特殊結構的常規和非常規超聲檢測——ASME 2013NDE亮點評析

李 衍

（無錫市鍋爐壓力容器學會無損檢測專委會，無錫214026）

迄今為止，國內除大型企業和有規模的外資企業外，承壓設備制造行業一般都使用常規技術如RT（射線檢測）或UT（超聲檢測）對其焊接接頭作體積檢測。國際性ASME 法規涉及NDE 的第Ⅴ卷，從2007年起，就已列入有關計算機成像（CI）技術作體積檢測的一系列標準中，其中TOFD（超聲衍射時差）法4個，PAUT（超聲相控陣）法8個。有關要求傾向于系統化、格式化、明細化、實用化。筆者以承壓設備兩種特殊結構——堆焊層和管接頭、一種有典型意義的常見部件——小徑薄壁管為例，試對ASME新版（2013版）中的常規和非常規UT要求，作一簡介和評析，意在為CI技術的推廣和國內相應行標的制定，起推波助瀾作用。

1 堆焊層的檢測

ASME 2013 版對堆焊層UT有較大篇幅（圖文）點明要求。由于結構、材料、聲學特性的特殊性，從試塊、試樣、探頭、探測布置，到UT 工藝和評定驗收，均有特定要求［1］。

奧氏體堆焊層常用于碳鋼壓力容器和管道，目的是減輕或防止腐蝕。堆焊覆層容器和管道在核工業已使用多年，在石化工業上的應用也日益增多。堆焊層或包覆層常采用手工電弧焊或自動埋弧焊完成，或通過爆炸或軋制過程完成。每一過程均會產生有一定特性的冶金晶粒結構，而晶粒結構又會影響超聲波的傳播、檢測特性和結果評價。

1.1 結構示例

堆焊層檢測前，需要熟悉其結構、材料和焊接工藝，以便確定檢測方法，編制合適的UT 工藝。圖1是承壓設備上常用的堆焊層結構之一。復合板材和堆焊層焊材及其熔合區、熱影響區是關注重點。

圖1 堆焊層結構和焊接細節示例

1.2 探頭選擇

當遇到需將探頭直接置于余高磨平的焊縫檢測堆焊覆層與基材堆焊層的熔合情況，或置于覆層一側要檢測與基材的接合狀況時，可使用圖2所示的雙晶直探頭，其聲束一發一收；兩晶片需傾斜一定角度，使聲束有效焦點距離對中待檢區域。

1.3 校驗試塊

ASME新版對堆焊層UT 靈敏度校驗試塊規定了A、B、C、D四種類型，按校驗方法和檢測目的選定。A、B、C三型適用于校驗方法1，可按需選用一種（A是基本型，B、C是替代型）；D型適用于校驗方法2。

圖2 堆焊層和覆層熔合狀況及復合板與基材接合狀況檢測用雙晶直探頭

1.3.1 A 型校驗試塊

此基本校驗試塊構造和反射體設置見圖3中1個φ3mm 平底孔，1個φ1.5 mm 長橫孔；平底孔底部與復合界面齊平，長橫孔圓柱面與復合界面相切。堆焊層厚度至少與被檢試件堆焊層厚度相同，基材厚度至少為堆焊層厚度的2 倍。M為側面至焊縫軸線距離。

圖3 堆焊層UT 用A 型校驗試塊（適于校驗方法1）

1.3.2 B型校驗試塊

φ3mm 平底孔試塊如圖4所示。4個平底孔的埋深分別為（1／4）CT、（1／2）CT、（3／4）CT和1CT（CT為堆焊層厚度）。堆焊層厚度至少與被檢試件堆焊層厚度相同，基材厚度至少為堆焊層厚度的2倍。圖4中全部φ3 mm 平底孔，孔徑容差和相對于堆焊層厚度的埋深容差均為±0.4mm。

圖4 堆焊層UT 用B型校驗試塊（適于校驗方法1）

1.3.3 C型校驗試塊

系φ1.5mm 長橫孔試塊，見圖5。4個長橫孔的埋深分別為（1／4）CT、（1／2）CT、（3／4）CT和1CT（CT為堆焊層厚度）。堆焊層厚度至少與被檢試件堆焊層厚度相同，基材厚度至少為堆焊層厚度的2倍。圖5中全部φ1.5 mm 長橫孔，孔徑容差和相對于堆焊層厚度的埋深容差均為±0.4mm，所有橫孔長度至少為38mm。

圖5 堆焊層UT 用C型校驗試塊（適于校驗方法1）

1.3.4 D 型校驗試塊

此基本校驗試塊適用于校驗方法2。其構造和反射體設置，如圖6 所示。2 個φ10 mm 平底孔；2孔底部均與復合面齊平，深度分別相當于堆焊層厚度和基材厚度。堆焊層厚度至少與被檢試件堆焊層厚度相同。當從基材側表面進行檢測時，試塊基材厚度應在25mm 以內；當從堆焊層表面進行檢測時，試塊基材厚度至少應為堆焊層厚度的2倍。

圖6 堆焊層UT 用D 型校驗試塊（適于校驗方法2）

1.4 校驗方法

堆焊層UT 靈敏度校驗方法相關于校驗試塊。

1.4.1 校驗方法1

（1）A 型校驗試塊法——φ3 mm 平底孔或φ1.5mm長橫孔單點靈敏度校驗法

探頭置于堆焊層側表面，對準平底孔或長橫孔，以從平底孔或長橫孔獲得最高回波。調節增益，使孔的回波高度為滿屏高80%±5%，以此作為基準靈敏度波高。注意，用橫孔測試時，雙晶探頭分割面（隔聲面）應平行于橫孔軸線。

（2）B 型和C 型校驗試塊法——φ3 mm 平底孔和φ1.5mm 長橫孔DAC校驗法

以平底孔為例，探頭置于堆焊層側表面，對準最近點平底孔，以從該孔獲得最高回波。調節增益，使該孔回波高度為滿屏高80%±5%，以此作為基準靈敏度波高。將該波高點標繪在顯示屏上，不改變增益值，移動探頭，求得其他3點相應平底孔的峰值回波幅度，將相應波高點也標繪在顯示屏上。最后，將4個波高標繪點連點成線，以此作為φ3mm 平底孔的DAC曲線。

同理，也可作出長橫孔DAC 曲線。注意，用橫孔時，雙晶探頭分割面（隔聲面）應平行于橫孔軸線。

1.4.2 校驗方法2

D 型校驗試塊法——φ10 mm 平底孔單點靈敏度校驗法。

探頭置于堆焊層側或基材側表面，對準φ10mm平底孔，以使平底孔底部的第一回波達到最高波幅。調節增益，使該孔回波高度為滿屏高80%±5%，以此作為基準靈敏度波高。

1.5 檢測方法

要使用的檢測方法首先取決于被檢工件（包括堆焊或包覆型式，基板和覆層材料等），其次是要檢出的缺陷位置和類型。表1～4列出的方法考慮了更為一般性的檢測要求；對四種情況下宜采用的優化技術，提供了通用性指南［2］。表中橫線箭頭為橫波；一般箭頭為縱波。

1.6 注意事項［2］

（1）堆焊層對超聲傳播的影響：不銹鋼堆焊層的宏觀結構會影響到聲傳播物理特性，如圖7，8所示。圖7中在晶粒界面上存在散射。

圖7 超聲波束通過柱狀晶粒時的橫截面

表1 從覆層表面檢測焊縫方法（也適用于檢測基材）

表2 從覆層表面檢測堆焊界面方法

表2（續）

表3 從基板表面檢測堆焊層方法

表4 從基板表面檢測焊縫方法（也適用于檢測基材）

圖8 超聲波束通過堆焊層時產生的反射和散射

（2）聲能損失和缺陷定位均與堆焊層厚度有關。圖9示出了堆焊層厚度對缺陷定位的影響，圖9中a為水平距離修正值，b為深度修正值。表5列出了一般缺陷定位適用的典型修正。此表有以下4個假設條件：①堆焊材料為不銹鋼。②基材為鐵素體。③堆焊層中柱晶取向近似垂直于板面。④堆焊層平覆在鏡面上。表5中T為堆焊層厚度。

圖9 缺陷的水平距離修正與深度修正

表5中給出的聲束角度和修正值是從覆層材料彈性常數導出的（通常為304不銹鋼），因而代表特殊的堆焊層材料。彈性常數不同的材料會在堆焊層中產生不同于表5所給出的聲束角度。

表5 缺陷水平和深度定位修正示例

在無限大固體介質中，縱波聲速為：

在無限大固體介質中，橫波聲速為：

式中：E為介質彈性模量；G為介質切變彈性模量；ρ為介質密度；σ為介質泊松比。

為此，對任何給定的堆焊材料，要用適當的包含相關材料的試樣，測出實際聲束角度。可見，堆焊層厚度會影響這些修正值。檢測前，先要測定堆焊層厚度。

若上述條件不能滿足，由于聲束分離等復雜性，表5規定的簡單修正一般就不適用。為正確評析檢測結果，應在下列部位測量堆焊層厚度：①在堆焊過程中可能已存在偏差的部位。②在已發現重要缺陷的部位。

2 管子的檢測

2.1 曲率劃分

被檢管子直徑有大有小。ASME 規范早有一條通則：凡直徑D大于500mm，校驗試塊可用平面試塊。若D不大于500 mm，應使用曲面試塊。單一曲面試塊的適用范圍：0.9～1.5Dc（Dc為曲面試塊的曲面直徑）。如Dc＝250 mm 的試塊，適于檢測直徑D為225～375 mm 的管子。圖10示出了校驗試塊探測面與被檢試件（管子）表面曲率的適配限定值。A 為基本校驗試塊；M 為0.9倍限值線；N為1.5倍限值線。

圖10 校驗試塊探測面與試件表面曲率的適配限定值

2.2 校驗試塊

管子Ⅰ型校驗試塊的結構和人工反射體設置，如圖11所示。若曲率和厚度許可，也可用圖12所示管子Ⅱ型校驗試塊。Ⅰ型試塊曲率要求如上所述，試塊厚度T＝t±0.25t（t為被檢管子壁厚）。

圖11 管子UT 校驗Ⅰ型試塊尺寸

這兩種試塊國內尚未普及，宜推廣。ASME 管型試塊的設置形狀和反射體型式、方向、位置較切合實際，考慮了聲傳播和聲衰減在管材中的主要特性響應。但試塊和反射體制作有一定難度。圖11中試塊長L最小應為200 mm 或8T（取兩者中較大值）；外徑D0不大于100mm 時，試塊弧長最小應為270°；D0大于100mm 時，試塊弧長最小應為200mm或3T（取兩者中較大值）；槽深最小應為8%T，最大11%T，有堆焊層時，試塊堆焊層側的槽深，應加上堆焊層厚度（即槽深最小為8%T＋CT，最大為11%T＋CT）；槽寬最大值并不很嚴。線槽可用電火花加工，或用R不大于3mm 銑刀端銑；槽長應足以為校驗提供3∶1的信噪比。圖12中，弧長應滿足斜聲束校驗。橫孔孔徑、長度和容差與非管型校驗試塊同（孔徑相關于試件、試塊厚度?？组L至少38 mm）。深度位置（埋深）為（1／4）T、（1／2）T和（3／4）T的切向橫孔，應確認其埋深滿足孔長的一半的要求。橫孔半徑應加到埋深測量值上，以確保埋深值準確。試塊厚度T小于19 mm 時，只需鉆（1／2）T橫孔；線槽為選用項，可結合試塊特點，采用圖7所示線槽；槽深最小應為8%T，最大11%T；槽寬最大6mm，槽長最小25mm。線槽可用電火花加工，或用R不大于3mm 銑刀端銑；槽長應足以為校驗提供3∶1的信噪比。線槽離試塊邊緣或線槽與線槽間距不得小于T或38mm（取兩者中較大值）。

圖12 管子UT 校驗Ⅱ型試塊

2.3 校驗方法

2.3.1 斜探頭線槽校驗法

在圖11所示管子UT 校驗Ⅰ型試塊上，斜探頭對準1T（0.5S）線槽，以求得最高回波。調節增益，使該回波為80%±5%滿屏高，以此作為基準靈敏度波高。隨后，不改變增益，分別求得2T（1.0S）、3T（1.5S）線槽最高回波。由此求得3個波高點構成的DAC曲線（見圖13）。對周向和軸向線槽要分別制作DAC 曲線，用DAC 曲線校驗時，對橫坐標代表的時間范圍和縱波代表的距離波幅均需校核、校準。注意，對軸向線槽進行校驗時，線槽水平距離有曲面修正問題。

圖13 管子UTⅠ型試塊線槽DAC曲線的繪制示例

2.3.2 斜探頭橫孔校驗法

當管壁厚度較大時，應使用圖12所示管子Ⅱ型校驗試塊中的橫孔制作DAC 曲線，以此DAC 曲線來校驗靈敏度。測試繪制方法如圖14所示，橫孔深度位置取4點：（1／4）T、（1／2）T、（3／4）T、（5／4）T；前3 點 用1 次 波（0.5S）測，最 后1 點 用2 次 波（1.0S）測。注意，DAC 曲線最高點（即80%±5%滿屏高），壁厚較大時，?。?／4）T孔的波高值；壁厚相對較小時，?。?／2）T孔的波高值。這是因為壁厚小，處于近場區內的聲壓變化不規則所致。因壁較薄、橫孔埋深較淺、近聲場距離較短，DAC 最高點有可能不在聲程最近點（如圖中（1／4）T孔）。

對軸向橫孔和周向橫孔均需制作DAC 曲線。用DAC曲線校驗時，對橫坐標和縱坐標所代表的距離范圍和距離波幅，也均需分別校驗。

圖14 管子UTⅡ型試塊橫孔DAC曲線的繪制示例

2.4 小口徑管檢測方法

管徑D0不大于89 mm 的管子稱為小徑管。采用相控陣技術，制定適當的掃查工藝，用聲線示蹤法，可顯示法規提出的檢測體積全覆蓋范圍，也能校核檢測角度適當與否。相控陣可使用S掃或E 掃，并使用多道掃查，完成小徑管檢驗。關鍵項目是解決小徑管聲束散焦，使用合適的掃查器［3］。

檢測依據：動力管道常按ASME B31.1，工藝管道常按ASME B31.3。兩標準都允許采用UT，特別是AUT（超聲自動檢測）。B31.1有規范案例CC 179，這是基于產品制造驗收標準的AUT 規范案例［4］；B31.3有規范案例CC 181，這是基于斷裂力學驗收標準的AUT 規范案例［5］。

施探要領：①要求使用外形較小的陣列和掃查器。②超聲波束在管壁厚度內有明顯散焦現象，最好能用曲面陣列或矩陣聚焦。③需用抽真空耦合。④要根據不同管徑、壁厚分別配置。⑤對缺陷在壁厚方向測高精度盡力提高；⑥按ASME 要求對每種管徑、壁厚都制作校驗試管。

2.4.1 掃查布置

圖15是厚壁焊縫掃查布置示例，圖中示出了焊接坡口的聲束入射角。在某些情況下，此角度可能大于10°，不理想。ASME建議：采用兩次或兩次以上不同焊縫－探頭距離的S掃，可滿足對被檢焊縫適當覆蓋的要求。

管壁厚度減薄時，焊縫覆蓋性趨向于用單行S掃較好，如圖16所示。此時，為保證焊縫全覆蓋，應對焊縫兩側探傷。

圖15 適應壁厚25mm 雙面焊縫坡口面的超聲入射角（箭頭所指）聲線示蹤圖例

圖16 對壁厚5mm 焊縫用標準相陣探頭45°～70°橫波作S掃查

但在某些情況下，用1.5S（S為跨距）波（俗稱三次波）檢測即可，如圖17所示。注意，這里只用到50°～65°的聲波掃查，這對S掃僅是較小角度范圍。通過掃查布置圖，可見不同角度的組合和位置可確定適當覆蓋范圍。當然，若需較大角度范圍，相控陣列校正也須適應此范圍。在大多數情況下，可校正范圍總是小于楔塊幾何尺寸允許范圍。

圖17 對壁厚5mm 焊縫用相陣探頭50°～60°橫波1.5S（三次波）作S掃查

圖18，19 表示掃查布置應用的另一問題。圖18說明有一段焊縫熱影響區因單行S掃，聲束未能掃到。圖19說明若將探頭－焊縫距離從10 mm 調整到15mm（即作兩行S掃），聲束即實現全覆蓋。

圖18 對壁厚9mm 焊縫用標準相陣探頭45°～70°橫波作單行S掃查

圖19 壁厚9mm 用標準相控陣探頭45°～70°橫波增補一行S掃查

實際上，對壁厚9～10mm 的小徑管，用單行S掃聲束很難全覆蓋焊縫，一般要以不同的焊縫－探頭距離，進行兩行或兩行以上的S掃。圖20即表示對壁厚10mm焊縫用兩行S掃查即可滿足全覆蓋的示例。

2.4.2 超聲缺陷定量

（1）管子缺陷周向測長

圖20 對壁厚10mm 焊縫用標準相陣探頭45°～70°橫波作兩行S掃

小徑管超聲檢測有個固有問題：超聲波束入射到管壁中時，會產生散焦現象（見圖21），采用相控陣小探頭，頻率5 MHz，32陣元，聲闌10mm×7mm，焦深12mm。從技術上講，可使聲束在垂直面內（徑向）聚焦，對缺陷進行定量；但聲束在水平面內（軸向）的散焦，會導致缺陷測長結果明顯過大。因此，利用AUT和斷裂力學的方法優勢，會相對減弱。

圖21 超聲波束進入φ50mm×6mm 小徑管壁后沿曲面散焦狀態的CIVA 建模圖

圖22 小徑管中φ2mm 平底孔徑用PA 聚焦聲束

要解決這個問題，就要設法使聲束在管子周向聚焦。此法已在工業上得到應用，但對大多數小徑管檢測定量尚未普及。目前，這種曲面陣列已可用于管道AUT。圖22即表示對管子底面的平底孔，用聚焦和非聚焦相陣探頭作線掃定量時的結果比較，可見聚焦測長精確度明顯提高：缺陷實際長度2mm，非聚焦陣列測出長度為6.4mm，而聚焦陣列測出長度為3.1mm，故有望減少返工或拒收率。

（2）管子缺陷壁厚方向測高

缺陷在壁厚方向的尺寸測量，即使在最有利的條件下，也是個大問題，而薄壁小徑管有余高焊縫難度更大，特別是焊縫的內外余高會產生假信號。通常，都使用折射角大的探頭，這使缺陷定量受幾何條件限制變得更困難。小徑薄壁管中缺陷較小，其頂端信號與基底信號往往不好分辨。用聲線示蹤法也改善不了多少，最佳方法可能就是針對過后要“解剖”的缺陷進行操作驗證演示。

2.4.3 超聲掃查硬件——掃查器

自動和半自動掃查器廣泛用于平板和大口徑管焊縫的超聲檢測，而適用于小徑管檢測的掃查器尚不多見。而且，小徑管往往成排管機構，管管之間空間甚小，要求選用靈巧的小型掃查器，也要求盡量使用小型陣列探頭。

目前，小徑管掃查器已上市。圖23即適用于外徑為50～100 mm 的帶夾箍的掃查器。圖24為適于現場檢測用的海力克斯小型掃查器。

圖23 裝有小徑管夾箍的掃查器

圖24 現場小徑管PAUT 用海力克斯掃查器

2.4.4 結 語

（1）ASME B31.3 規范案例CC181，允許AUT用于小徑管檢測。

（2）小徑管PAUT，無論是基于制造質量的驗收標準，或是基于斷裂力學的驗收標準，均需配置適當掃查器和探頭陣列。

（3）提供合適的掃查布置圖是一項關鍵性要求，目前常用PA 設備已能配置聲線示蹤編程來畫出相應掃查布置。

（4）借助于掃查布置圖，能確定聲束覆蓋范圍和入射角度適當與否。

（5）ASME最新版對承壓設備（包括小徑管）焊接接頭的PAUT 工藝、校驗方法及驗收標準均有詳細規定。

（未完待續）