焊縫超聲檢測靈敏度與檢出缺陷的數(shù)字定量分析

(廣州市特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣州 510663)

1 問題的提出

采用斜探頭對焊縫進行超聲檢測時,相關(guān)標準都規(guī)定用探頭對對比試塊中不同深度的一定直徑和長度的橫孔(基準反射體)進行測定，并制作距離-波幅曲線(DAC)，在此基準線的基礎(chǔ)上, 再提高或降低一定的靈敏度dB值，以作為檢測掃查靈敏度和缺陷評定靈敏度[1-2]。在對檢出缺陷進行定量時，標準要求首先確定缺陷波幅在距離-波幅曲線族上的區(qū)域，然后再測定缺陷的指示長度。然而，在這兩個缺陷定量的參數(shù)中，只有反映缺陷長短的缺陷指示長度可用數(shù)字表示，而反映缺陷直徑當量大小的缺陷波幅卻未轉(zhuǎn)換成用缺陷尺寸數(shù)字表示，因而檢測、焊接、質(zhì)量監(jiān)督人員難以對缺陷情況有直接和全面的了解；此外，對不同尺寸對比試塊如何等效代用，也是值得探討的問題。

筆者擬在用標準規(guī)定的靈敏度進行超聲檢測時，對檢出的缺陷作數(shù)字定量分析，并在缺陷定量分析的基礎(chǔ)上，探討不同尺寸對比試塊的等效代用方法，從而為檢測人員對檢測靈敏度的確定、對缺陷的處理和對不同尺寸對比試塊的等效代用等提供參考。

2 根據(jù)探頭聲束寬度確定焊縫超聲檢測反射體類型的計算

2.1 計算過程

(1) 用2 MHzφ12 mm (β=60°)的斜探頭對CSK-ⅡA-1試塊中深度為35 mm的φ2 mm×40 mm(直徑×橫孔長度,下同)橫孔進行反射體類型的計算。

斜探頭對試塊中橫孔檢測示意的正視圖如圖1所示，在ΔOAB中,AB=35 mm,cos60°=0.5,得OB=70 mm。

圖1 斜探頭對試塊中橫孔的檢測示意(正視圖)

圖2 斜探頭對φ2 mm×40 mm橫孔檢測示意(俯視圖)

(2) 用2 MHzφ12 mm (β=60°)的斜探頭對CSK-IIA-2試塊中深度為90 mm的φ2 mm×60 mm橫孔進行反射體類型的計算。

如圖1所示,在ΔOAB中,AB=90 mm,則OB=180 mm。

橫孔檢測示意的俯視圖如圖3所示，在ΔOBC中,θ0=9°25′,則BC=29.85 mm，探頭聲束寬度DC=59.70 mm<60 mm(橫孔長度)，所以φ2 mm×60 mm的橫孔屬于長橫孔反射。

圖3 斜探頭對φ2 mm×60 mm橫孔檢測示意(俯視圖)

圖4 斜探頭對φ6 mm×80 mm橫孔檢測示意(俯視圖)

(3) 用2 MHzφ12 mm(β=60°)的斜探頭對CSK-ⅣA-1試塊中深度為110 mm的φ6 mm×80 mm橫孔進行反射體類型計算。

如圖1所示，在ΔOAB中,AB=110 mm,得OB=220 mm。

橫孔檢測示意的俯視圖如圖4所示，在ΔOBC中,θ0=9°25′,BC=36.49 mm,探頭聲束寬度DC=72.98 mm<80 mm(橫孔長度),所以φ6 mm×80 mm橫孔屬于長橫孔反射。

2.2 計算結(jié)果分析

(1) NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分 超聲檢測》標準中,I型焊接接頭使用的對比試塊CSK-IIA-1,CSK-IIA-2,CSK-IIA-3中的φ2 mm×40 mm,φ2 mm×60 mm橫孔屬于長橫孔反射；對比試塊CSK-IVA-1,CSK-IVA-2,CSK-IVA-3中的φ6 mm×80 mm,φ6 mm×100 mm,φ6 mm×120 mm橫孔屬于長橫孔反射。I型焊接接頭使用的對比試塊CSK-IIIA中的φ1 mm×6 mm橫孔屬于短橫孔反射。II型焊接接頭檢測使用的GS-1,2,3,4對比試塊中的φ2 mm×20 mm橫孔屬于長橫孔反射。

(2) GB/T 11345-2013《焊縫無損檢測 超聲檢測 技術(shù)、檢測等級和評定》標準中,技術(shù)1選用的RB-1,RB-2,RB-3對比試塊的φ3 mm×40 mm橫孔屬于長橫孔反射[3]。

用回波聲壓公式進行相關(guān)計算時，屬于長橫孔反射的，采用長橫孔公式計算；屬于短橫孔反射的，采用短橫孔公式計算。

考慮到CSK-IIIA試塊中的φ1 mm×6 mm橫孔屬于短橫孔反射，由于試塊寬度較小(只有30 mm)，容易使發(fā)射到試塊兩側(cè)的超聲波束發(fā)生側(cè)壁反射而干擾聲場，因而該試塊已不屬主流試塊，目前也只在標準附錄中推薦使用,故文章不對該試塊在使用時作缺陷定量分析。筆者只對基準反射體屬于長橫孔的試塊在使用時作缺陷定量分析。

3 不同檢測靈敏度檢出缺陷直徑當量的計算公式

(1) 長橫孔反射回波聲壓計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：Pf為長橫孔回波聲壓；P0為探頭波源起始聲壓；Fs為探頭波源面積；λ為波長；x為長橫孔至波源距離；Df為長橫孔直徑。

(2) 兩個不同直徑,不同距離的長橫孔(用下標1，2區(qū)分)反射回波聲壓分貝差為

(2)

(3) 兩個不同直徑,相同距離的長橫孔反射回波聲壓分貝差為

(3)

式(3)中，當知道長橫孔直徑Df 1及Df 1、Df 2兩個長橫孔間的反射回波聲壓分貝差Δ12，就可求得長橫孔直徑Df2。

具體到焊縫超聲波檢測，當知道基準反射體的直徑Df1和在基準線基礎(chǔ)上提高的靈敏度Δ12，就可求得在此靈敏度時檢出的缺陷直徑當量Df2。

4 計算實例與結(jié)果

4.1 計算實例

4.1.1 實例1

用CSK-IIA-1對比試塊的φ2 mm×40 mm長橫孔作為基準反射體檢測厚度20 mm的對接焊縫，NB/T 47013.3-2015標準的評定線靈敏度是φ2 mm×40 mm-18 dB，則該靈敏度檢出的缺陷直徑當量可按式(3)求出為0.032 mm。(這時的評定線就相當于以φ0.032 mm×40 mm長橫孔作為基準反射體的距離-波幅曲線)。

4.1.2 實例2

用CSK-IIA-1對比試塊的φ2 mm×40 mm長橫孔作為基準反射體檢測厚度20 mm的對接焊縫，NB/T 47013.3-2015標準的評定線靈敏度是φ2 mm×40 mm-18 dB。在檢測過程中發(fā)現(xiàn)一個深度為10 mm的缺陷，其波幅比同深度評定線高6 dB，也就是缺陷波幅位于φ2 mm×40 mm-12 dB的位置上, 可按公式(3)計算檢出的缺陷直徑當量Df2= 0.126 mm。

4.2 計算結(jié)果匯總

根據(jù)公式(3)計算得到的在不同檢測靈敏度時檢出的缺陷直徑當量,見表1～4。

表1 NB/T 47013.3-2015標準中I型焊接接頭在不同檢測靈敏度時檢出的缺陷直徑當量 mm

4.3 不同直徑橫孔對比試塊的等效代用

(1) 大直徑長橫孔試塊代用小直徑長橫孔試塊的步驟和方法

① 計算大、小直徑兩橫孔的反射回波聲壓分貝差；② 在大直徑橫孔DAC曲線基礎(chǔ)上，提高由①計算得到的反射回波聲壓分貝差(這時的大直徑橫孔DAC曲線就相當于小直徑橫孔的DAC曲線)；③ 在小直徑橫孔DAC曲線基礎(chǔ)上，按標準的要求分別提高評定、定量、判廢線要求提高的靈敏度dB值，這樣就得到大直徑橫孔確定的評定線、定量線和判廢線。

(2) 小直徑長橫孔試塊代用大直徑長橫孔試塊的步驟和方法

① 計算大、小直徑兩橫孔的反射回波聲壓分貝差；② 在小直徑橫孔DAC曲線基礎(chǔ)上，降低由①計算得到的反射回波聲壓分貝差(這時的小直徑橫孔DAC曲線就相當于大直徑橫孔的DAC曲線)；③ 在大直徑橫孔DAC曲線基礎(chǔ)上，按標準的要求分別提高評定、定量、判廢線要求提高的靈敏度dB數(shù)，這樣就得到小直徑橫孔確定的評定線、定量線和判廢線。

表2 NB/T 47013.3-2015標準中I型焊接接頭在檢測和評定橫向缺陷時的檢測靈敏度(表1中各線靈敏度提高6 dB)與檢出的缺陷直徑當量 mm

表3 NB/T 47013.3-2015標準中II型焊接接頭在不同檢測靈敏度時檢出的缺陷直徑當量 mm

表4 GB/T 11345-2013,GB/T 29712-2013標準中不同檢測靈敏度檢出的缺陷直徑當量 mm

注：t為板厚；L為缺陷顯示長度；H0為參考靈敏度 (基準靈敏度) 。檢測技術(shù)1規(guī)定以直徑3 mm橫孔作為基準反射體制作DAC曲線,并以此作為參考靈敏度 (基準靈敏度)

(3) 雖然可以用提高或降低靈敏度的方法使不同直徑的長橫孔試塊等效代用，但由于計算公式較為復(fù)雜, 在生產(chǎn)現(xiàn)場計算更不容易, 因而這種代用方法雖然可行，但也是不宜提倡的，還是應(yīng)該多從試塊的設(shè)計和標準的規(guī)定上考慮。

5 計算結(jié)果的應(yīng)用

(1) 通過數(shù)學(xué)計算，得到在不同檢測靈敏度時檢出的用數(shù)字表示的缺陷直徑當量，通過數(shù)字的比較，檢測人員對檢測靈敏度的高低就更容易判別，選擇檢測靈敏度也更有依據(jù)。

如表1所示，用CSK-IIA-1試塊檢測厚度在6～40 mm間的焊縫，評定線、定量線、判廢線靈敏度分別是φ2 mm×40 mm-18 dB,φ2 mm×40 mm-12 dB和φ2 mm×40 mm-4 dB，這時檢出的缺陷直徑當量分別是0.032,0.126,0.796 mm，定量線檢出的缺陷直徑當量是評定線的3.94倍，判廢線檢出的缺陷直徑當量是評定線的24.88倍。這就使得檢測人員更易了解檢測靈敏度的高低。

(2) 由計算得到缺陷的尺寸數(shù)據(jù)，可對不同標準的檢測靈敏度高低作出比較。

如表1所示，用NB/T 47013.3-2015標準的CSK-IIA-1試塊檢測40 mm厚的焊縫，評定線、定量線、判廢線靈敏度檢出的缺陷直徑當量分別是0.032,0.126,0.796 mm；如表4所示，用GB/T 11345-2013標準選用的RB-3試塊檢測同樣厚度的焊縫，驗收等級2級評定線、定量線、判廢線檢出的缺陷直徑當量分別是0.119,0.119(L>t),0.300 mm(L>t)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，檢測人員就能對不同標準的檢測靈敏度高低加以比較，有助于對檢測標準的選擇。

(3) 根據(jù)要求檢出的缺陷尺寸確定最低檢測靈敏度，可以有目的地確定檢測靈敏度，從而使檢測靈敏度不致過高或過低，更有合理性。

(4) 在檢測過程中，根據(jù)缺陷反射波的波幅確定缺陷的尺寸，有助于對缺陷的了解、定性和處理。

(5) 通過試算得到檢出缺陷的尺寸數(shù)字，為不同直徑橫孔對比試塊的等效代用提供了依據(jù)。

6 結(jié)語

通過數(shù)學(xué)計算，得到在標準規(guī)定的檢測靈敏度時檢出的缺陷直徑當量尺寸，以及在檢測過程中根據(jù)缺陷反射波波幅確定的缺陷直徑當量尺寸。在數(shù)字定量分析的基礎(chǔ)上，探討了在不同檢測靈敏度時檢出的缺陷直徑當量的變化，以及不同尺寸對比試塊的等效代用方法。為檢測人員確定合適的檢測靈敏度、等效選用檢測對比試塊和更直接了解缺陷情況提供參考，也為制定科學(xué)合理的檢測驗收標準提供幫助。

參考文獻:

[1] 胡天明.超聲探傷[M].武漢:武漢測繪科技大學(xué)出版社,1994.

[2] 鄭暉,林樹青.超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社,2008.

[3] 金宇飛,許遵言,丁杰,等.焊縫超聲檢測——GB/T 11345標準應(yīng)用指南[M].北京：中國標準出版社,2016.