關(guān)于ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范中管狀校準(zhǔn)試塊設(shè)計(jì)的討論

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(1.海洋石油工程股份有限公司，青島 266520;2.中海石油深海開發(fā)有限公司,深圳 518000)

近年來(lái),隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,超聲波相控陣(PAUT)檢測(cè)技術(shù)逐漸成熟,在各行業(yè)中開始推廣應(yīng)用,國(guó)內(nèi)外陸續(xù)出臺(tái)了PAUT應(yīng)用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),如標(biāo)準(zhǔn)ISO 13588Non-destructiveTestingofWelds-UltrasonicTesting-UseofAutomatedPhasedArrayTechnology，其是利用PAUT檢測(cè)焊縫的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范第V卷標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)內(nèi)外海洋石油天然氣行業(yè)的應(yīng)用比較廣泛,在其第4章的強(qiáng)制性附錄中也對(duì)PAUT的應(yīng)用給出了相應(yīng)規(guī)定,而關(guān)于PAUT校準(zhǔn)試塊的要求是以常規(guī)UT(超聲檢測(cè))試塊為基礎(chǔ)的,僅增加或修改了小部分內(nèi)容,總體要求比較寬泛、靈活。筆者基于ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范第V卷標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合PAUT和常規(guī)UT的聯(lián)系和差別,進(jìn)一步明確了相關(guān)技術(shù)要求、縮小了參數(shù)范圍，使得校準(zhǔn)PAUT系統(tǒng)更加方便有效。

1 UT和PAUT之間的聯(lián)系

常規(guī)UT和 PAUT在本質(zhì)上是相同的,二者均利用壓電晶片實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換,其聲波特性(反射、折射、衍射等)也是完全相同的，但PAUT是常規(guī)UT的一種特殊高級(jí)應(yīng)用[1]，在某些方面也存在不同點(diǎn)(見表1)。若對(duì)常規(guī)UT試塊的參數(shù)和要求做進(jìn)一步的改進(jìn)和提升，則能大大提高PAUT系統(tǒng)校準(zhǔn)的便利性和有效性。

表1 常規(guī)UT和PAUT的不同點(diǎn)

2 PAUT管狀校準(zhǔn)試塊的設(shè)計(jì)

2.1 ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范第V卷標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求

ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范第V卷第4章強(qiáng)制性附錄IV和V規(guī)范了PAUT檢測(cè)技術(shù)的要求[2]，其中包含校準(zhǔn)試塊在內(nèi)的基本技術(shù)要求(參考第4章正文)，ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范第V卷第T-434章詳細(xì)介紹了校準(zhǔn)試塊的技術(shù)要求，其中第T-434.1條對(duì)校準(zhǔn)試塊做了綜述性的通用要求，主要包括反射體類型、材料牌號(hào)、材料質(zhì)量要求、堆焊情況、熱處理狀態(tài)、表面成形狀態(tài)和曲率等，這些要求適用于所有按照ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范第V卷標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制作的試塊，必須嚴(yán)格遵守。第T-434.3條是專為管狀校準(zhǔn)試塊提出的技術(shù)要求，其主要內(nèi)容包括：① 校準(zhǔn)試塊的形狀和反射體按照?qǐng)DT-434.3-1要求規(guī)定，或曲率和壁厚允許時(shí)可按照?qǐng)DT-434.3-2要求規(guī)定；② 試塊曲率應(yīng)符合第T-434.1條要求；③ 試塊的壁厚必須在被檢工件壁厚±25%公差范圍內(nèi)；④ 試塊尺寸和反射體位置必須保證能夠完成相關(guān)的校準(zhǔn)工作。

2.2 PAUT校準(zhǔn)試塊推薦設(shè)計(jì)

2.2.1 基本形狀和反射體的選擇

現(xiàn)行ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范第V卷第T-434.3條給出了兩種試塊選擇,即圖T-434.3-1和圖T-434.3-2,其中使用圖T-434.3-2所示試塊的前提條件是曲率和壁厚允許, 應(yīng)符合第T-434.1.7條和第T-434.3.1條的要求。最終的選擇要結(jié)合實(shí)際情況,比如被檢工件的規(guī)格尺寸、試塊原材料的規(guī)格尺寸、加工能力和費(fèi)用等。圖T-434.3-1所示試塊的反射體僅包含上下表面的刻槽，ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范第V卷 2010版及以前版本均只提供該試塊的設(shè)計(jì)；從2013版開始，規(guī)范增加了可選試塊(參照?qǐng)DT-434.3-2)，除上下表面的刻槽外，還增加了試塊內(nèi)部的切向及軸向橫孔反射體，當(dāng)檢測(cè)焊縫內(nèi)部不連續(xù)時(shí)可采用橫孔校準(zhǔn)靈敏度，對(duì)焊縫表面開口不連續(xù)采用刻槽校準(zhǔn)靈敏度，有利于提高定量精度；另外，用圖T-434.3-1所示試塊的刻槽校準(zhǔn)橫波60°聲束靈敏度時(shí)端角反射率太低,而利用圖T-434.3-2所示試塊的橫孔可避免此問(wèn)題，因此筆者建議在可能的情況下，優(yōu)先選用圖T-434.3-2所示試塊。但圖T434.3-2所示試塊在某些情況下的應(yīng)用可能受限，這是因?yàn)椋河捎诜瓷潴w數(shù)量增加，試塊的加工費(fèi)用會(huì)有所增加；當(dāng)被檢工件的管徑或者壁厚較小時(shí)，切向橫孔能夠加工的長(zhǎng)度有限而不足以用于校準(zhǔn)靈敏度。小管徑薄壁試塊切向橫孔反射體示意如圖1所示，該被檢工件管徑為89 mm，壁厚為10 mm，校準(zhǔn)試塊和被檢工件規(guī)格相同，當(dāng)采用圖T-434.3-2所示設(shè)計(jì)試塊時(shí)，能夠加工的切向橫孔A的長(zhǎng)度僅約為10 mm。若增加切向橫孔的長(zhǎng)度則引起孔的深度急劇變化，在橫孔A的長(zhǎng)度增加到18 mm 時(shí)穿出材料，如圖1虛線所示，切向橫孔A不適用于校準(zhǔn)靈敏度，故這種情況下不建議采用圖T434.3-2的設(shè)計(jì)。基于以上原因，一般情況下當(dāng)校準(zhǔn)試塊的管徑小于150 mm或者壁厚小于20 mm時(shí)，推薦采用圖T-434.3-1的設(shè)計(jì)。

圖1 小管徑薄壁試塊切向橫孔反射體示意

2.2.2 反射體距試塊邊緣的距離

圖2 20 mm試塊局部設(shè)計(jì)截面示意

ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范第V卷給出的校準(zhǔn)試塊的設(shè)計(jì)中,均提出反射體距試塊邊緣的距離,在圖T-434.3-1所示試塊中規(guī)定，刻槽與試塊邊緣的距離不小于試塊厚度的一半或13 mm；圖T-434.3-2試塊中規(guī)定長(zhǎng)橫孔長(zhǎng)度不小于38 mm和刻槽距離試塊邊緣不小于38 mm。但在標(biāo)準(zhǔn)的第T-434.3條最后一句明確指出，試塊的尺寸和反射體的位置必須保證能夠完成相關(guān)的校準(zhǔn)工作，這也是該標(biāo)準(zhǔn)通用型和靈活性的體現(xiàn)，亦是該條推薦設(shè)計(jì)的依據(jù)。當(dāng)設(shè)計(jì)的試塊用于校準(zhǔn)PAUT系統(tǒng)時(shí)，這些數(shù)值(13，38 mm等)的最低要求需要進(jìn)一步提高。這主要是考慮到常規(guī)UT和PAUT聲束的差別：常規(guī)UT聲束角度單一，聲束單一，聲束范圍相對(duì)較小，主要包括主聲束及6 dB或20 dB擴(kuò)散區(qū)，檢測(cè)時(shí)需要做鋸齒狀掃查；而PAUT聲束由聚焦法則控制各晶片的激發(fā)延時(shí)，利用超聲波的干涉形成最終波束，其聲束范圍通常較為寬廣，例如常用的40°～70°扇掃描, 在實(shí)際檢測(cè)中僅作沿線掃查即可。由于PAUT聲束范圍較為寬廣，如果按照?qǐng)DT-434.3-1或圖T-434.3-2的最小數(shù)值設(shè)計(jì)試塊，在校準(zhǔn)靈敏度的過(guò)程中，試塊的端角反射信號(hào)可能與反射體信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)，并且干擾校準(zhǔn)工作。20 mm試塊局部設(shè)計(jì)截面示意如圖2所示，校準(zhǔn)試塊的厚度為20 mm，若按照?qǐng)DT-434.3-1的規(guī)定，AB之間的距離至少為13 mm；若按照?qǐng)DT-434.3-2的規(guī)定，AB之間的距離至少為38 mm。圖例中的設(shè)計(jì)AB間的距離為38 mm，當(dāng)用此試塊校準(zhǔn)相控陣系統(tǒng)時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)如圖3所示的結(jié)果。探頭前后移動(dòng)使每個(gè)角度波束經(jīng)過(guò)并記錄A處刻槽的信號(hào)時(shí)，在部分范圍內(nèi)A處刻槽信號(hào)和B處端角回波信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)，并幾乎處于同一深度。由于PAUT的校準(zhǔn)是通過(guò)檢索閘門范圍內(nèi)的最高波幅信號(hào)后，經(jīng)過(guò)計(jì)算統(tǒng)一，將所有角度波幅補(bǔ)償至基準(zhǔn)波高，如80%FSH(滿屏高度)，即ACG(角度補(bǔ)償增益)曲線，而在某些位置，B處波幅高度大于A處波幅高度，也就意味著在這些位置，PAUT系統(tǒng)檢索記錄了B點(diǎn)的端角反射，而不是A處刻槽反射體的信號(hào)，導(dǎo)致校準(zhǔn)錯(cuò)誤。

圖3 設(shè)計(jì)試塊校準(zhǔn)相控陣系統(tǒng)結(jié)果

解決這一難題最行之有效的辦法就是增大AB之間的距離，若將AB的距離增大到90 mm，修改后試塊局部設(shè)計(jì)截面示意如圖4所示，則在整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程中，A處刻槽信號(hào)和B處端角回波信號(hào)不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。因此，在PAUT校準(zhǔn)過(guò)程中，為了避免上述問(wèn)題，反射體距試塊邊緣的距離需要增大。由于PAUT聲束的可控性，在檢測(cè)不同的工件，選用不同的參數(shù)時(shí)，AB間距具體增加到的精確數(shù)值需要視情況而定，一般情況下不小于100 mm，在某些特殊工藝條件下，可能需要增加到150 mm，甚至更大，最好是在設(shè)計(jì)之前，利用聲束模擬確定其最小間距。

圖4 修改后試塊局部設(shè)計(jì)截面示意

2.2.3 橫向反射體的設(shè)計(jì)

PAUT相對(duì)于常規(guī)UT有很多優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于橫向不連續(xù)，尤其當(dāng)檢測(cè)對(duì)象管徑較小時(shí)，即使使用曲率楔塊，其靈活性和耦合效果均比常規(guī)UT的略差，所以在某些情況下制定PAUT檢測(cè)工藝時(shí)，通常使用常規(guī)UT技術(shù)做補(bǔ)充橫向掃查。在這種情況下，如果已經(jīng)有常規(guī)UT校準(zhǔn)試塊，則必須在檢驗(yàn)規(guī)程中注明PAUT不檢測(cè)軸向缺陷，而用常規(guī)UT代替，并且得到客戶的認(rèn)可。

3 結(jié)語(yǔ)

PAUT技術(shù)正在飛速發(fā)展，大范圍推廣使用PAUT已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)也正在起草編制PAUT的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。PAUT和常規(guī)UT一樣,準(zhǔn)確地校準(zhǔn)靈敏度是成功檢測(cè)的重要基礎(chǔ),ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范第V卷標(biāo)準(zhǔn)中給定的校準(zhǔn)試塊的通用性較強(qiáng),可應(yīng)用的范圍廣泛,在使用該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)PAUT校準(zhǔn)試塊時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況靈活應(yīng)用。