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摘要：本文主要介绍了新兴的超声波检测技术TOFD检测技术即衍射时差法超声波检测的原理、特点，结合目前海底管道环焊缝的检测现状，对TOFD检测技术在海底管道环焊缝中的检测进行了展望，认为TOFD检测技术在目前技术手段下是海底管道环焊缝的最理想的检测技术，必将在不久的将来应用到海底管线环焊缝的检测中去。
关键词：衍射时差法 （TOFD） 海底管道 环焊缝
中图分类号：TG333.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）32-046-02
1 TOFD检测技术
1.TOFD检测技术发展背景
TOFD即衍射时差技术是上个世纪七十年代由国际原子能中心的哈韦尔（英国原子能权威人士-UKKAEA）提议下发展而来。TOFD最初的发展仅仅是作为定量工具，最初的想法是：使用常规技术探测到缺陷后使用TOFD进行精确的定量和监测在线设备裂纹的扩展（例如检测压力容器）。
近几年，TOFD技术因其在检测过程中的诸多优势，得到国内各行业的普遍认可和推广，国产TOFD设备和技术也得到了长足的进步，TOFD技术在我国得到了越来越多的运用。
2.TOFD技术特点
1）TOFD技术的可靠性好。由于其主要是利用衍射波进行检测，而衍射信号不受声束影响，任何方向的缺陷都能有效的发现，使该技术具有很高的缺陷检出率。
2）TOFD技术的定量精度高。采用衍射时差技术对缺陷定量，精度远远高于常规手工超声波检测。一般认为，对线性缺陷或面积型缺陷，TOFD定量误差小于1mm。
3）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，不需做锯齿扫查，检测效率高，操作成本低
4）TOFD检测系统配有自动或半自动扫查装置，能够确定缺陷与探头的相对位置，信号通过处理可以转换为TOFD图像。图像的信息量显示比A扫描显示大得多，与A型信号的波形显示相比，包含丰富信息的TOFD图像更有利于缺陷的识别和分析。
5）当今使用的TOFD检测系统都是高性能数字化仪器，完全克服了模拟超声探伤仪和简单数字超声波探伤仪记录信号能力差的特点，不仅能全过程记录信号，长久保存数据，而且能够高速进行大批量信号处理。
6）TOFD技术除了用于检测外，还可用于缺陷扩展的监控，是有效且能精确测量出裂纹增长的方法之一。
3.TOFD技术基本原理
超声衍射时差（TOFD）检测技术，由于它在探伤过程中具有相当高的一次扫查检出率，且具有小于1mm的定位精度，成为国际间所公认的超声新技术而倍受推崇。
TOFD检测系统配有编码器装置，能够确定缺陷与探头的相对位置，再将编码器数据与扫查过程中所采集的信号进行模数转换后的所得信号数据一一对应，形成256级灰度成像，然后通过灰度对比来判断工件中是否存在缺陷，并通过相应的分析工具对缺陷进行定位分析。
1）超声衍射时差（TOFD）技术的检测原理
TOFD检测是利用大扩散角探头对，在声束覆盖范围内的工件上采集缺陷的端点衍射信号，从而来发现缺陷并对之进行定位，原理如图1：
衍射时差法（TOFD）是一种依靠从待检试件内部结构（主要是指缺陷）的“端角”和“端点处得到的衍射能量来检测缺陷的方法（如图1）。超声波入射到线性缺陷上时，它除了普通的反射波以外在两端还会发生衍射。衍射能量在很大的角度范围内传播至接收探头，可测量缺陷自身高度。除了缺陷的衍射能量以外，TOFD法还检测两个探头间直接传播的直通波和未受缺陷影响直接抵达试件内壁的内壁反射信号也称之为底面波。如图所示TOFD可以用直通波和底面反射波作参照，缺陷的深度是从直通波与衍射脉冲的时差来计算的。
图1 TOFD技术检测原理
2）超声衍射时差（TOFD）检测技术扫查图像的形成
TOFD扫查图都是以灰度图显示，TOFD探伤设备将在信号采集阶段所得的序列A扫信号，根据波幅高度来确定每一声束截面上显示图像的黑白灰度级别，从而形成有明显灰度差异的扫查图像，通过不同级别的灰度图来显示被扫查工件内部声束截面各点结构情况的差异，判断缺陷存在情况。具体成像过程如下图：
图2TOFD技术成像原理图
3）TOFD图像的分析、评判
利用计算机技术、图像处理技术和专用软件强大的处理功能，通过对TOFD图像
2 海底管线环焊缝检测现状
目前，胜利油田海底管线施工时目前均采用铺管敷缆船在海上连续作业，取代了以前早期的敷设方式。早期的辐射方式采用陆地分段预制，检测合格后，分段浮拖、挖沟沟，连接各分段，继续下段的小沟、浮拖，直至完成全部敷设完成，检测工序可穿插完成，对整个工期的影响非常小。目前，采用SL901铺管船直接在海上连续作业，作业时在船上沿生产线设置了多个连续工序，主要工序包括组对、根焊、填充、盖面、无损检测、防腐补口等工序。无损检测采取射线检测，一般执行JB/T4730.2标准。由于船上作业的特殊性，目前的检测方法越来越不适应海底管线施工的现状，主要存在如下问题：辐射防护困难。检测工序时间过长，与其他工序不匹配。对面状缺陷的检测率低，可靠性低。
3 TOFD技术在海底管线环焊缝检测中适宜性
针对目前海底管线检测存在的问题，我们发现TOFD技术非常适合海底管线环焊缝检测。
1、TOFD技术仍是一种超声波检测技术，故不存在辐射防护问题。
2、目前国内TOFD检测设备检测1m焊缝，时间为2分钟，不会成为瓶颈工序。
3、TOFD检测技术和常规超声波检测技术一样对面状缺陷特别灵敏，可靠性好。
4、TOFD检测能全程记录信号，长久保留，而且可利用计算机进行高速批量处理。
5、TOFD检测技术的最大局限性是有表面盲区，尤其是上表面盲区较为严重。从目前海底管线的焊接检测实际结果看，环焊缝盖面质量比较稳定，基本没有危害性缺陷。
6、實际检测时在TOFD检测支架上增加两组PE探头，即1TOFD+2PE，一组PE探头监控上表面，另一组PE探头监控下表面，可克服TOFD检测技术的盲区问题。
4 结论
综上所述，TOFD检测技术非常适宜海底管线的检测，采用1TOFD+2PE三探头组合模式可有效避免盲区，完全适合海底管线环焊缝的海上连续施工检测。
参考文献：
1、《采用线性扫描时的波幅测量和全自动超声检测》加拿大材料研究协会EdGinzel
2、ASTME1961-98《配备聚焦装置分区扫查的环焊缝全自动超声波检测》
3、《超声波衍射波时差法（TOFD）检测技术》强天鹏
4、《超声相控阵技术的基本概念》李衍译
关键词：衍射时差法 （TOFD） 海底管道 环焊缝
中图分类号：TG333.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）32-046-02
1 TOFD检测技术
1.TOFD检测技术发展背景
TOFD即衍射时差技术是上个世纪七十年代由国际原子能中心的哈韦尔（英国原子能权威人士-UKKAEA）提议下发展而来。TOFD最初的发展仅仅是作为定量工具，最初的想法是：使用常规技术探测到缺陷后使用TOFD进行精确的定量和监测在线设备裂纹的扩展（例如检测压力容器）。
近几年，TOFD技术因其在检测过程中的诸多优势，得到国内各行业的普遍认可和推广，国产TOFD设备和技术也得到了长足的进步，TOFD技术在我国得到了越来越多的运用。
2.TOFD技术特点
1）TOFD技术的可靠性好。由于其主要是利用衍射波进行检测，而衍射信号不受声束影响，任何方向的缺陷都能有效的发现，使该技术具有很高的缺陷检出率。
2）TOFD技术的定量精度高。采用衍射时差技术对缺陷定量，精度远远高于常规手工超声波检测。一般认为，对线性缺陷或面积型缺陷，TOFD定量误差小于1mm。
3）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，不需做锯齿扫查，检测效率高，操作成本低
4）TOFD检测系统配有自动或半自动扫查装置，能够确定缺陷与探头的相对位置，信号通过处理可以转换为TOFD图像。图像的信息量显示比A扫描显示大得多，与A型信号的波形显示相比，包含丰富信息的TOFD图像更有利于缺陷的识别和分析。
5）当今使用的TOFD检测系统都是高性能数字化仪器，完全克服了模拟超声探伤仪和简单数字超声波探伤仪记录信号能力差的特点，不仅能全过程记录信号，长久保存数据，而且能够高速进行大批量信号处理。
6）TOFD技术除了用于检测外，还可用于缺陷扩展的监控，是有效且能精确测量出裂纹增长的方法之一。
3.TOFD技术基本原理
超声衍射时差（TOFD）检测技术，由于它在探伤过程中具有相当高的一次扫查检出率，且具有小于1mm的定位精度，成为国际间所公认的超声新技术而倍受推崇。
TOFD检测系统配有编码器装置，能够确定缺陷与探头的相对位置，再将编码器数据与扫查过程中所采集的信号进行模数转换后的所得信号数据一一对应，形成256级灰度成像，然后通过灰度对比来判断工件中是否存在缺陷，并通过相应的分析工具对缺陷进行定位分析。
1）超声衍射时差（TOFD）技术的检测原理
TOFD检测是利用大扩散角探头对，在声束覆盖范围内的工件上采集缺陷的端点衍射信号，从而来发现缺陷并对之进行定位，原理如图1：
衍射时差法（TOFD）是一种依靠从待检试件内部结构（主要是指缺陷）的“端角”和“端点处得到的衍射能量来检测缺陷的方法（如图1）。超声波入射到线性缺陷上时，它除了普通的反射波以外在两端还会发生衍射。衍射能量在很大的角度范围内传播至接收探头，可测量缺陷自身高度。除了缺陷的衍射能量以外，TOFD法还检测两个探头间直接传播的直通波和未受缺陷影响直接抵达试件内壁的内壁反射信号也称之为底面波。如图所示TOFD可以用直通波和底面反射波作参照，缺陷的深度是从直通波与衍射脉冲的时差来计算的。
图1 TOFD技术检测原理
2）超声衍射时差（TOFD）检测技术扫查图像的形成
TOFD扫查图都是以灰度图显示，TOFD探伤设备将在信号采集阶段所得的序列A扫信号，根据波幅高度来确定每一声束截面上显示图像的黑白灰度级别，从而形成有明显灰度差异的扫查图像，通过不同级别的灰度图来显示被扫查工件内部声束截面各点结构情况的差异，判断缺陷存在情况。具体成像过程如下图：
图2TOFD技术成像原理图
3）TOFD图像的分析、评判
利用计算机技术、图像处理技术和专用软件强大的处理功能，通过对TOFD图像
2 海底管线环焊缝检测现状
目前，胜利油田海底管线施工时目前均采用铺管敷缆船在海上连续作业，取代了以前早期的敷设方式。早期的辐射方式采用陆地分段预制，检测合格后，分段浮拖、挖沟沟，连接各分段，继续下段的小沟、浮拖，直至完成全部敷设完成，检测工序可穿插完成，对整个工期的影响非常小。目前，采用SL901铺管船直接在海上连续作业，作业时在船上沿生产线设置了多个连续工序，主要工序包括组对、根焊、填充、盖面、无损检测、防腐补口等工序。无损检测采取射线检测，一般执行JB/T4730.2标准。由于船上作业的特殊性，目前的检测方法越来越不适应海底管线施工的现状，主要存在如下问题：辐射防护困难。检测工序时间过长，与其他工序不匹配。对面状缺陷的检测率低，可靠性低。
3 TOFD技术在海底管线环焊缝检测中适宜性
针对目前海底管线检测存在的问题，我们发现TOFD技术非常适合海底管线环焊缝检测。
1、TOFD技术仍是一种超声波检测技术，故不存在辐射防护问题。
2、目前国内TOFD检测设备检测1m焊缝，时间为2分钟，不会成为瓶颈工序。
3、TOFD检测技术和常规超声波检测技术一样对面状缺陷特别灵敏，可靠性好。
4、TOFD检测能全程记录信号，长久保留，而且可利用计算机进行高速批量处理。
5、TOFD检测技术的最大局限性是有表面盲区，尤其是上表面盲区较为严重。从目前海底管线的焊接检测实际结果看，环焊缝盖面质量比较稳定，基本没有危害性缺陷。
6、實际检测时在TOFD检测支架上增加两组PE探头，即1TOFD+2PE，一组PE探头监控上表面，另一组PE探头监控下表面，可克服TOFD检测技术的盲区问题。
4 结论
综上所述，TOFD检测技术非常适宜海底管线的检测，采用1TOFD+2PE三探头组合模式可有效避免盲区，完全适合海底管线环焊缝的海上连续施工检测。
参考文献：
1、《采用线性扫描时的波幅测量和全自动超声检测》加拿大材料研究协会EdGinzel
2、ASTME1961-98《配备聚焦装置分区扫查的环焊缝全自动超声波检测》
3、《超声波衍射波时差法（TOFD）检测技术》强天鹏
4、《超声相控阵技术的基本概念》李衍译