ISO相控陣超聲檢測(cè)焊縫驗(yàn)收等級(jí)解讀

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(1.上海材料研究所，上海 200437；煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司，煙臺(tái) 264000)

隨著電子處理技術(shù)能力與換能器制造水平的提高，相控陣檢測(cè)成為近年來發(fā)展比較迅速的無損檢測(cè)技術(shù)。相控陣超聲檢測(cè)已廣泛地應(yīng)用于航空航天、核電設(shè)備、承壓設(shè)備、船舶海工等領(lǐng)域中。通過特定的設(shè)置，相控陣可以檢測(cè)復(fù)雜幾何形狀或可接近性受限的工件。相比常規(guī)超聲檢測(cè)，相控陣對(duì)缺陷的檢出和定量有一定的優(yōu)越性。

我國(guó)于2016年頒布了GB/T 32563《無損檢測(cè)-超聲檢測(cè)-相控陣超聲檢測(cè)方法》。國(guó)際上，焊縫相控陣超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)有ISO和ASME(美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì))兩大體系,各有特點(diǎn)。2012年ISO頒布了ISO 13588《焊縫無損檢測(cè)-超聲檢測(cè)-使用自動(dòng)相控陣技術(shù)》。ASME《鍋爐與壓力容器規(guī)范 第五卷:無損檢測(cè)》也在時(shí)隔兩年后進(jìn)行換版，最新2017版對(duì)相控陣檢測(cè)方法提出了較多的要求。雖然有了相控陣檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)，但各個(gè)體系都沒有明確的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，使得焊縫相控陣檢測(cè)的應(yīng)用受到了限制。直至2017年8月，才有了第一個(gè)焊縫相控陣超聲檢測(cè)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)——ISO 19285《焊縫無損檢測(cè)-相控陣超聲檢測(cè)-驗(yàn)收等級(jí)》。筆者對(duì)這個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了介紹和解讀，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)要求進(jìn)行了分析。

1 適用范圍

與其他專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一樣，此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了適用范圍。其適用于最低厚度6 mm的鐵素體鋼全熔透焊縫的相控陣超聲檢測(cè)驗(yàn)收等級(jí)，該驗(yàn)收等級(jí)對(duì)應(yīng)ISO 5817《焊接-鋼、鎳、鈦及其合金的熔化焊接頭(束焊除外)缺欠質(zhì)量等級(jí)》的相應(yīng)級(jí)別。這些驗(yàn)收等級(jí)適用于根據(jù)ISO 13588進(jìn)行焊縫檢測(cè)發(fā)現(xiàn)指示的等級(jí)分類。

2 等級(jí)

標(biāo)準(zhǔn)涉及了質(zhì)量等級(jí)、檢測(cè)等級(jí)、驗(yàn)收等級(jí)、評(píng)估等級(jí)、參考等級(jí)和記錄等級(jí)等。

質(zhì)量等級(jí)按照ISO 5817給出。焊縫質(zhì)量等級(jí)劃分是根據(jù)焊縫中存在缺欠的類型、尺寸及數(shù)量，將其分為B級(jí)，C級(jí)和D級(jí)的，B級(jí)表示最高的質(zhì)量要求。

檢測(cè)等級(jí)按照ISO 13588給出。檢測(cè)等級(jí)劃分是根據(jù)焊縫等級(jí)要求以及檢測(cè)難易程度，將其分為A級(jí)，B級(jí)，C級(jí)和D級(jí)的。

驗(yàn)收等級(jí)按照ISO 19285給出。驗(yàn)收等級(jí)劃分是根據(jù)焊縫等級(jí)要求，將其分為1級(jí)，2級(jí)，3級(jí)的。ISO標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量等級(jí)、檢測(cè)等級(jí)、驗(yàn)收等級(jí)的相互關(guān)系如表1所示(驗(yàn)收等級(jí)1的接收標(biāo)準(zhǔn)只適用于基于長(zhǎng)度和高度的評(píng)定)。

表1 ISO標(biāo)準(zhǔn)相控陣超聲檢測(cè)相關(guān)等級(jí)

在ISO 17640《焊縫無損檢測(cè)-超聲檢測(cè)-技術(shù)，檢測(cè)等級(jí)和評(píng)估》標(biāo)準(zhǔn)中提出了設(shè)置靈敏度的4種技術(shù)，參考等級(jí)是靈敏度設(shè)置時(shí)的參考值。評(píng)估等級(jí)與驗(yàn)收等級(jí)相關(guān)，超過評(píng)估等級(jí)的指示才需要進(jìn)行評(píng)估。記錄等級(jí)與驗(yàn)收等級(jí)相關(guān)，對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的驗(yàn)收等級(jí)，記錄等級(jí)比相應(yīng)驗(yàn)收等級(jí)低4 dB,在評(píng)定前，應(yīng)確認(rèn)相應(yīng)的驗(yàn)收等級(jí)和記錄等級(jí)。

3 指示評(píng)定驗(yàn)收方式

依照ISO13588要求檢出的指示，其評(píng)定按照ISO 19285存在以下兩種驗(yàn)收方式：

(1) 根據(jù)ISO 19285第七條測(cè)量指示的長(zhǎng)度和高度，然后用ISO 19285第九條進(jìn)行驗(yàn)收。

(2) 根據(jù)ISO 19285第八條測(cè)量指示的長(zhǎng)度和最大波幅，然后用ISO 19285第十條進(jìn)行驗(yàn)收。

具體使用哪種方式應(yīng)在使用的檢測(cè)程序中指定。

3.1 按測(cè)量的長(zhǎng)度和高度驗(yàn)收

長(zhǎng)度確定的方式有兩種：

(1) 單個(gè)指示的長(zhǎng)度應(yīng)使用ISO 11666《焊接無損檢測(cè)-超聲波檢測(cè)-驗(yàn)收等級(jí)》中描述的方法測(cè)量，測(cè)量時(shí)使用能提供最大波幅的聚焦法則；

(2) 使用衍射時(shí)差法(TOFD),指示長(zhǎng)度的測(cè)量應(yīng)根據(jù)ISO 15626《焊縫無損檢測(cè)-衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)(TOFD) 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》中描述的方法測(cè)量。

如果是其他情況，可以按照檢測(cè)等級(jí)D，采取協(xié)商決定測(cè)量方式。

沿長(zhǎng)度方向上高度應(yīng)由最大范圍掃查位置的高度來確定。高度的確定方式有兩種：

(1) 使用衍射信號(hào)。如果可以觀測(cè)到衍射信號(hào)，應(yīng)使用它來確定高度，高度應(yīng)根據(jù)ISO 15626描述的方法來測(cè)量。可由以下方法中的一種來確定高度：① 來自同一不連續(xù)的可觀察到的兩個(gè)衍射信號(hào)(上尖端和下尖端)；② 來自同一不連續(xù)的可觀察到的一個(gè)衍射信號(hào)和一個(gè)表面信號(hào)；③ 對(duì)于與根部區(qū)域相連的不連續(xù)，可用一個(gè)衍射信號(hào)和已知壁厚確定；④ 對(duì)于表面開口不連續(xù)，可用一個(gè)與表面相關(guān)的衍射信號(hào)確定。

(2) 使用其他信號(hào)。如果高度無法用衍射信號(hào)測(cè)出，則高度的確定應(yīng)基于以下方法中的一種進(jìn)行。① 使用ISO 11666中描述的，利用參考等級(jí)的波幅進(jìn)行比較，也可使用其他定量技術(shù)(時(shí)間增益修正法、距離增益尺寸法,6 dB法)；② 使用反射體信號(hào)的飛行時(shí)間(如根部中空，錯(cuò)位)；③ 使用波形轉(zhuǎn)換信號(hào)的飛行時(shí)間。

長(zhǎng)度和高度確定以后，應(yīng)根據(jù)指示的驗(yàn)收等級(jí)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)指示進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于兩側(cè)厚度不同的焊縫接頭，以其中的較薄厚度作為主導(dǎo)來進(jìn)行驗(yàn)收。

單個(gè)指示的驗(yàn)收。對(duì)于單個(gè)指示，1級(jí)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)在表2列出，2級(jí)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)在表3列出，3級(jí)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)在表4列出。

表2 單個(gè)指示1級(jí)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn) mm

表3 單個(gè)指示2級(jí)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn) mm

表4 3級(jí)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn) mm

多個(gè)指示的驗(yàn)收。對(duì)于多個(gè)指示，首先應(yīng)確定累計(jì)長(zhǎng)度，確定累計(jì)長(zhǎng)度時(shí)不考慮點(diǎn)狀指示。所有超過記錄等級(jí)的單個(gè)可接受指示的累計(jì)長(zhǎng)度被規(guī)定為在指定的焊縫長(zhǎng)度內(nèi)所有單獨(dú)指示的長(zhǎng)度及線性排列指示的組合長(zhǎng)度的和。

(1) 對(duì)于每個(gè)單組設(shè)置的多個(gè)指示累計(jì)長(zhǎng)度

當(dāng)壁厚t≤50 mm時(shí)，對(duì)于沿著焊縫12t長(zhǎng)度內(nèi)的單個(gè)可接受指示的累計(jì)長(zhǎng)度應(yīng)該不大于：① 驗(yàn)收等級(jí)1,3.5t，最大150 mm;② 驗(yàn)收等級(jí)2,4.0t，最大200 mm;③ 驗(yàn)收等級(jí)3,4.5t，最大225 mm。

當(dāng)壁厚t>50 mm時(shí), 對(duì)于沿著焊縫長(zhǎng)度內(nèi)的單個(gè)可接受指示的累計(jì)長(zhǎng)度應(yīng)該不大于：① 驗(yàn)收等級(jí)1,10%焊縫長(zhǎng)度，最大500 mm;② 驗(yàn)收等級(jí)2,10%焊縫長(zhǎng)度，最大600 mm;③ 驗(yàn)收等級(jí)3,10%焊縫長(zhǎng)度，最大700 mm。

(2) 當(dāng)按照ISO 13588的C級(jí)檢測(cè)時(shí)，要求使用兩組設(shè)置，對(duì)于多組設(shè)置，在另一組發(fā)現(xiàn)指示時(shí)，復(fù)合指示的最大總長(zhǎng)度不超過單組設(shè)置要求的多個(gè)指示累計(jì)長(zhǎng)度限值的1.5倍。

指示編組的驗(yàn)收。指示的編組應(yīng)基于單個(gè)指示的尺寸以及指示的間距。一個(gè)編組的長(zhǎng)度和尺寸將不可用于進(jìn)一步編組。編組時(shí)不考慮點(diǎn)狀指示。

(1) 出現(xiàn)下列情況時(shí)，一個(gè)指示的編組可作為單個(gè)指示：沿著焊縫的兩個(gè)指示之間的間距小于較長(zhǎng)指示的長(zhǎng)度，并且兩個(gè)指示在焊縫厚度方向上的間距小于高度較大指示的高度。指示編組作為單個(gè)指示，按照單個(gè)指示的要求進(jìn)行接收或拒收的判定。

(2) 對(duì)于一個(gè)指示編組，總高度hg定義為單個(gè)指示的高度加上其之間的間距的總和，總長(zhǎng)度lg定義為單個(gè)指示的長(zhǎng)度加上其之間的間距的總和。指示編組的尺寸如圖1所示，圖中h為指示1,2,3的最大高度;l為指示1, 2,3的最大長(zhǎng)度;hg為指示編組的總高度；lg為指示編組的總長(zhǎng)度。圖1中的指示2和3應(yīng)作為一個(gè)指示編組，因?yàn)槠湓趚方向的間距小于l，且在z方向間距小于h。指示1不包含在指示編組中，因?yàn)樵诤穸确较虻拈g距大于h。

圖1 指示編組的尺寸

點(diǎn)狀指示的驗(yàn)收。點(diǎn)狀指示是指在任何方向都沒有明顯延伸的指示，可能由衍射或反射引起。在任何150 mm焊縫長(zhǎng)度內(nèi)，點(diǎn)狀指示的最大數(shù)量不超過式(1)給出的值。

N=1.2t

(1)

式中：N取較大的整數(shù)。

3.2 按測(cè)量的長(zhǎng)度和最大波幅驗(yàn)收

使用ISO 19285附錄B中規(guī)定的絕對(duì)靈敏度法，采用固定波幅水平技術(shù)，通過測(cè)量沿著焊縫方向上波幅高于評(píng)估等級(jí)的距離來確定指示的長(zhǎng)度。為了測(cè)量尺寸，用波束掃查這些指示(見圖2，圖中l(wèi)為測(cè)得的指示橫向尺寸;1, 2指示波幅等于評(píng)估等級(jí)的位置;a為最大回波;b為評(píng)估等級(jí))，標(biāo)出指示波幅下降到評(píng)估等級(jí)的探頭位置和波束路徑范圍(圖2中的位置1和2)。橫向尺寸l由位置1和2之間的距離來確定。當(dāng)產(chǎn)品規(guī)范或檢驗(yàn)要求指定時(shí)，也可使用其他技術(shù)來測(cè)量指示長(zhǎng)度。長(zhǎng)度和最大波幅確定以后，應(yīng)根據(jù)指示的驗(yàn)收等級(jí)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)指示進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于兩側(cè)厚度不同的焊縫接頭，以其中較薄的厚度作為主導(dǎo)來進(jìn)行驗(yàn)收。

圖2 使用波束軸的固定波幅水平技術(shù)原理示意

縱向指示的驗(yàn)收。ISO 19285規(guī)范性附錄表A.1提供了用于評(píng)估指示所使用技術(shù)的信息和相關(guān)評(píng)估和驗(yàn)收等級(jí);表A.2中規(guī)定了使用角度橫波波束掃查技術(shù)2時(shí)驗(yàn)收等級(jí)2級(jí)和3級(jí)的參考等級(jí);表A.3中規(guī)定了使用直探頭縱波掃查技術(shù)2時(shí)驗(yàn)收等級(jí)2級(jí)和3級(jí)的參考等級(jí);圖A.1～A.4給出了技術(shù)1(橫孔)和技術(shù)3(矩形槽)的各個(gè)等級(jí)，圖A.5～A.10給出了技術(shù)2[平底孔(圓盤形反射體)]和技術(shù)4 (串列技術(shù))的各個(gè)等級(jí)(見表5～7)。附表與附圖相對(duì)應(yīng)。對(duì)于①厚度范圍為6 mm≤t<15 mm，長(zhǎng)度超過t的任何指示;②所有其他厚度范圍，長(zhǎng)度超過t/2或者20 mm ，以較大尺寸為準(zhǔn)的任何波幅低于驗(yàn)收等級(jí)(高于評(píng)估等級(jí))的指示，均應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)。這需要使用其他附加角度探頭，如果指定可使用串列技術(shù)，最終評(píng)估應(yīng)基于最大回波波幅和所測(cè)量的長(zhǎng)度進(jìn)行。

表5 技術(shù)1,2,3和4的驗(yàn)收等級(jí)2級(jí)和3級(jí)要求(ISO 19285規(guī)范性附錄表A.1)

表6 技術(shù)2采用角度波束橫波掃查的驗(yàn)收等級(jí)2級(jí)和3級(jí)的參考等級(jí)(ISO 19285規(guī)范性附錄表A.2) mm

表7 技術(shù)2采用直波束縱波掃查的驗(yàn)收等級(jí)2級(jí)和3級(jí)的參考等級(jí)(ISO 19285規(guī)范性附錄表A.3) mm

橫向指示的驗(yàn)收：當(dāng)規(guī)定檢測(cè)橫向指示時(shí)，應(yīng)使用縱向指示的驗(yàn)收等級(jí)。

指示編組的驗(yàn)收。指示的編組應(yīng)基于波幅超過記錄等級(jí)單個(gè)可接受指示的尺寸以及指示的間距。一個(gè)編組的長(zhǎng)度將不可用于進(jìn)一步編組。為了評(píng)估，如果出現(xiàn)下列情況，指示編組應(yīng)被視為單個(gè)指示：① 間距dx小于較長(zhǎng)指示長(zhǎng)度的兩倍；② 間距dy小于厚度的一半，但不大于10 mm；③ 間距dz小于厚度的一半，但不大于10 mm。總長(zhǎng)度如圖3(圖中dx,dy,dz為相鄰指示在x軸、y軸和z軸方向的間距;ln為單個(gè)指示的長(zhǎng)度，其中n=1，…,3)和圖4所示(圖中dx為在x軸方向間距；l1,l2為單個(gè)指示的長(zhǎng)度；l12為總長(zhǎng)度)，計(jì)算公式如式(2)所示。

l12=l1+l2+dx

(2)

圖3 焊縫中指示編組的簡(jiǎn)單表示

圖4 焊縫中指示編組的長(zhǎng)度示意

指示累計(jì)長(zhǎng)度。所有超過記錄等級(jí)的單個(gè)可接受指示的累計(jì)長(zhǎng)度被規(guī)定為在指定的焊縫長(zhǎng)度內(nèi)所有單獨(dú)指示的長(zhǎng)度及線性排列指示的累計(jì)長(zhǎng)度的和(見圖5，圖中l(wèi)c為累計(jì)長(zhǎng)度，lc=l2+l3+l45+l6;lw為焊縫長(zhǎng)度；ln為單個(gè)指示的長(zhǎng)度，n=1，…，7)。

圖5 焊縫中指示累計(jì)長(zhǎng)度示意

(1) 對(duì)于每個(gè)單組設(shè)置，對(duì)于任何一段長(zhǎng)度lw為6倍板厚的焊縫，所有超過記錄等級(jí)的單個(gè)可接受指示的最大累計(jì)長(zhǎng)度，對(duì)于驗(yàn)收等級(jí)2級(jí)，不得超過lw的20%；對(duì)于驗(yàn)收等級(jí)3級(jí)，不得超過lw的30%。

(2) 當(dāng)按照ISO 13588的C 級(jí)檢測(cè)時(shí)，要求使用兩組設(shè)置，對(duì)于多組設(shè)置，在另一組發(fā)現(xiàn)指示時(shí)，復(fù)合指示的最大總長(zhǎng)度不超過單組設(shè)置要求的多個(gè)指示累計(jì)長(zhǎng)度限值的1.5倍。

4 結(jié)語

由于ISO 19285國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提供了兩種驗(yàn)收方式，因此在制定檢測(cè)程序時(shí)應(yīng)預(yù)先規(guī)定所要采用的驗(yàn)收方式。通過借鑒ISO標(biāo)準(zhǔn),比照ASME相關(guān)規(guī)范,結(jié)合國(guó)情,可以此為基礎(chǔ)制定出符合我國(guó)國(guó)情的焊縫相控陣驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。