承壓設備管子和管道環向對接接頭的超聲檢測用對比試塊

馬 偉

(四川正吉油氣田工程建設檢測有限責任公司，成都 610000)

NB/T 47013.3-2015標準正文6.4條規定了承壓設備Ⅱ型焊接接頭的超聲檢測方法，但對厚度為4～6 mm且曲率半徑在80 mm以上的鍋爐、壓力容器等設備的管子和壓力管道的環向對接接頭超聲檢測用對比試塊未作出明確規定。該標準附錄K(包括其1號修改單)對于壁厚不小于6 mm，曲率半徑為80～250 mm的環向對接接頭超聲檢測用對比試塊的曲率半徑只給出了原則性規定，未進行細化。NB/T 47013.3-2015標準要求對比試塊與被檢件具有相同或相似的聲學性能，但未給出聲學性能相似性的具體衡量指標和判斷依據。

上述兩類管道經常出現在石油化工行業的工程檢測中，由于制造、安裝、檢測機構及在用檢驗機構檢測對象的不確定性，在遇到此類管道時，就需要根據被檢對象來制作不同規格的對比試塊，這樣就會造成制作的對比試塊數量繁多，不同機構制作的對比試塊質量參差不齊，有的甚至達不到標準的最低要求，進而影響檢測結果的準確性，增加不必要的檢測成本。筆者根據多年的工程實踐，結合NB/T 47013.3-2015標準最新要求，就如何解決此類管道檢測用試塊的問題提出了改進建議。

1 RB-C系列對比試塊的要求和分析

1.1 試塊曲率要求

NB/T 47013.3-2015標準附錄K(規范性附錄)規定了壁厚不小于6 mm，曲率半徑為80～250 mm的環向對接接頭的超聲檢測要求，對比試塊RB-C尺寸見標準中表K.1，橫孔位置分布及制作尺寸、精度要求見標準中1號修改單。

標準中K2.5條款規定，工件檢測面曲率半徑為對比試塊曲率半徑的0.9～1.5倍。

因此將對比試塊曲率半徑控制在工件檢測面曲率半徑的0.67～1.11倍內，為滿足工件檢測面曲率半徑為80～250 mm的要求，至少需要3種不同曲率的對比試塊。為便于取材和加工，選擇工程上常見的公稱直徑為168，273，406 mm等3種規格的管道作為對比試塊進行送料加工，將RB-C系列對比試塊曲率半徑控制在工件檢測面曲率半徑的0.67～1.09倍內，使其完全滿足NB/T 47013.3-2015標準中K2.5條的規定，經增加曲率后的RB-C系列對比試塊尺寸如表1所示。

表1 RB-C系列對比試塊尺寸(增加曲率) mm

在使用該系列對比試塊時，還應考慮標準正文6.3.10.1條的規定，確保檢測面曲率半徑R>W2/4(W為探頭接觸面寬度，環縫檢測時為探頭寬度，縱縫檢測時為探頭長度)。否則，應采用與檢測面曲率相同的對比試塊。

1.2 試塊厚度要求

NB/T 47013.3-2015標準中K2.6條款規定,試塊厚度與工件厚度相差不應超過工件厚度的20%。

該類環向焊接接頭通常采用單面焊雙面成形的焊接技術，超聲檢測時僅能從外壁進行單面雙側掃查，按平板對接接頭的B級技術等級要求執行。對于壁厚為6～40 mm的工件需要采用一種K值的斜探頭進行單面雙側檢測，對于壁厚為40～100 mm的工件則需要采用兩種K值的斜探頭進行單面雙側檢測。經常遇到的管徑小于500 mm的管道公稱壁厚通常都小于50 mm，應按標準附錄K“表K.1 RB-C系列對比試塊尺寸(推薦)”確定試塊的壁厚和橫孔深度位置分布。

1.3 對比試塊寬度的確定

在NB/T 47013.3-2015標準1號修改單對應的圖示中，規定編號為RB-C-1，RB-C-2，RB-C-3的試塊寬度為20 mm，規定編號為RB-C-4，RB-C-5的試塊寬度不小于20 mm。筆者認為，在確定編號為RB-C-4，RB-C-5的試塊寬度時還應考慮標準正文6.3.10.1條的規定。標準正文6.3.10.1條規定了檢測曲面工件(曲率半徑小于250 mm)時，所采用對比試塊曲率半徑、寬度的原則性要求，并給出了試塊寬度b的計算公式。

b≥2λS/D0

(1)

式中：b為試塊寬度；λ為超聲波波長；S為聲程；D0為聲源有效直徑。

也就是說，對于RB-C系列試塊中厚度不小于30 mm的試塊，其寬度應結合實施檢測時所采用的檢測工藝參數(如波的類型、探頭頻率、晶片尺寸、最大聲程等)進行綜合考慮。筆者認為,在確定該系列對比試塊寬度時，不宜將其數值設計得過大，滿足式(1)要求即可。隨著試塊寬度的增加和試塊曲率的減小，深度位置較淺的橫孔(如深度位于4，5 mm等)貫穿位置出現在試塊兩側弧面(曲面)上的概率增加，會造成加工困難且不易控制橫孔深度的加工精度。同時，由于試塊寬度的增加，在實際操作過程中探頭容易走偏，不易測得所測橫孔的準確深度，造成掃描量程誤差變大。筆者認為，在采用橫波斜探頭檢測厚度為6～50 mm的工件時，將試塊寬度控制在20～25 mm之間比較適宜。

1.4 分析

將該類超聲檢測用對比試塊按試塊曲率半徑分成3組，每組需要5個試塊以覆蓋厚度為6～50 mm，曲率半徑為80～250 mm的環向對接接頭共計15塊。

從表1可看出, 覆蓋厚度為6～50 mm，外徑為160～500 mm的工件所需試塊數量較多,且該類對比試塊只能用來制作距離-波幅曲線，無法直接準確地測量所用探頭和儀器的延遲時間及斜探頭入射點前沿值，無法測量所用儀器和斜探頭的遠場分辨力、靈敏度余量和組合頻率等指標，且不便操作。

2 GS系列對比試塊的要求和分析

標準NB/T 47013.3-2015中6.4條規定GS系列對比試塊(GS-1～GS-4)共有8種曲率半徑，其適用范圍按試塊曲率半徑的0.9～1.1倍選取，同時允許添加不同曲率和厚度的其他試塊。為解決厚度為4～6 mm且曲率半徑大于80 mm的環向焊接接頭的檢測用對比試塊的需求，建議參照標準K2.5條款規定，在原GS系列試塊的基礎上增加兩塊試塊。由于一塊GS試塊可加工成兩種不同的曲率半徑，參照RB-C系列對比試塊曲率半徑要求進行適當的優化，將對比試塊曲率半徑確定為88，118，178 mm和平面4種，可滿足壁厚為4～50 mm且曲率半徑大于80 mm的環向焊接接頭超聲檢測用試塊要求。

隨著材料制造工藝水平的提高，工件會向薄壁化、輕量化的方向發展，增加平面試塊是為了滿足可能出現的壁厚為4～6 mm且直徑大于500 mm管道環向對接接頭超聲檢測用對比試塊的需求，保持對比試塊尺寸在一定時期內的穩定性和較長的壽命周期。GS系列對比試塊參數如表2所示。

表2 GS試塊參數 mm

GS系列對比試塊體型輕巧，便于攜帶，且用途廣泛，可用于斜探頭入射點、折射角的測量和儀器-斜探頭檢測系統的遠場分辨力、靈敏度余量、組合頻率的測試以及儀器-斜探頭檢測系統的檢測校準。在壁厚為6～50 mm時，GS-5(暫定)、GS-6(暫定)對比試塊的橫孔分布位置已全部覆蓋RB-C系列試塊的橫孔深度位置，也可將其作為RB-C系列的替代試塊。在使用GS-5(暫定)、GS-6(暫定)對比試塊進行檢測時，應注意其與被檢材料(包括RB-C系列試塊)之間的聲學性能差異，盡量確保兩者的聲學性能相似。GS對比試塊結構如圖1所示。

圖1 GS對比試塊結構示意

3 被檢材料與對比試塊的聲學性能要求

NB/T 47013.3-2015標準第4.2.3.2條規定,對比試塊應與被檢件化學成分相似，含有意義明確的參考反射體，其外形尺寸應能代表被檢工件的特征，與被檢件具有相同或相似的聲學性能。采用被檢工件的余料加工對比試塊，可確保兩者的聲學性能相同，但這需要耗費較長的準備時間并付出一定的經濟費用，而利用聲學性能相似且具有必要功能的對比試塊進行替代更為經濟、高效。如何衡量對比試塊與被檢件間聲學性能相似這一問題，NB/T 47013.3-2015標準并未給出具體答案，而國內外相關標準規定各不相同，表述內容差異大，給實際檢測帶來了很大困難。材料的超聲表征指標中有兩個涉及聲傳播的可測參量可以利用，即超聲波在材料中的傳播速度和衰減[1]。此前也有作者發表過相關內容的論文，認為用聲速和超聲衰減來表征材料的聲學性能是比較合適的[2]。但筆者認為，除上述兩個指標外，聲阻抗也是表征材料聲學性質的重要物理量，聲阻抗的大小等于材料的密度與波速的乘積。聲阻抗是一個衡量聲學性質的綜合指標，不僅與材料的密度和聲速有關，還與材料的溫度有關，一般材料的聲阻抗隨溫度升高而降低[3]。

NB/T 20003.2-2010標準第5.4.2條規定,除另有規定外，對比試塊和被檢件間的聲學性能差異在下述范圍內，則認為具有相似的聲學性能：聲速差異為±5%;聲阻抗差異為±5%;衰減系數差異為±20%或厚度相同，底波信號差異小于4 dB。筆者認為，該標準關于對比試塊和被檢工件聲學性能相似的認定指標比較合理，值得NB/T 47013.3-2015標準借鑒和參考。在測試對比試塊和被檢工件的聲速、聲阻抗、衰減系數時，應將兩者間的溫度差異控制在20 ℃之內，盡量避免溫度差異對測量結果的影響。

聲速的測量方法相對簡單，使用帶有顯示聲程和時間參數的數字式超聲波探傷儀，對已知尺寸的各種規則反射體進行測量，利用聲速等于聲程除以時間(應扣除聲波在探頭內所耗時間)進行計算得出。

材料衰減的測定方法在NB/T 47013.3-2015標準附錄P(規范性附錄)中有詳細的描述。該標準附錄同時規定，對于碳鋼或低合金鋼板材的材料衰減，在頻率低于2.5 MHz、聲程不超過200 mm時，或者衰減系數小于0.01 dB·mm-1時，可以不考慮材料衰減對缺陷(缺欠)定量的影響。

4 結語

相比RB-C系列試塊，在GS系列試塊基礎上增加兩塊試塊(GS-5，GS-6)，則可解決厚度為4～6 mm且曲率半徑大于80 mm的環向焊接接頭超聲檢測用對比試塊需求。同時GS系列試塊(共6塊)滿足壁厚為4～50 mm且曲率半徑大于32 mm的所有環向焊接接頭的超聲檢測要求，在確保與被檢材料(包括RB-C系列試塊)聲學性能相似的前提下，也可作為RB-C系列試塊的替代試塊，減少不必要的試塊制作成本。將曲面環向對接接頭所用對比試塊標準化、統一化，保證檢測數據的準確性和一致性，可為制造、安裝、檢測機構節約檢測成本。