國(guó)內(nèi)外超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于對(duì)比試塊聲學(xué)性能規(guī)定的比較

許金才

（中廣核工程有限公司，深圳 518124）

被檢工件進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，為了保證超聲檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、可重復(fù)性和可靠性，必須使用含有人工反射體（長(zhǎng)橫孔、短橫孔、橫通孔、平底孔、槽等）的對(duì)比試塊來(lái)確定檢測(cè)靈敏度，測(cè)試儀器和探頭性能，調(diào)整儀器時(shí)基線掃描速度，評(píng)定缺陷大小，并根據(jù)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)以確定產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)。對(duì)比試塊和被檢工件聲學(xué)性能的差異，對(duì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大的影響；因此，國(guó)內(nèi)外超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定用于制作對(duì)比試塊材料的聲學(xué)性能必須與被檢件的聲學(xué)性能相同或相近似。但如何判定，很多標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有作規(guī)定，有些標(biāo)準(zhǔn)雖然作了規(guī)定，但判定方法各不相同，導(dǎo)致判定結(jié)論互相矛盾。因此，用哪些參數(shù)表征材料的聲學(xué)性能，以及如何根據(jù)這些參數(shù)來(lái)判定聲學(xué)性能的相近似是很必要的。筆者在從事超聲檢測(cè)工作中，有機(jī)會(huì)涉及按文中所述的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超聲檢測(cè)的產(chǎn)品，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于對(duì)比試塊聲學(xué)材料性能規(guī)定的比較分析，并測(cè)試鋼板軋制方向和垂直于軋制方向的聲速、衰減系數(shù)，并結(jié)合超聲檢測(cè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出用于判定對(duì)比試塊與被檢件聲學(xué)性能相近似的方法。

1 各主要標(biāo)準(zhǔn)對(duì)超聲檢測(cè)用對(duì)比試塊材料聲學(xué)性能的規(guī)定

1.1 ASEM 第Ⅱ卷《材料》，第Ⅴ卷《無(wú)損檢測(cè)》（2013版）

（1）第V 卷第4章《焊縫超聲檢測(cè)》規(guī)定：對(duì)比試塊的材料應(yīng)與被檢材料的加工方式和材料技術(shù)條件相同，或與受檢材料之一的P－No.（標(biāo)準(zhǔn)中材料的分組）相當(dāng)，就此章來(lái)說(shuō)產(chǎn)品標(biāo)號(hào)為P－Nos.1，3，4，5A 到5C，15A 到15F 的材料被認(rèn)為是相當(dāng)?shù)?。?duì)比試塊至少應(yīng)進(jìn)行材料技術(shù)條件中對(duì)該類型和等級(jí)材料所要求的最低溫度的熱處理。若對(duì)比試塊含有除堆焊以外的焊縫，且部件焊縫在檢驗(yàn)時(shí)已經(jīng)熱處理，則對(duì)比試塊應(yīng)作同樣的熱處理。

（2）第V 卷第5章《材料超聲檢測(cè)》規(guī)定：對(duì)比試塊的材料應(yīng)與被檢材料的加工方式和材料技術(shù)條件相同，或與受檢材料之一的P－No.相當(dāng)，就此章來(lái)說(shuō)產(chǎn)品標(biāo)號(hào)為P－Nos.1，3，4，5A 到5C，15A 到15F的材料被認(rèn)為是相當(dāng)?shù)摹?/p>

（3）SA－508／SA－508M《壓力容器用經(jīng)真空處理的淬火加回火碳鋼和合金鋼鍛件》補(bǔ)充要求S2.1.1規(guī)定：聲學(xué)性能相近似是指，在不改變探傷儀設(shè)置的前提下，比較等厚度對(duì)比試塊和被檢鍛件的底面反射波，兩者相差不大于25%。

（4）SA－788／SA－788M《鋼鍛件通用要求》補(bǔ)充要求S20.2.4.1規(guī)定：聲學(xué)性能相近似是指，在不改變探傷儀設(shè)置的前提下，比較等厚度對(duì)比試塊和被檢鍛件的底面反射波，兩者相差不大于25%。

（5）SA－578／SA－578M《特殊用途的普通鋼板和復(fù)合鋼板直射波超聲檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》補(bǔ)充要求S8.3中規(guī)定：聲學(xué)性能相近似是指，在不改變探傷儀設(shè)置的前提下，對(duì)比試塊和被檢鋼板的底波相差不大于25%。

1.2 歐洲規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)

（1）RCC－M 規(guī)范（2000版＋2002補(bǔ)遺）《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》、NF A 04—308《鋼鍛件超聲檢測(cè)》規(guī)定對(duì)比試塊應(yīng)取自：被檢工件的延長(zhǎng)部分；與被檢工件的材料和熱處理狀態(tài)相同的余料；聲學(xué)性能與被檢工件相近似的材料。

（2）EN 1714《焊縫的無(wú)損檢測(cè)－焊接接頭的超聲檢測(cè)（包括補(bǔ)充附件A1）》中對(duì)材料的超聲波特性值的規(guī)定：其基礎(chǔ)為超聲波在鋼材中的速度，縱波（5 920±50）mm／s，橫波（3 255±30）mm／s，以此作為檢測(cè)不同聲速材料的計(jì)算依據(jù)。

1.3 日本標(biāo)準(zhǔn)

JIS 3060《鐵素體鋼焊縫的超聲波檢驗(yàn)方法》規(guī)定：被檢工件和對(duì)比試塊的聲速差異在±2%以內(nèi)。

1.4 JB／T 4730.3—2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》第3部分：超聲檢測(cè)

該標(biāo)準(zhǔn)的一般要求中規(guī)定：試塊應(yīng)采用與被檢工件聲學(xué)性能相同或近似的材料制成，該材料用直探頭檢測(cè)時(shí)，不得有大于等于φ2平底孔當(dāng)量直徑的缺陷。

在規(guī)范性附錄F 中規(guī)定，焊縫超聲檢測(cè)時(shí)，對(duì)碳鋼和低合金鋼板材的材質(zhì)衰減，在頻率低于3MHz、聲程不超過(guò)300mm 時(shí)，或者衰減系數(shù)小于0.01dB／mm 時(shí)可以不計(jì)；聲程較大或材質(zhì)衰減系數(shù)超過(guò)0.01dB／mm，在確定缺陷反射波幅時(shí)，應(yīng)考慮材質(zhì)衰減修正，規(guī)定了橫波超聲材質(zhì)衰減的測(cè)量和傳輸損失差的測(cè)定。

1.5 NB／T 20003.2—2010《核電廠核島機(jī)械設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》第2部分：超聲檢測(cè)

制作對(duì)比試塊的材料應(yīng)取自：被檢件延長(zhǎng)段或自被檢件中割下的余料；與被檢件具有相同材料和熱處理狀態(tài)的部件割下的余料；與被檢件具有相近聲學(xué)特性的材料。除另有規(guī)定外，對(duì)比試塊和被檢件間的聲學(xué)性能差異在下述范圍內(nèi)，則認(rèn)為具有相似的聲學(xué)特性：聲速±5%，聲阻抗±5%，衰減系數(shù)±20%或厚度相同底波信號(hào)差異小于4dB。

2 對(duì)比分析

2.1 關(guān)于聲學(xué)性能相近似的規(guī)定

國(guó)內(nèi)外超聲檢測(cè)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于對(duì)比試塊與被檢件聲學(xué)性能相近似的規(guī)定可以分為：

（1）規(guī)定對(duì)比試塊與被檢件所用材料的技術(shù)條件和加工方式相同，保證其聲學(xué)性能與被檢件相同或相近似，所有法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)都有此規(guī)定。

（2）規(guī)定對(duì)比試塊與被檢件的P－No.相當(dāng)，保證其聲學(xué)性能與被檢件相同或相近似，這是ASME第V 卷第4，5章的專門規(guī)定。

（3）規(guī)定了用于判定聲學(xué)性能相近似的參數(shù)及其指標(biāo)，但不同標(biāo)準(zhǔn)如NB／T 20003.2—2010、SA－508／SA－508M、SA－578／SA－578M、SA－788／SA－788M、EN 1714、JIS 3060、JB／T 4730.3等，規(guī)定的參數(shù)及指標(biāo)各不相同。

（4）對(duì)如何判定聲學(xué)性能相同或相近似未作明確規(guī)定，如RCC－M 規(guī)范、NF A 04－308等。

上述四種規(guī)定中：

第一種規(guī)定明確，容易理解和執(zhí)行，只要對(duì)比試塊和被檢件材料的技術(shù)條件和加工方式相同，其聲學(xué)性能就相同或相近似；從另一個(gè)方面來(lái)說(shuō)，制造產(chǎn)品的材料種類越多，試塊的數(shù)量也就越多，會(huì)增加成本和試塊管理難度。而承壓設(shè)備的焊接結(jié)構(gòu)中，常常有板材和鍛件、板材和鋼管、鍛件和鋼管焊接的情況，這時(shí)就必須使用和被檢件聲學(xué)性能相近似的對(duì)比試塊，以滿足被檢工件檢測(cè)的實(shí)際需要。

第二種規(guī)定明確、容易理解和執(zhí)行，ASME 第IX 卷有每種材料的P－No.號(hào)，但只適用于ASME材料，對(duì)其他國(guó)家（如中國(guó)、歐洲、日本等）材料不適用。

第三種規(guī)定有具體的參數(shù)及指標(biāo)，容易理解和執(zhí)行，但各標(biāo)準(zhǔn)間，材料聲學(xué)性能的參數(shù)不同、指標(biāo)不同，寬嚴(yán)不一，如SA－508／SA－508M、SA－578／SA－578M、SA－788／SA－788M 只規(guī)定 了底波 高度的 差別，指標(biāo)較合理；EN1714、JIS3060只規(guī)定了聲速的差別，指標(biāo)較嚴(yán)；JB／T4730.3只適用板材焊縫；NB／T 20003.2—2010標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)全面，但指標(biāo)較低。

第四種規(guī)定不明確，沒(méi)有具體的參數(shù)和指標(biāo)，不同的人有不同的理解，而且差異很大，實(shí)際執(zhí)行中偏差幅度大，甚至難以執(zhí)行。

2.2 表征材料聲學(xué)性能的聲學(xué)參數(shù)

材料聲學(xué)性能是個(gè)物理概念，必須用可量化的聲學(xué)參數(shù)描述，才可以判斷兩種材料的聲學(xué)性能是否相同或相近似。超聲檢測(cè)對(duì)比試塊所有用途可以歸結(jié)為對(duì)反射體的定位和定量，影響定位準(zhǔn)確性的是材料的聲速，影響定量準(zhǔn)確性的是材料的超聲衰減；因此，筆者認(rèn)為在超聲檢測(cè)中，用聲速和超聲衰減表征材料的聲學(xué)性能是比較合適的。對(duì)文中所列舉的國(guó)內(nèi)外超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于判定對(duì)比試塊和被檢件聲學(xué)性能相近似的規(guī)定，筆者認(rèn)為NB／T 20003.2—2010標(biāo)準(zhǔn)中第3 條采用聲速、聲阻抗和衰減系數(shù)的相差值作為判據(jù)是比較合理的。但是，NB／T 20003.2—2010標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有規(guī)定聲速、聲阻抗和衰減系數(shù)三參數(shù)具體測(cè)試方法和評(píng)價(jià)方法。

3 聲速、材質(zhì)衰減系數(shù)的測(cè)定和評(píng)價(jià)

圖2 橫波聲速測(cè)定

準(zhǔn)確測(cè)定鋼材聲速和材質(zhì)衰減系數(shù)要用專門儀器，在工廠條件下可以采用以下方法測(cè)定聲速和材質(zhì)衰減系數(shù)，測(cè)定結(jié)果可以用于判定對(duì)比試塊和被檢工件聲學(xué)性能是否相近似。

3.1 鋼材聲速的測(cè)定

儀器：時(shí)間軸可以顯示時(shí)標(biāo)和聲程的數(shù)字型脈沖反射式超聲波探傷儀。

3.1.1 縱波聲速測(cè)定

將單晶片直探頭置于對(duì)比試塊或被檢工件表面上（圖1），讀取底面脈沖回波的聲程Le和傳播時(shí)間t，則縱波聲速vL為：

圖1 縱波聲速測(cè)定示意

3.1.2 橫波聲速測(cè)定

用單晶斜探頭掃查對(duì)比試塊或被檢工件中的反射體，找到該反射體的脈沖回波，從儀器上讀取橫波聲程Ls和傳播時(shí)間t，則橫波聲速vs為：

由圖2可知，反射體可以是對(duì)比試塊上人工孔、刻槽等人工缺陷，也可以是對(duì)比試塊或被檢工件直角部位的尖角，被檢工件內(nèi)部細(xì)小的點(diǎn)狀缺陷。

橫波聲速也可以根據(jù)圖1測(cè)定的縱波聲速按式（3）計(jì)算：

3.2 材質(zhì)衰減系數(shù)的測(cè)定

對(duì)比試塊和被檢工件材質(zhì)衰減系數(shù)α，一般可采用二次（或多次）底波與一次底波高度分貝差值ΔN進(jìn)行計(jì)算：

式中：ΔNg為材質(zhì)衰減引起的分貝差值；ΔNe為聲束擴(kuò)散引起的分貝差值；ΔNd為檢測(cè)面曲率半徑和粗糙度的分貝差值，即傳輸損失。

3.2.1 單晶直探頭縱波材質(zhì)衰減系數(shù)測(cè)定

單晶直探頭縱波材質(zhì)衰減系數(shù)α可以按JB／T 4730—2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》規(guī)定的方法測(cè)定。

將單晶直探頭置于對(duì)比試塊或被檢工件與底面平行的檢測(cè)面上，調(diào)節(jié)儀器使第一次底面回波幅度（B1或Bn）為滿刻度的50%，記錄此時(shí)衰減器的讀數(shù)；再調(diào)節(jié)衰減器，使第二次底面回波幅度（B2或Bm）為滿刻度的50%，兩次衰減器讀數(shù)之差即為（B1、B2）或（Bn、Bm）的dB差值（不考慮底面反射損失）。

衰減系數(shù)（T＜3N，且滿足n＞3N／T，m＝2n）按式（5）計(jì)算：

式中：α為衰減系數(shù)，dB／m（單程）；（Bn－Bm）為兩次衰減器的讀數(shù)之差，dB；T為工件檢測(cè)厚度，mm；N為單直探頭近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度，mm；m、n為底波反射次數(shù)。

衰減系數(shù)（T≥3N）按式（6）計(jì)算：

式中：（B1－B2）為兩次衰減器的讀數(shù)之差，dB；其余符號(hào)意義同式（5）。

3.2.2 單晶斜探頭橫波材質(zhì)衰減系數(shù)測(cè)定

采用一發(fā)一收兩個(gè)斜探頭進(jìn)行測(cè)定，兩個(gè)斜探頭規(guī)格（頻率、晶片尺寸、角度等）應(yīng)相同。探頭按圖3（a）放置，兩者間的透過(guò)回波可看作為底面回波。通過(guò)對(duì)儀器的調(diào)節(jié)，使該回波高度等于基準(zhǔn)高度。然后，兩只探頭按圖3（b）放置（兩者間距應(yīng)準(zhǔn)確地等于二個(gè)跨距），獲得第二次底面回波的透過(guò)回波，讀取回波的高度與基準(zhǔn)高度的dB差值ΔNg。

圖3 斜探頭測(cè)量材質(zhì)衰減系數(shù)的示意圖

對(duì)比試塊或被檢工件的橫波材質(zhì)衰減系數(shù)α可按式（7）計(jì)算：

式中：ΔL為兩個(gè)回波聲程差，2a（圖3）；

ΔNe為聲速擴(kuò)散產(chǎn)生的衰減分貝值，一般取理論值：可從根據(jù)反射體波高與反射體距離和當(dāng)量大小之間關(guān)系的理論計(jì)算公式繪制的AVG 曲線上求得。

按上述步驟測(cè)定對(duì)比試塊或被檢工件材質(zhì)衰減系數(shù)α?xí)r，要求兩者的曲率半徑和表面粗糙度相同，否則應(yīng)對(duì)式（4）中的傳輸損失ΔNd進(jìn)行實(shí)測(cè)，測(cè)定方法可按EN583－2：2001《無(wú)損檢測(cè) 超聲檢驗(yàn) 第2部分：時(shí)基線和靈敏度調(diào)整》第6.5條“傳輸修正值的測(cè)定”的要求。

3.3 參數(shù)評(píng)價(jià)

各種鋼材，如鋼板、鋼管、鍛件和圓鋼等，生產(chǎn)過(guò)程可能形成各向異性，導(dǎo)致不同方向聲速和衰減系數(shù)α存在差異。如果被檢工件的檢測(cè)方向的聲速和衰減系數(shù)α與對(duì)比試塊的聲速和衰減系數(shù)α的差別不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍，對(duì)缺陷定位和定量的影響可以略去不計(jì)，否則應(yīng)判定對(duì)比試塊和被檢工件聲學(xué)性能是否相近似。

鋼材各向異性大小，取決于鋼材材質(zhì)生產(chǎn)工藝和鋼材供貨熱處理狀態(tài)。鋼材各向異性導(dǎo)致的不同方向的聲速和材質(zhì)衰減系數(shù)α的不同，在判定對(duì)比試塊和被檢工件聲學(xué)性能是否相近似時(shí)必須考慮。有些鋼材，各向異性不嚴(yán)重，有些鋼材各向異性較嚴(yán)重，筆者采用規(guī)格為2.5P13×13K1的探頭，對(duì)一塊材質(zhì)為Q245R，板厚為40mm 的鋼板的軋制方向和垂直于軋制方向的橫波聲速和衰減系數(shù)α分別進(jìn)行測(cè)試。其橫波聲速結(jié)果分別為3 264，3 286m／s；衰減系數(shù)α分別為0.003 4，0.003 8dB／mm。

由測(cè)試數(shù)據(jù)可知：鋼板軋制方向和與之垂直方向的聲速相差0.7%，兩個(gè)方向材質(zhì)衰減系數(shù)α相差11.8%，均小于NB／T 2003.2—2010的規(guī)定值；按該標(biāo)準(zhǔn)可以判定為該鋼板軋制方向和垂直于軋制方向的聲學(xué)性能相近似。在這兩個(gè)方向上進(jìn)行探傷，鋼板各向異性導(dǎo)致聲速、衰減系數(shù)的差異，不會(huì)影響缺陷定位和缺陷定量。

鋼板供貨狀態(tài)是退火（薄板）或正火（中厚板）狀態(tài)，其晶粒細(xì)化，組織較均勻，但仍存在軋制方向和垂直于軋制方向的晶粒排列方式的不同，這種各向異性導(dǎo)致兩個(gè)方向的聲速和衰減系數(shù)略有差別；如上所述，這種差別對(duì)缺陷定位和定量影響可以忽略不計(jì)，常用鋼板的情況都是如此。某些特殊鋼板，軋制方向和垂直于軋制方向的各向異性可能較大，導(dǎo)致聲速、衰減系數(shù)相差較大，可能會(huì)影響缺陷的定位和定量。

4 結(jié)語(yǔ)

為保證超聲檢測(cè)定位定量準(zhǔn)確性符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，國(guó)內(nèi)外超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了對(duì)比試塊聲學(xué)性能應(yīng)與被檢件相近似。如何判定其相似性，國(guó)外很多標(biāo)準(zhǔn)給出了可以量化的參數(shù)指標(biāo)作為判據(jù)，國(guó)內(nèi)很多超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有或不全面，建議標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)，增加這方面的內(nèi)容。