超聲波衍射時差法檢測的實驗室能力認可

史亦韋,郭 淼，陳 虹，蓋一冰

(1.中國航發北京航空材料研究院，北京 100095；2.中國合格評定國家認可中心，北京 100062)

超聲波衍射時差法(TOFD)是采用一發一收探頭，利用缺陷端點的衍射波信號探測缺陷和測定缺陷尺寸的一種超聲檢測技術，其對垂直于探測面缺陷的尺寸測量具有獨特的優勢，在結構焊縫檢測上的應用已經較為成熟。隨著國內標準NB/T 47013.10-2010 《承壓設備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測》的頒布，TOFD檢測技術在國內得到迅速推廣[1]。在近年的中國合格評定國家認可委員會(CNAS)檢測實驗室認可活動中，越來越多的實驗室申請了TOFD檢測能力的認可。TOFD檢測技術與常規超聲檢測技術在設備、檢測操作、數據解讀等方面均存在差異，在實驗室實施該技術的過程中應如何針對關鍵因素進行控制，實驗室認可評審應如何確認人員、設備、關鍵工藝控制等方面的能力等都是需要研究的問題。

筆者在分析研究TOFD檢測能力認可現狀和現有標準要求的基礎上依據TOFD檢測技術特點，以及該技術在國內的應用發展現狀，從檢測人員的培訓與認證、設備、檢測操作、數據解讀等方面提出了TOFD檢測能力實驗室認可評審的具體要求，也為相關實驗室規范該技術的應用提供一些參考。

1 TOFD檢測的實驗室能力認可現狀

CNAS實驗室認可的檢測能力描述按照檢測對象、項目或參數、領域代碼、檢測標準、說明及備注等展開。項目或參數通常指檢測方法(如超聲檢測、射線檢測)，在已經獲TOFD檢測能力認可的實驗室的能力表中，有的將參數描述為超聲檢測，有的描述為衍射時差法超聲檢測或TOFD檢測，最終準確代表其能力的是檢測對象、檢測標準和說明欄目中的限定條件，這些內容也同時是認定檢測報告是否在認可范圍內的依據。

目前與TOFD檢測技術相關的國際標準、美國標準、我國國家標準、國內各行業標準和企業標準及或認可實驗室數量如表1所示。

由表1可知，涉及實驗室認可的標準共9項，標準GB/T 23902-2009、ISO 16828:2012和ASTM E2373/E2373M-19為通用檢測方法標準，各有5家實驗室獲得認可。獲得通用標準NB/T 47013.10-2015認可的實驗室最多，共有54家，涵蓋了焊縫、板材、復合板等各類制品的檢測。焊縫檢測相關標準共有4項，其中獲得標準ISO 10863:2020認可的實驗室相對較多，另外的2項電力行業標準和1項歐洲標準(NVN-CEN/TS 14751-2004)都只有個別實驗室申請認可。

表1 TOFD檢測相關標準及獲認可實驗室數量

根據CNAS官網公布的已獲認可機構的相關信息，申請TOFD檢測能力認可的檢測實驗室有59個。從檢測實驗室行業分布看，特種設備行業機構有12個，航空航天行業有1個，質檢機構和檢測公司有31個，電力行業有2個，船舶行業3有個，兵器行業1有個，建筑行業3有個，石油石化行業 有6個。如前所述，獲標準NB/T 47013.10-2015認可的實驗室最多，除特種設備行業檢測機構之外，還有大量其他行業的檢測實驗室也使用該標準開展檢測。

2 TOFD檢測人員的能力要求

TOFD檢測技術屬于超聲檢測技術的一種，首先需要檢測人員具有執行常規超聲檢測的能力。由于TOFD檢測技術利用了缺陷的尖端衍射而不是常規的缺陷面反射，所以在探頭的參數要求、布置方式、掃查方式以及數據表達形式等方面二者均有差異。因此，從事TOFD檢測的人員需經過專門的培訓和資格認證。

從檢測標準的要求來看，國際標準、ASTM(美國材料實驗協會)標準和ASME(美國機械工程師協會)標準均首先要求從事TOFD檢測的人員按照通用的無損檢測人員資格認證標準取得超聲檢測資格證書，在此基礎上，增加TOFD的專門培訓以及考試。

標準ISO 16828:2012同時對培訓和考試做了要求。標準ISO 10863:2020對從事具體職責的人員增加了資格要求：負責編制作業指導書，離線分析數據和驗收的人員應按標準ISO 9712-2012《無損檢測人員資格鑒定與認證》或相當的標準取得相關工業門類的超聲檢測2級以上證書；在2級或3級人員監督指導下按照作業指導書進行儀器設置、數據采集、存儲和報告編寫的人員可為相應的1級以上人員。ASME標準給出了最詳細的資格認證要求：要求TOFD 2級人員在獲得超聲檢測2級資格證書的基礎上增加40 h的TOFD檢測培訓和320 h的實踐經歷；自動和半自動檢測還應增加設備的軟硬件培訓。2級實際操作考試至少需要2個試件，每個試件包含2個缺陷。TOFD 3級人員要求持有超聲3級證書，并滿足關于2級人員的TOFD檢測技術培訓、實踐經歷和考試要求，具有編制檢測規程的經歷，熟練的評價TOFD檢測結果的能力。國內的標準大多也是要求在按常規超聲檢測進行人員資格認證的基礎上，增加TOFD檢測的培訓，掌握專門知識和能力。標準GB/T 23902-2009和2項電力行業標準提出了取得TOFD檢測專項資格證書的要求。

表2為國內各行業關于TOFD檢測人員認證的要求和現狀，主要包括通用機械、特種設備、電力、船舶等行業。至今為止，各行業已頒發的TOFD檢測資格證書以2級居多，其中特種設備行業已開展TOFD檢測的2級資格認證十余年，認證人數已超萬人。頒發3級證書的只有電力行業和船舶行業，已認證100余人。

表2 國內各行業關于TOFD檢測人員認證的要求和現狀

目前各行業已普遍要求申請TOFD檢測2級資格認證的人員，首先應持有常規超聲檢測的2級資格證書。

從目前國內TOFD檢測人員的認證情況來看，需求較大的行業集中于幾個以焊縫檢測為主要超聲檢測對 象的行業。這些行業已有上萬人獲得2級資格認證，而已有3級資格人員較少。筆者建議授權簽字人應同時持有超聲檢測3級證書和TOFD檢測2級證書，技術監督人員應持有TOFD檢測2級資格證書。

3 TOFD檢測設備校準

與常規超聲檢測系統一樣，TOFD檢測設備包括超聲檢測儀、探頭、電纜和掃查裝置等。由于檢測使用了一組固定間距的一收一發探頭來接收衍射波，所以為了擴大一次掃查的檢測深度范圍，要求探頭有較大的擴散角。因為衍射波信號幅度比直接反射信號的低很多，所以檢測需要儀器擁有較高的的靈敏度。從檢測結果的表述方式來看，TOFD檢測顯示衍射波的B掃描圖像，如果儀器僅用于TOFD檢測，則只能從圖像中對缺陷的長度和高度進行評價，不能以信號幅度對缺陷進行定量評價，因此，與幅度準確性相關的性能在TOFD檢測中無意義。為了提高深度分辨力和尺寸測量的準確性，檢測要求探頭發射短脈沖，并要求儀器有足夠高的數字化采樣率。此外，需要使用適當的探頭夾具固定兩探頭的間距，并用編碼器讀取探頭位置，與采集的超聲數據建立關系，形成圖像。

3.1 TOFD檢測標準中的校準與核查要求

從表1所列的各項TOFD檢測標準中可以看出，國際標準ISO 16828:2012要求TOFD儀器應符合標準EN 12668-1-2000 《無損檢測-超聲檢驗設備的表征及驗證-儀器》、EN 12668-2-2000 《無損檢測-超聲檢驗設備的特性與認證-第2部分：探頭》和EN 12668-3-2000 《無損檢測-超聲檢驗設備的特性與認證-第3部分：綜合設備》的要求，這是常規超聲檢測儀器和探頭從購買時的質量檢測直至定期校驗的一套完整標準。其中，標準EN 12668-1-2000(GB/T 27664-1-2011修改采用)要求每12個月檢驗的項目有發射電壓、脈沖上升時間、放大器頻率響應、靈敏度和信噪比、衰減器精度、幅度線性和時基線性等，EN 12668-3-2000(GB/T 27664-3-2011修改采用)要求進行周期校驗的項目有每周測試時基線性、增益線性、靈敏度和信噪比、脈沖寬度等。

最新修訂的標準ISO 10863:2020要求TOFD儀器符合標準ISO 22232-1-2020 《無損檢測 超聲波檢測設備的特性和檢驗 第1部分：儀器》的要求。ISO 22232系列標準是新制定的常規超聲檢測儀器和探頭性能測試的標準，與EN 12668系列標準的技術內容差異不大，未來也將被其他新制訂或修訂的超聲檢測國際標準采用。

標準ASTM E2373/E2373M-19要求每6個月對幅度顯示線性(垂直線性)和幅度控制線性(衰減器精度)進行校驗，通常可以采用標準ASTM E317-2011對這些性能進行測試。ASME標準要求每年對常規超聲檢測儀器進行幅度顯示線性(垂直線性)和幅度控制線性(衰減器精度)校驗，對TOFD儀器未提出專門要求。這兩個標準均要求在峰值-20 dB水平下，探頭的脈沖持續時間不超過2個周期，探頭性能按標準ASTM E1065/E106M-2014 《評定超聲波探測裝置特性的標準規程》進行測試。

標準GB/T 23902-2009與ISO 16828:2012幾乎相同，但缺少了儀器和探頭應符合標準EN 12668-1-2000、EN 12668-2-2000和EN 12668-3-2000這一要求，也未給出校準和核查的要求。標準DL/T 1317-2014和DL/T 330-2010均要求TOFD檢測儀器符合標準JB/T 10061-1999 《A型脈沖反射式超聲探傷儀通用技術條件》的規定，并給出了部分參數的合格要求，同時要求探頭的脈沖持續時間不應超過2個周期和兩個探頭中心頻率的一致性要求，并提出了編碼器的校驗要求

標準NB/T 47013.10-2015對儀器和探頭的要求最為全面，分為以下幾個層次。

(1)新購置的TOFD儀器和(或)探頭。要求有儀器和探頭產品質量合格證明，其性能測試方法引用了標準GB/T 27664-2011。同時，要求測定的組合性能包括水平線性、垂直線性、靈敏度余量、組合頻率、-12 dB聲束擴散角和信噪比，并給出了信噪比和-12 dB聲束擴散角的測定方法，水平線性、垂直線性和靈敏度余量的測試方法則參照標準JB/T 9214-2010《無損檢測 A型脈沖反射式超聲檢測系統工作性能測試方法》的規定，組合頻率的測試方法參照 JB/T 10062-1999《超聲探傷用探頭性能測試方法》的規定。

(2)校準和核查。要求每年至少對檢測儀器和探頭組合性能中的水平線性、垂直線性、組合頻率、靈敏度余量以及儀器的衰減器精度進行一次校準。

(3)運行核查。要求每隔 6個月至少對儀器和探頭組合性能中的水平線性和垂直線性進行一次運行核查。每隔6個月至少采用對比試塊測定設備是否能夠清楚地顯示和測量其中的反射體。

(4)檢查。每次檢測前應測定和記錄探頭前沿、超聲波在探頭楔塊中的傳播時間及-12 dB 聲束擴散角；每次檢測前應對位置傳感器進行檢查。

綜合來看，各標準均未對TOFD檢測系統提出與常規超聲儀器不同的校準要求，NB/T 47013.10-2015標準中對聲束擴散角提出了專門的檢查要求。

3.2 TOFD檢測系統性能測試標準

由于TOFD檢測儀器和探頭的基本結構和組成與常規超聲儀器和探頭沒有差異，國際上沒有針對TOFD儀器性能評價的專用標準，而國內雖然有一份衍射時差法超聲探傷儀校準規范(JJF 1447-2014 《衍射時差法超聲探傷儀校準規范》)，但各TOFD檢測標準并沒有要求采用這份校準規范來對儀器進行定期校準。

標準JJF 1447-2014規定的校準項目和合格要求有：① 接收器帶寬一般為探頭-6 dB帶寬的0.5～2倍；② 發射脈沖上升時間一般小于可能使用的最大探頭標稱頻率所對應周期的0.25倍；③ 上表面盲區應滿足廠家提出的技術要求；④ 缺陷深度、高度及長度測量誤差應滿足廠家提出的技術要求。

上述校準項目與常規超聲儀器的校準要求差異較大，其中，接收器帶寬與探頭帶寬相關聯，且允許范圍是一個較為寬泛的范圍，通常在出廠時進行測試，定期校準的意義不大。發射脈沖上升時間是一項與發射頻率相關的參數，間接影響到探頭發射的超聲波頻率。上表面盲區是一項與探頭的聲束擴散角和兩探頭間距相關的參數，與儀器的關聯度并不大，而且是針對每個檢測對象在制定檢測工藝前需要確定的參數，作為儀器的校準項目也不是很恰當。缺陷深度、高度及長度測量誤差則與儀器線性和數字化采樣率關系密切，由于算法簡單，通常使用軟件進行最初的確認即可。參考國內外檢測標準的要求，不建議將JJF 1447-2014標準用于TOFD儀器的校準。

由聲TOFD檢測標準中的校準與核查要求來看，各標準基本采用了常規超聲檢測儀器的測試標準作為參考，參考的標準包括ISO 22232系列、EN 12668 (GB/T 27664修改采用)系列、ASTM E317-2011和國內的JB/T 9214-2010等，這幾份標準在參數定義和測試方法上均有一定的差異。

3.3 TOFD檢測儀器設備認可要求建議

根據前面的分析，對TOFD檢測儀器和探頭的建議要求如下。

(1)對于新采購TOFD儀器，要求廠商提供符合標準ISO 22232-1-2020，EN 12668-1-2000，GB/T 27664-1-2011或JB/T 10061-1999的測試報告。新采購的TOFD探頭應要求廠商提供符合ISO 22232-2-2020、EN 12668-2-2000 、GB/T 27664-2-2011或JB/T 12466-2015《無損檢測 超聲探頭通用規范機械標準》等標準之一的測試報告。測試報告中儀器的發射脈沖上升時間、時基線性、幅度線性(垂直線性)、幅度控制線性(衰減器精度)、探頭頻率和帶寬、探頭脈沖持續時間、擴散角等參數應符合相應檢測標準的要求。

(2)TOFD檢測儀器和探頭在投入使用前和投入使用后的每年，應按ISO 22232-3-2020，EN 12668-3-2000，GB/T 27664-3-2011，ASTM E317-2011或JB/T 9214-2010等標準之一對水平線性、垂直線性、衰減器精度和靈敏度進行校準或核查，并對探頭的擴散角進行核查。

(3)每6個月至少對探頭的擴散角進行一次核查。

(4)每次檢測前應測定和記錄探頭前沿、超聲波在探頭楔塊中的傳播時間和上、下表面盲區，還應對編碼器進行檢查。

4 檢測過程控制要點

TOFD檢測不是一個基于幅度響應的超聲檢測技術，但需要足夠的靈敏度以使待檢測的缺陷能夠被識別。TOFD檢測的一個弱點是檢測面和底面附近存在盲區，為了確保聲束覆蓋檢測區域，必須在確定檢測工藝時考慮這一因素。探頭選擇和探頭配置很大程度上決定著TOFD檢測技術的整體精度、信噪比和覆蓋區域。進行儀器設置是為了確保足夠的系統增益和信噪比，以便發現所關注的衍射信號，確保分辨力可接受、聲束能夠覆蓋所關注的區域以及系統動態范圍的有效使用。TOFD檢測過程和現場評審中有以下幾點需要重點關注。

4.1 檢測區域覆蓋

根據任務要求的檢測區域和檢測級別，首先通過選擇探頭角度、測定探頭前沿及聲束擴散角來確定探頭組合和間距，并根據厚度決定是否需要分區檢測。然后進行上下面盲區的確認，以決定是否需要補充超聲橫波檢測，或偏置非平行掃查。

4.2 數據采樣間距

進行TOFD掃查時，沿掃查方向的數據采樣間距在各標準中有的明確規定。

4.3 儀器設置和驗證

(1)靈敏度。TOFD檢測不是基于幅度對缺陷進行當量評定的檢測技術，TOFD檢測靈敏度的設置方式也與常規超聲不同，不是以人工缺陷的幅度作為基準。靈敏度的設置只是為了保證信號幅度在一定范圍內，并具有較高的信噪比。通常要求直通波高度為滿刻度的40%90%，或在底波80%的基礎上再增益20 dB32 dB，或噪聲在滿刻度的5%10%。有時標準會要求在試塊上驗證探頭指定區域缺陷的檢出性。

(2)深度校準。TOFD檢測中，探頭接收的信號到達時間與反射體的深度并不是線性關系，反射體的深度是在假定信號位于兩探頭中心的正下方的情況下，依據已知的聲速和信號與直通波的時間差由軟件自動計算得到的。因此，如同常規超聲進行聲速校正，TOFD檢測也需利用試塊中的人工孔校正儀器給出的深度值。

4.4 結果的解釋與評價

TOFD檢測數據呈現為以兩探頭間聲傳播時間為縱軸，探頭沿平行于焊縫軸線移動距離為橫軸，以接收信號幅度為像素灰度的2維圖像。檢測人員依據圖像發現缺陷并測量缺陷的長度、深度和高度。因此圖像的質量是缺陷評價正確性的前提，在評定缺陷之前，首先要對圖像進行數據有效性評價，判斷是否存在耦合不良、數據采集、靈敏度設置、時基設置等因素導致的偏差。需要技術熟練和有經驗的檢測人員對圖像質量進行評估，確定是否需要重新掃查。在評估之后，識別相關顯示，對相關不連續進行分類，確定不連續的位置，長度和高度。

由于TOFD檢測通常使用的非平行掃查是固定兩個探頭間距離并將其對稱于焊縫中心線布置的，但缺陷不一定出現在焊縫中心線處，可能導致缺陷定位存在誤差，因此，需通過改變頻率掃查、減小探頭角度掃查、改變探頭間距掃查、增加偏置非平行掃查等方式對發現的不連續顯示進行詳細分析。

4.5 測量不確定度

標準CNAS-CL01：2018 《檢測和校準實驗室能力認可準則》的7.8.3.1節規定，在測量不確定度與檢測結果的有效性或應用相關時、客戶有要求時、測量不確定度影響與規范限的符合性時，需在報告中給出測量不確定度。標準CNAS-CL01-G003:2018《測量不確定度的要求》的7.1節規定，檢測實驗室應分析測量不確定度對檢測結果的貢獻，應評定每一項用數值表示的測量結果的測量不確定度。且注2中規定，對一特定方法，如果已確定并驗證了結果的測量不確定度，實驗室只要能證明已識別的關鍵影響因素受控，則不需要評定每個結果的測量不確定度。

常規超聲檢測會將測得的缺陷幅度或當量尺寸、缺陷長度等作為合格評定依據，但由于超聲檢測不確定因素較多，人為操作的不確定度可能占據主要因素，且受到被檢缺陷自身形狀和性質等未知因素的影響，這些因素導致的測得的缺陷尺寸與實際尺寸之間的差異較大，往往大過可評估的測量不確定度。因此，超聲檢測報告通常并不要求指出測量不確定度。TOFD檢測的主要目的是確定缺陷的自身高度和長度，在可以獲得缺陷端部衍射信號的情況下，TOFD檢測可較穩定地測得缺陷高度和長度，但仍受到缺陷自身形狀和取向的不確定性的影響。標準GB/T 23902-2009 給出了由橫向位置誤差、定時誤差、聲速誤差、探頭間距誤差引起缺陷深度測量誤差的計算公式，可以作為評估測量不確定度的參考。建議實驗室建立TOFD檢測測量不確定度的評估程序并進行初始評估，在客戶要求時，可給出測量不確定度評估結果，并聲明不確定因素。

5 質量控制要求

檢測實驗室對檢測工作的質量控制分為外部質量控制和內部質量控制。關于外部質量控制，目前標準CNAS-RL02：2018 《能力驗證規則》僅要求無損檢測領域的實驗室每2 年參加一次能力驗證，并未具體規定檢測方法。從TOFD檢測方法特殊性的角度考慮，筆者認為盡可能利用各種質量控制手段進行監控是十分必要的。由于TOFD檢測是一種超聲檢測技術，通常用于焊縫常規超聲檢測的樣品，大多也適合于TOFD檢測，二者差異在于缺陷評定。TOFD不能給出缺陷回波當量，但可以進行缺陷自身高度的評定。目前，上海材料研究所機械工業無損檢測中心已在CNAS官網公布的2020年能力驗證計劃中提供鋼焊縫TOFD能力驗證項目，但作為新開發的項目，參加的實驗室還不多，尚需進一步積累經驗，逐步完善。

就目前的情況而言，筆者建議申請和獲得TOFD檢測能力的實驗室盡可能參加為該技術設立的能力驗證項目，或者至少用TOFD檢測技術參加過焊縫超聲檢測關于缺陷位置和長度的能力驗證并得到滿意的結果。

關于內部質量控制方法，可在CNAS-CL01:2018標準第7.7.1條規定的質量監控方式中進行選擇。例如測量和檢測設備的功能核查、使用相同或不同方法進行重復檢測、審查報告的結果、實驗室內比對、盲樣測試等。

6 結語

分析了國內外TOFD檢測技術相關檢測標準、儀器設備性能測試標準以及各標準方法的國內認可現狀，根據TOFD檢測技術特點，提出了對實驗室TOFD檢測能力認可的一些建議。這些建議的合理性和適用性，還需經過行業內進一步的討論和驗證。