外壁的径向距离，即端点深度dA可由式(1)给出：
dA＝T-[(cLt1/2)-S2]1/2+[(cLtA/2)-S2]1/2 (1)
，式中，cL为材料纵波声速；
重复上述步骤给出裂纹下端点到管道外壁的径向距离dB：
dB＝T-[(cLt1/2)-S2]1/2+[(cLtB/2)-S2]1/2 (2)；
(4)裂纹长度定量
由式(1)与式(2)得裂纹上端点与下端点到管道圆心的距离dAO和dBO分别为：
dAO＝R-T+[(cLt1/2)-S2]1/2-[(cLtA/2)-S2]1/2 (3)
dBO＝R-T+[(cLt1/2)-S2]1/2-[(cLtA/2)-S2]1/2 (4)
定义裂纹上、下端点到圆心的夹角，即∠AOB为β，其对应管道外壁弧长为L；根据TOFD周向扫查图像知，裂纹上、下端点显示深度最小时对应位置的横向间距就是TOFD探头沿管道外壁的扫查位移L，则β由式(5)给出：
进一步利用式(3)、式(4)与式(5)，得倾斜裂纹长度H为：
(5)裂纹取向定量
定义裂纹上端点到圆心的线段AO与裂纹面所成夹角为裂纹取向角α，利用式(6)给出的裂纹长度H，根据三角函数关系计算得到α：
本发明的有益效果是：这种基于TOFD周向扫查图像的厚壁管道倾斜裂纹精准定量方法，根据扫查图像中的裂纹位置信息，以及探头中心间距、管道壁厚和管道外壁曲率半径之间的几何关系，可同时获得厚壁管道倾斜裂纹的端点深度、长度和倾斜角度等信息；利用TOFD周向扫查可一次性获取厚壁管道内部大范围检测数据，提高检测效率；方法操作简单，无需复杂的信号处理过程，具有较高工程应用价值。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。
图1是本发明采用的TOFD检测系统示意图。
图2是加工倾斜裂纹的厚壁管道对比试块图纸。
图3是厚壁管道倾斜裂纹定量检测示意图。
图4是长度4.0mm，倾斜角度30°的倾斜裂纹周向扫查图像。
具体实施方式
基于TOFD周向扫查图像的厚壁管道倾斜裂纹精准定量方法，采用的超声检测系统如图1所示，其中包括TOFD探伤仪、一对TOFD超声探头、一对纵波楔块，以及扫查装置等。具体检测及处理步骤如下：
(1)试验对象如图2所示，厚壁碳钢管道外壁半径为148.0mm，壁厚26.5mm，试块轴向长度为300.0mm，材料纵波声速为5890m/s。试块中加工了上端点深度8.4mm，下端点深度11.9mm，长度4.0mm，倾斜角度30°的倾斜裂纹。
(2)如图3所示，采用中心频率5MHz的TOFD探头实施检测，纵波楔块角度45°、探头中心间距2S＝40.0mm、采样频率100MHz、检测增益80dB、扫查步进0.40mm。利用TOFD探头沿厚壁管道试块实施周向扫查，获得图4所示扫查图像，读取图像中一次底面波传播声时t1＝10.90μs，裂纹上端点与下端点衍射波传播声时tA＝7.19μs，tB＝7.69μs。
(3)将t1、tA和tB分别代入式(1)与式(2)得到裂纹上端点与下端点到管道外壁径向距离，即端点深度分别为dA＝8.36mm和dB＝12.02mm。
(4)根据裂纹上端点与下端点距底面的距离，进一步得到其到圆心的距离dAO＝139.64mm，dBO＝135.98mm。如图4所示，从扫查图像中读取裂纹上、下端点显示深度最小时对应位置的横向间距L＝2.40mm，计算可得裂纹上、下端点与圆心的夹角β＝0.93°。将已知数据代入式(6)可得裂纹长度为4.30mm。
(5)将裂纹长度H与夹角β代入式(7)，可得裂纹倾斜角度为30.83°。
综上可知，裂纹长度定量误差为0.30mm，倾斜角度定量误差为0.83°。利用该方法可实现厚壁管道倾斜裂纹的精准定量，满足工程需求。

Claims (1)

1.一种基于TOFD周向扫查图像的厚壁管道倾斜裂纹精准定量方法，采用由TOFD探伤仪、TOFD探头、倾斜有机玻璃楔块和扫查装置组成的TOFD检测系统，沿厚壁管道外壁实施TOFD周向扫查与图像采集，读取扫查图像中一次底面波和裂纹上、下端点衍射波传播声时，结合裂纹上、下端点深度、TOFD探头中心间距、管道壁厚及管道外壁曲率半径之间的几何关系，计算得到裂纹长度和倾斜角度；其特征是：所述方法采用如下步骤：
(1)TOFD检测参数确定
根据被检厚壁管道的材料、几何尺寸及待检测范围选取合适的TOFD检测参数，TOFD检测参数包括TOFD探头频率、楔块斜楔角、探头中心间距、检测增益、采样频率、电子扫查步进；
(2)扫查图像采集
在厚壁管道内部存在沿轴向分布的埋藏型倾斜裂纹，裂纹上端点与下端点分别设为A和B；采用步骤(1)中确定的TOFD检测参数，控制TOFD探头沿管道外壁进行周向扫查，获得扫查图像，并读取一次底面波传播声时t1，裂纹上端点与下端点衍射波传播声时分别为tA与tB；
(3)裂纹端点深度计算
设管道外壁圆周半径为R，壁厚为T，圆心为O，TOFD探头中心间距为2S；以裂纹上端点为例，当其位于TOFD探头对的连线中垂线上时，周向扫查图像中的显示深度，即与直通波的间距最小；此时，不考虑TOFD楔块带来的超声延迟时间，裂纹上端点到管道外壁的径向距离，即端点深度dA可由式(1)给出：
dA＝T-[(cLt1/2)-S2]1/2+[(cLtA/2)-S2]1/2 (1)，
式中，cL为材料纵波声速；
重复上述步骤给出裂纹下端点到管道外壁的径向距离dB：
dB＝T-[(cLt1/2)-S2]1/2+[(cLtB/2)-S2]1/2 (2)；
(4)裂纹长度定量
由式(1)与式(2)得裂纹上端点与下端点到管道圆心的距离dAO和dBO分别为：
dAO＝R-T+[(cLt1/2)-S2]1/2-[(cLtA/2)-S2]1/2 (3)
dBO＝R-T+[(cLt1/2)-S2]1/2-[(cLtA/2)-S2]1/2 (4)
定义裂纹上、下端点到圆心的夹角，即∠AOB为β，其对应管道外壁弧长为L；根据TOFD周向扫查图像知，裂纹上、下端点显示深度最小时对应位置的横向间距就是TOFD探头沿管道外壁的扫查位移L，则β由式(5)给出：
进一步利用式(3)、式(4)与式(5)，得倾斜裂纹长度H为：
(5)裂纹取向定量
定义裂纹上端点到圆心的线段AO与裂纹面所成夹角为裂纹取向角α，利用式(6)给出的裂纹长度H，根据三角函数关系计算得到α：
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