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1、 衍射时差法衍射时差法(TOFD)和相控阵超声检测和相控阵超声检测 (PAUT)技术应用指南技术应用指南 2017 生效日期：2017 年 2 月 22 日 北京 生效日期：2017 年 2 月 22 日 北京 指导性文件 GUIDANCE NOTES GD02-2017 1 出版说明出版说明 衍射时差法 (TimeofFlight Diffraction, 简称 TOFD) 和相控阵超声检测 (Phased Array Ultrasonic Testing, 简称 PAUT) 技术具有缺陷检出率高、定量准确、 工艺设计和实现方式灵活、现场数据采集实施快捷、完整保存原始数据并使用多 种视图进行
2、成像显示、检测结果受人为因素影响小等诸多特点，是没有电离辐射 和化学污染的绿色环保技术。 本指南主要根据国内外的相关研究成果以及中国船级社近年来在 TOFD 和 PAUT 技术方面的科研成果和实际应用经验，结合实际应用环境，经过分析和总 结后提出。旨在推动两项技术在船舶和海洋工程领域的广泛应用，在方法原理、 应用范围、设备选用、工艺制定、现场实施、数据判读和质量评级等方面提供技 术参考。 TOFD 和 PAUT 技术与超声 A 型脉冲反射法、射线检测、磁粉检测等技术虽 然在方法原理、 适用范围、 技术实施等方面存在差异， 但都有其适用性和局限性， 对缺陷的检出率都不会是 100%，也不会完全相
3、同。因此，TOFD 和 PAUT 技术与 已有的无损检测技术并列存在，可根据实际情况适当选择，不存在非此即彼的排 斥关系。 2 目 录 出版说明 . 1 第 1 章 通则 . 5 1.1 目的 5 1.2 适用范围 . 5 1.3. 机构和人员要求 . 6 1.3.1 机构要求 . 6 1.3.2 人员资质 . 6 1.4 船舶附加标志 6 1.5 术语和定义 . 6 第 2 章 TOFD 技术 9 2.1 检测设备 9 2.1.1 超声仪器 . 10 2.1.1.1 脉冲发生器应符合如下要求： 10 2.1.1.2 信号接收器应符合如下要求： 10 2.1.1.3 数字化应符合如下要求： 1
4、0 2.1.2 软件 . 11 2.1.3 探头 . 11 2.1.4 楔块 . 11 2.1.5 试块 . 11 2.1.6. 扫查装置与编码器 12 2.2 检测工艺设计 12 2.2.1 检测规程 . 12 2.2.2 检测级别 . 13 2.2.3 检测覆盖区域 . 13 2.2.4 检测工艺参数 . 13 2.2.5 扫查类型 . 15 2.2.6 设备参数设置 15 2.3 校准 . 17 2.3.1 楔块延迟及声速的测试 . 17 2.3.2 深度坐标线性化 . 17 2.3.3 编码器校准 . 19 2.4 现场数据采集 19 2.4.1 表面状态 . 19 2.4.2 检测位
5、置标记及检测方向 . 19 2.4.3 母材检测 20 2.4.4 耦合剂 20 2.4.5 温度 20 2.4.6 扫查和数据采集 20 2.5 文件存储 22 2.5.1 设置文件 22 2.5.2 数据文件 . 22 2.5.3 文件命名格式 . 22 3 2.5.4 存储形式和要求 . 23 2.6 数据判读 23 2.6.1 数据有效性检查 . 23 2.6.2 缺陷分类 . 23 2.7 缺陷评定和验收标准 24 2.7.1 危害性缺陷 24 2.7.2 单个缺陷 . 24 2.7.3 相邻缺陷 . 25 2.7.4 累计缺陷 25 2.7.5 长度的折算 . 26 2.8 报告和
6、归档 . 26 第 3 章 PAUT 技术 27 3.1 检测设备 27 3.1.1 超声仪器 . 27 3.1.2 探头 . 28 3.1.3 楔块 . 28 3.1.4 试块 29 3.1.5 扫查装置及编码器 29 3.2 检测工艺设计 29 3.2.1 检测规程 29 3.2.2 检测级别 29 3.2.3 检测区域 . 31 3.2.4 探头 31 3.2.5 楔块 . 31 3.2.6 聚焦法则设计 . 32 3.3 参数设置 32 3.3.1 聚焦法则 32 3.3.2 脉冲发生器和信号接收器 . 33 3.3.3 显示范围视图选择 33 3.3.4 灵敏度设置 . 33 3.3
7、.5 数字化 . 34 3.3.6 扫查设置 . 34 3.4 校准 34 3.4.1 晶片检查 34 3.4.2 声速及楔块延迟校准 35 3.4.3 编码器校准 35 3.4.4 灵敏度及 TCG 校准 . 35 3.4.5 系统显示检查 35 3.5 现场数据采集 36 3.5.1 表面状态 . 36 3.5.2 检测位置标记及检测方向 . 36 3.5.3 母材检测 . 36 3.5.4 耦合剂 36 3.5.5 温度 36 4 3.5.6 扫查和数据采集 36 3.6 文件存储 37 3.7 数据判读 37 3.7.1 数据有效性检查 37 3.7.2 缺陷分类与记录 37 3.8
8、质量等级和验收标准 38 3.9 报告和归档（记录，报告及存档） . 40 附录 1 TOFD 技术局限性 . 42 附录 2 TOFD 图像的基本特征与缺陷测量方法 44 附录 3 试块 52 附录 4 设备校准方法 56 附录 5 探头激励孔径和聚焦深度对 S-Scan 成像结果的影响 . 60 附录 6 典型缺陷图像 63 5 第第 1 章章 通则通则 1.1 目的目的 1.1.1 本指南对使用 TOFD 和 PAUT 技术的无损检测活动进行工艺审核、 现场监督、 检查数据判读结果等提供技术参考，以倡导和推动无损检测新技术的广泛应用。 1.2 适用范围适用范围 1.2.1 本指南适用于船
9、舶、海洋工程或其他钢结构在建造、维修、营运或服役过 程中对材料、构件和焊接接头内部的质量进行无损检测。 1.2.2 本指南适用于中国船级社材料与焊接规范中碳素钢或低合金钢，对于 其他的细晶、各向同性或低声衰减金属材料，也可参照使用。对于不满足上述要 求，通过试验验证并经本社认可后，PAUT 技术亦可用于铝及其合金、奥氏体不 锈钢、铁素体奥氏体双相不锈钢、钛合金等材料及连接焊缝的检测。 1.2.3 TOFD 技术适用于母材厚度10mm 的全熔透焊缝的质量检测，且仅适用于 平板对接或者管对接焊缝。 1.2.4PAUT 技术适用于母材厚度6mm 的全熔透焊缝的质量检测，适用于平板对 接、管对接、T
10、形或者角形连接焊缝。 1.2.5 对于不满足第 1.2.4 条、第 1.2.5 条要求，通过试验验证并经本社认可后， 可用于其他母材厚度的全熔透焊缝检测。 1.2.6 适用于外径大于 250mm 或内外径之比大于 0.7 的筒体纵向焊缝、筒体外径 大于 200mm 的筒体周向焊缝、各种尺寸的曲面相贯焊缝。对于不满足上述要求 的，通过试验验证并经本社认可后，也可采用 TOFD 或 PAUT 技术进行检测。 6 1.2.7 PAUT 技术适用于中国船级社材料与焊接规范中规定的进行超声 A 型脉 冲反射法检测的母材或构件， 但形成扫描的每条波束应满足采用超声 A 型脉冲反 射法相关标准中的技术要求，
11、 且相邻波束的间隔不大于标准中要求的探头扫查间 距。 1.3. 机构和人员要求机构和人员要求 1.3.1 机构要求机构要求 1.3.1.1 应符合 CCS 无损检测机构认证、认可的相关要求。 1.3.2 人员资质人员资质 1.3.2.1 从事 TOFD 和 PAUT 技术检测的人员应获得 CCS 颁发或认可的无损检测 资格证书，方可从事与资格等级对应的检测工作，具体内容参见中国船级社无 损检测人员资格鉴定与认证规范 。 1.4 船舶附加标志船舶附加标志 1.4.1 在我社验船师监督下， 按照本指南要求对相关结构进行过 TOFD 或 PAUT 检 测的船舶，如所有检测位置检验合格，经船东申请，可
12、授予“ANDT（T）或 ANDT （P） ”船舶附加标志。 1.5 术语和定义术语和定义 1.5.1 本指南采用的术语定义如下： （1） 衍射时差法超声检测技术 （Time of Flight Diffraction，简称 TOFD） 通常使用一对或多对具有宽带短脉冲、大波束扩散角的纵波斜探头，采用一 发一收的工作方式， 是根据待检试件内部缺陷端角衍射信号的到达时间进行缺陷 7 检测和定量的一种超声检测方法。 （2）相控阵超声检测技术（ Phased Array Ultrasonic Testing，简称 PAUT） 一种依据设定的聚焦法则对阵列探头各个单元在发射或接收声波时施加不 同的时间延
13、迟(或电压)，通过波束形成实现检测声束的移动、偏转和聚焦等功能 的超声检测成像技术。 （3） 探头间距 （Probe Center Separation，简称 PCS） 指发射探头和接收探头两入射点之间的直线距离。 （4）平行扫查 （Parallel Scan） 探头运动方向与声束方向平行的扫查方式， 一般用于已知缺陷的精确定位及 定量。 （5）非平行扫查 （Nonparallel Scan） 探头运动方向与声束方向垂直的扫查方式， 通常特指探头对称于焊缝放置的 扫查方式。 （6） 偏置非平行扫查 （Offset NonParallel Scan） TOFD 探头对的连线中心与焊缝中心保持一定
14、偏移量的非平行扫查方式。 （7）线性扫描/电子扫描 (Linear Scan/ Electronic Scan，简称 EScan) 以相同的聚焦法则施加在相控阵探头中的不同晶片组， 每组激活晶片产生某 一特定角度的声束，通过改变起始激活晶片的位置，使该声束沿晶片阵列方向前 后移动，以实现类似常规手动超声波检测探头前后移动的检测效果。 （8）扇形扫描 (Sectorial Scan，简称 SScan) 用一定的延时法则，激发相控阵探头中的部分相邻或全部晶片，使激发晶片 组形成的声束在设定的角度范围内以一定的步进值进行连续偏转， 其数据显示为 8 每一个角度的波束 A 扫描图像通过延迟和角度校正形
15、成的 2D 图像。 （9）聚焦法则 (Focal Law) 通过控制激发晶片数量，以及施加到每个晶片上的发射和接收延时，实现波 束角度偏转和聚焦的程序。 9 第第 2 章章 TOFD 技术技术 本章给出使用 TOFD 技术进行缺陷检测和评级的方法，规定了检测设备、工 艺设计、校准、现场数据采集、数据判读、检测报告等方面的基本要求。附录 1 中详细介绍了 TOFD 技术在应用中的局限。 2.1 检测设备检测设备 TOFD 检测设备包括超声设备主机(仪器)、软件、探头/楔块、扫查装置、试 块及其他附件，如图 1 所示。上述设备应具有产品质量合格证或制造厂家出具的 合格文件，且超声仪器应在有效的校准
16、期内。 TOFD 检测设备除满足本章的要求外，还应满足 JB/T10061 和 CB/T3559 中的 相关要求。 图 2.1 检测设备构成 10 2.1.1 超声仪器超声仪器 2.1.1.1 脉冲发生器应符合如下要求：脉冲发生器应符合如下要求： （1） 发射脉冲可以是单级或双级的尖脉冲或方波脉冲，上升时延不超过 0.25 倍的探头标称频率对应的周期。 （2） 仪器的脉冲宽度应可调，以得到优化的脉冲幅值和脉冲持续时间。脉冲 宽度调节的步进量不得大于 10ns。 （3） 仪器的脉冲重复频率应可调，最大值不得小于 500Hz。 （4） 发射脉冲应具有足够的电压， 确保检测系统具有足够的灵敏度及信噪比。 2.1.1.2 信号接收器应符合如下要求：信号接收器应符合如下要求： （1） 接 收 器 的 带 宽 应 不 小 于 探 头 标 称 的 带 宽 范 围 ， 通 常 不 小 于 0.8MHz15MHz。 （2） 系统应具备足够的增益，增益应连续可调且步进值不大于 1dB。 （3） 因 TOFD 检测时衍射信号能量较弱，当信噪比不足时应增加
