ASME 2013 NDE中有關(guān)相控陣超聲成像檢測的要點評析　第二部分：計算機成像技術(shù)(續(xù))

李　衍

(無錫市鍋爐壓力容器學(xué)會無損檢測專委會， 無錫 214026)

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ASME 2013 NDE中有關(guān)相控陣超聲成像檢測的要點評析第二部分：計算機成像技術(shù)(續(xù))

李衍

(無錫市鍋爐壓力容器學(xué)會無損檢測專委會， 無錫 214026)

5　PA圖譜解讀和評判[8]

ASME 2013在第四章新增的附錄NA P中，規(guī)定了 PAUT的圖像解讀和評判，總共13張圖；其中7張是圖譜解讀理念，6張是典型焊接缺陷圖譜圖例。

該附錄由以下四部分組成：① PAUT讀譜基礎(chǔ)，圖像彩色與波幅強度的相關(guān)性。② 顯示方式基本原理與空間概念及其作用，包括：S掃，E掃，A掃，B掃，C掃，D掃等。③缺陷定量，包括波幅降落法(測長、測高)和端部衍射法(測高)。④ 六種焊接缺陷的典型圖譜解析、判讀與評定，給出S掃和E掃及A掃示例。

標(biāo)準給出的判讀指南主要針對對接焊縫的橫波斜聲束檢測，但指出在其他情況時也可參照使用，包括：縱波斜聲束檢測；聲束0°(即縱波垂直)掃查；復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測，如管座焊縫、填角焊縫等。

5.1一般要求

5.1.1PAUT圖像顯譜

PAUT數(shù)據(jù)常用彩色信號圖(Rainbow color palette)顯示，彩色范圍代表一系列信號幅度。通常，白色代表0 %信號幅度，藍色(或淺色)代表低信號幅度，紅色(或深色)代表判廢信號幅度(圖14)。

圖14　彩色信號、黑白信號與信號強度的相關(guān)性

5.1.2PAUT圖像顯示格式

圖15　三種掃描顯示圖格式(B、C、D型)

PAUT能使檢測數(shù)據(jù)以常規(guī)UT相同的格式成像，即可為A掃描，也可為時間或距離編碼的B掃描、D掃描和C掃描顯示,如圖15所示。注意:此圖例并不代表所有缺陷，因缺陷形狀、尺寸、方向不一，表面粗糙度等均有區(qū)別。

5.2基本顯譜

PAUT主要圖像顯示是PAUT法所獨有的E掃和S掃顯示。這兩種掃查均顯示2D視圖，其X軸表示距離探頭前緣的水平距離，Y軸表示深度。此視圖也可視為焊縫橫斷面視圖。E掃和S掃顯示均由具體設(shè)置下的所有A掃(或聚焦律)組成。每一聲束(或聚焦法則)的A掃顯示均可用于缺陷信號判讀。5.2.1E掃顯示

E掃(也稱為電子光柵掃描)是將單一聚焦法則通過一組激活陣元作多路傳輸，超聲波束以恒定角度，沿相控陣探頭長度方向，以給定的增量快速步進。

圖16　E掃圖像示例

相控陣系統(tǒng)使用沿線陣探頭長度的電子掃描，不用移動探頭，即可創(chuàng)建橫斷面圖。因為每一聚焦法則都是編程的，相應(yīng)的A掃都會數(shù)字化和標(biāo)繪出來。連續(xù)聲闌疊加起來，就可以創(chuàng)建實時橫斷面視圖。圖16為用64陣元線陣相控探頭的E掃成像顯示。5.2.2S掃顯示

S掃(也稱為扇形掃描或方位角掃描)可指聲束移動，也可指數(shù)據(jù)顯示，如圖17所示。

5.3測量程序

5.3.1測量工具

PAUT儀器一般都有放在軟件中的缺陷測量工具。這些測量工具均借助于多個覆蓋在各種圖像顯示上的水平光標(biāo)和垂直光標(biāo)實現(xiàn)測量。PAUT儀器測量的可靠性，有賴于操作者輸入數(shù)據(jù)的準確性(如試件厚度等)，以及準確顯示缺陷量值和位置的校驗準確性。

5.3.2缺陷定量法

缺陷定量可使用工業(yè)上認可的各種方法進行，如波幅降落法(6 dB法)、端部衍射法等。不同缺陷類型可能需要不同的測量方法。

(1) 缺陷測長法平行于試件表面的缺陷長度，可依據(jù)D掃描或C掃描圖像上的編碼距離，用波幅降落法測出：將垂直光標(biāo)置于D掃描或C掃描圖像上顯示的缺陷兩端，即可獲取相應(yīng)讀數(shù)。缺陷測長原理，用光標(biāo)對缺陷測長示例，以及對3 mm長電火花切割線槽測長示例，分別如圖18、19、20所示。

圖18　缺陷端部-6 dB法測長原理

圖19　C掃圖像上，波幅降落法和垂直光標(biāo)缺陷測長的示例

圖20　3 mm長電火花切割線槽PAUT測長示例

圖21　B掃圖像上，波幅降落法和水平光標(biāo)缺陷測高的示例

圖22　用6 dB降落(半波高度)法對面狀缺陷測高的示例

(2) 缺陷測高法垂直于試件表面的缺陷高度，可依據(jù)E掃或S掃獲取的B掃顯示圖像，用波幅降落法或端部衍射法測出。

① 波幅降落法：將水平光標(biāo)分別置于6 dB降落法(即半波高度法)顯示的缺陷上下端部，測取缺陷高度讀數(shù)。圖21,22即為用波幅降落法、用光標(biāo)對缺陷測高的示例。

② 端部衍射法：將水平光標(biāo)分別置于端部衍射法顯示的缺陷上下端部，測取缺陷高度讀數(shù)。圖23即為端部衍射法用光標(biāo)對缺陷測高示例,圖中左側(cè)A掃描波形圖上的兩箭頭，表示被測面狀缺陷上下端部衍射信號。

圖23　S掃圖像上，端部衍射法和水平光標(biāo)缺陷測高的示例

裂紋實高H0與S掃顯示裂紋測高值H的比照和用相控陣S掃背散射衍射法測量底面開口裂紋高度的示例，分別見圖24,25。

圖24　裂紋高度(H0)與S 掃顯示(H)的比照

圖25　相控陣S掃背散射衍射法測底面開口裂紋高度的示例

5.4典型缺陷圖譜解讀

ASME 2013新版中列出了6張典型焊接缺陷的PAUT圖譜及其解讀評定。實際焊接缺陷、PAUT設(shè)置及其圖像顯示變量甚多，故所列圖譜僅供指南之用。PAUT圖像判讀評定人員的經(jīng)驗和分析技能也很重要。標(biāo)準給出的典型缺陷圖譜涉及的面型缺陷有4種，其中3種是表面或底面開口缺陷(焊趾裂紋、根部未焊透、底面裂紋)，1種是內(nèi)部坡口面未熔合；體型缺陷是2種(密孔、夾渣)。缺陷定性表征要靠綜合分析評斷。另外，還要注意真假缺陷圖像信號的識別。

鑒于ASME標(biāo)準中提供的黑白圖像印刷質(zhì)量欠妥，且缺失相對應(yīng)的PA探頭布置和缺陷實況比照，文章引述經(jīng)典文獻中的缺陷顯示集錦圖，以獲得更好的解讀效果。

以下對常規(guī)UT探、判、測、評也有一定難度的兩種典型焊接接頭型式——V型坡口單面焊和T型接頭組合焊，展示和評析了9幅典型焊接缺陷的相控陣S掃顯像圖例。V型坡口單面焊缺陷有：焊趾裂紋，近底面坡口未熔合，近表面未熔合，密集氣孔。T型接頭組合焊缺陷有：根部未焊透，翼板側(cè)未熔合，焊道下裂紋，焊趾裂紋。為便于圖像解釋和評定，文章通過專用軟件，特意添加了相應(yīng)的焊縫探測布置截面圖，繪出了焊接結(jié)構(gòu)和線陣相控探頭(包括線陣斜探頭或線陣直探頭)的布置及聲線示蹤圖。S掃圖加探測布置圖就是焊縫PAUT讀譜、識譜、解譜、評譜的“焦點”，也是ASME最新版對焊縫實施PAUT所特別強調(diào)的檢測工藝卡(所謂 “Scan Plan”)精髓。注意，探測布置圖中含有超聲波在被檢焊縫中的聲束傳播路徑(聲路)，特別是用一次反射波(即二次波)檢測時，二次波的S掃圖像是用一次波在二倍板厚中的延伸圖像表示的，凡用二次波檢測到的缺陷或焊縫輪廓均用“鏡像”表示。

有關(guān)焊縫相控陣施探工藝圖(S掃描圖+焊縫截面圖+探頭布置圖)，在購置便攜式相控陣探測儀時，應(yīng)向制造商提出必須同時提供相應(yīng)的編程軟件。應(yīng)用時，操作者僅需輸入具體檢測參數(shù)，顯示屏上即可跳出有關(guān)Scan Plan圖像，以此作為UT工藝卡和UT報告的重要內(nèi)容(這樣就完全符合國際法規(guī)條文要求)。

(1) 焊趾裂紋圖譜

圖26表示用線陣PA斜探頭探測V型坡口單面焊縫時，由探頭聲束S掃掃到的焊趾裂紋所顯示的聲像圖，以及相應(yīng)的焊縫探測布置截面圖。因焊趾裂紋位于探測面一側(cè)，該缺陷是用二次波(或1.0 S波)探到的。圖中顯示了被檢焊縫和缺陷的鏡像。裂紋高度是根據(jù)裂紋端角反射回波與裂紋尖端末梢的衍射信號之間的傳播時間差所對應(yīng)的深度距離測出的。裂紋的相控陣UT測高值為3.6 mm，實測值為3.8 mm，測量誤差0.2 mm。

圖26　焊趾裂紋的檢出和定量——S掃2D數(shù)據(jù)圖

應(yīng)仔細觀察焊趾裂紋兩信號的鏡像特征：即端角反射信號波幅較強，聲像較大，而尖端衍射信號波幅較弱，聲像較小。為準確測出該表面開口裂紋的自身高度，要特別注意水平光標(biāo)線通過該裂紋尖端衍射聲像中的交點位置(垂直光標(biāo)線為該裂紋在板厚方向的高度延伸線)。

圖27　近內(nèi)表面未熔合的1次波S掃檢測原理和2D顯示數(shù)據(jù)圖

(2) 近底面坡口未熔合圖譜

圖27是靠近被檢焊縫內(nèi)表面的坡口未熔合的相控陣超聲一次波S掃圖像，以及相應(yīng)的探測布置截面圖。該未熔合離內(nèi)表面深度為1.5 mm。S掃2D數(shù)據(jù)圖，添加B掃顯像圖可測得缺陷長度和離內(nèi)表面埋深。

圖27(a)表示相控陣扇形聲束檢測原理和V型坡口單面焊焊縫根部的陰影效應(yīng)。圖27(b)則表示S掃外加D掃(探頭沿焊縫軸線方向移動，或稱非平行掃查)動作，能給出未熔合的“三度”尺寸：即縱向長度、自身高度和離內(nèi)表面的深度。注意：線陣PA斜探頭在圖示一側(cè)探測時，焊縫根部信號(或稱幾何信號)有可能被該未熔合缺陷信號掩蓋。若探頭置于焊縫另一側(cè)，則缺陷信號和幾何信號兩者聲像均可見。

圖28是靠近被檢焊縫上表面的坡口未熔合用二次波(1.0 S波)檢出時的相控陣S掃圖像，及組合一起的探測布置截面圖。由圖可見,二次波延伸了一次波的掃描圖像，被檢焊縫和缺陷均反映在鏡像中。

圖28　近表面坡口未熔合的2次波S掃檢測原理和顯像圖

對圖中近表面坡口未熔合缺陷測高時，要特別注意水平光標(biāo)線通過該缺陷鏡像的端點位置。

(3) 近表面密集氣孔圖譜

圖29表示離上表面1.5 mm的密集氣孔用一次波(0.5 S波)檢出時的相控陣S掃的圖像。該氣孔群尺寸為:1.5 mm× 3 mm×10 mm ( 用D掃測長)。

注意：S掃圖像中焊根幾何形狀信號的識別，其重要性與常規(guī)A掃幾何形狀信號(俗稱假信號)的識別一樣。

圖29　用1次波檢測密集氣孔的S掃檢測原理和顯像圖

圖30　用2次波檢測密集氣孔的S掃檢測原理和顯像圖

圖30表示焊縫中近表面密集氣孔用2次波檢測時的相控陣S掃顯像圖和附加的探測布置截面圖。圖30(a)為相控陣2次波檢測聲傳播原理，用2倍板厚示出鏡像效應(yīng)；圖30(b)為相控陣S掃顯像圖與探測布置和聲線示蹤。應(yīng)注意掃描鏡像中氣孔群、單面焊縫根部和蓋面焊角(余高與母材交界處)的聲成像特征,及其與相關(guān)實際形態(tài)的對應(yīng)性;尤其是蓋面焊角反射信號圖像的識別特別重要,其信號強度甚強,不可誤差為面型缺陷。諳悉上述要領(lǐng)，有助于對焊接缺陷相控陣聲成像進行正確表征、定性和分類。

圖31　T型接頭組合焊縫根部未焊透和未熔合的S掃檢測原理和顯像圖

(4) T型接頭根部未焊透和翼板側(cè)未熔合圖譜

圖31表示T型接頭組合焊縫中存在的根部未焊透和翼板側(cè)未熔合的相控陣S掃顯像。線陣縱波直探頭置于翼板側(cè)表面，加一定范圍的橫向移動，并作一定角度范圍的相控陣S掃，即可檢出此類焊接接頭中的重要缺陷(包括根部未焊透、翼板側(cè)未熔合，以及焊接裂紋和焊道下裂紋等)。

翼板側(cè)S掃外加縱向D掃所得相控陣匯合圖像，對上述缺陷的定位、定量十分有用。另外，還應(yīng)注意缺陷信號圖像與焊縫幾何信號(即表面形狀信號)圖像的識別。

(5) T型接頭翼板側(cè)焊道下裂紋縱波聲像圖譜

圖32表示T型接頭中存在的焊道下裂紋用線陣縱波直探頭置于翼板外表面時的相控陣超聲檢測原理和S掃顯像。在圖32(b)所示S掃顯像中，裂紋自身高度用豎線光標(biāo)測量，而裂紋離翼板底面的深度距離用橫線光標(biāo)測量。用光標(biāo)對缺陷測高測深時，要注意缺陷圖像端點和特征點的截取位置。

(6) T型接頭翼板側(cè)焊道下裂紋橫波檢測聲像圖譜

由于被檢工件和被檢部位的可接近性受到限制，有時不能將超聲直探頭放在翼板上采用縱波進行掃查，而只能在翼板另一面(即靠近組合焊縫和腹板的一面)采用斜探頭橫波進行檢測。

圖33即表示同一T型接頭(即圖32所示接頭)中存在的翼板側(cè)焊道下裂紋，在翼板另一面用線陣斜探頭橫波2次波的相控陣檢測原理和S掃顯像。圖33(a)表示用2倍翼板厚示出2次波和焊道下裂紋的鏡像效應(yīng)，圖33(b)表示S掃顯像圖中焊道下裂紋的鏡像形貌和定量(即焊道下裂紋測深定高)方法。

對缺陷定量測定時，同樣要注意用豎光標(biāo)和橫光標(biāo)對該焊道下裂紋鏡像的測高測深的取點問題(圖示裂紋自身高度測量值為8 mm，離探測面深度距離測量值為1.4 mm)。

圖34　T型接頭中焊道下裂紋在翼板內(nèi)側(cè)用二次波S掃的檢測原理和顯像圖

(7) T型接頭翼板內(nèi)面焊趾裂紋和未熔合圖譜

圖34表示T型接頭組合焊中存在的翼板內(nèi)面焊趾裂紋和翼板側(cè)未熔合，在翼板組合焊縫側(cè)表面用線陣斜探頭橫波二次波作相控陣檢測時的S掃顯像和相應(yīng)探測布置(包括二次波的傳播聲路)。

在掃描鏡像中用橫線光標(biāo)測出的焊趾裂紋高度為6.7 mm，而裂紋實際高度為6.8 mm。與圖26中的單面焊焊趾裂紋相控陣掃描圖像相似，T型接頭組合焊中焊趾裂紋用橫波2次波掃查時，裂紋信號也會出現(xiàn)兩個特征鏡像：即較強的端角反射信號圖像和較弱的尖端衍射信號圖像。準確移動光標(biāo)，測取兩特征信號間距，同樣是對T型接頭焊趾裂紋相控陣UT準確測高定量的重要細節(jié)。

6　結(jié)論

(1) 線陣探頭的超聲相控陣S掃和E掃可作為相控陣UT最常用的成像工具。

(2) PAUT時，焊縫缺陷的S掃和E掃圖像顯示易于判讀評定，缺陷信號和幾何形狀信號圖像較之于常規(guī)的A掃脈沖波形，易于分辨。

(3) 相控陣S掃或E掃圖像加上含聲傳播路徑(聲線示蹤)的探測布置圖和被檢焊縫結(jié)構(gòu)圖，是焊縫PAUT識譜、讀譜、解譜、評譜的有效方法，也是ASME最新版(2013)關(guān)于相控陣UT工藝特別強調(diào)的重點之一。特別是用二次波檢測時，要善于讀懂鏡像的實際位置和形貌特征。

(4) 缺陷測深測高可依據(jù)PAUT S掃或E掃圖像進行評定，測量時應(yīng)注意垂直和水平光標(biāo)的截取位置。

(5) S掃或E掃與D掃結(jié)合使用，可完善缺陷定量表征信息，獲取缺陷三維數(shù)據(jù)。

(6) 若將PA掃描數(shù)據(jù)輸入三維圖，并利用相關(guān)設(shè)計軟件包，即可利用三維PA數(shù)據(jù)重建被檢工件中的缺陷形態(tài)，這對管座焊縫之類復(fù)雜結(jié)構(gòu)的PAUT缺陷的定性、定位、定量表征十分有益。

[1]ASME BPVC-2013Ultrasonic examination methods for welds, mandatory appendices Ⅳ-phased array manual raster examination techniques using linear arrays [S].

[2]ASME BPVC-2013Mandatory appendix V-phased array E-scan and S-scan linear scanning examination techniques [S].

[3]王悅民,李衍,陳和坤.超聲相控陣檢測技術(shù)和應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2014.

[4]ASME SE-2491Standard guide for evaluating performance characteristics of phased-array ultrasonic examination instruments and systems[S].[5]DAVIS J M, MOLES M. Phased arrays vs phased arrays-beam sweeping vs encoded data collection[J]. Materials Evaluation, 2007(6): 539.

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[7]李衍. 焊縫超聲相控陣檢測最新國際標(biāo)準介紹[J]. 無損探傷，2012, 36(4)：21-29.

[8]ASME BPVC-2013Non-mandatory appendix P, phased array (PAUT) interpretation[S].

[9]CIORAU P. A contribution to phased array ultrasonic inspection of welds.Part 1：Data plotting for S- and B-scan displays [J]. CINDE Journal，2007(5)：1-9.

Evaluation of Key Points of Phased Array Ultrasonic Testing in ASME 2013 NDE Part 2：Computerized Imaging Techniques (Sequel)

LI Yan

(NDT Subcommittee of Wuxi Boiler and Pressure Vessel Society, Wuxi 214026, China)

2014-10-25

李衍(1940-),男,高級工程師,主要從事承壓設(shè)備的無損檢測工作。

10.11973/wsjc201510008

TG115.28

A

1000-6656(2015)10-0028-07