國(guó)內(nèi)外相控陣超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)比較與分析

鄭　陽(yáng)，鄭　暉，潘強(qiáng)華，楊　齊

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029)

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國(guó)內(nèi)外相控陣超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)比較與分析

鄭陽(yáng)，鄭暉，潘強(qiáng)華，楊齊

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029)

由于相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的缺陷顯示形象直觀且檢測(cè)精度較高，近年來被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。為了適應(yīng)相控陣超聲檢測(cè)工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展需求，國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)相繼開展了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，并發(fā)布了部分標(biāo)準(zhǔn)。主要對(duì)國(guó)內(nèi)外相控陣超聲標(biāo)準(zhǔn)的體系及主要標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容進(jìn)行了歸納、比較與分析，為我國(guó)相控陣超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。

相控陣超聲；標(biāo)準(zhǔn)；超聲檢測(cè)；無損檢測(cè)

對(duì)缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位、形象化表征、定性和定量評(píng)估是無損檢測(cè)技術(shù)追求的主要目標(biāo)，特別是在一些涉及生命與環(huán)境安全的領(lǐng)域，如特種設(shè)備(壓力容器、管道、鍋爐和游樂設(shè)施等)、軌道交通、航空等領(lǐng)域，只有盡可能準(zhǔn)確而完整地獲得結(jié)構(gòu)中的缺陷信息，才能為產(chǎn)品質(zhì)量控制、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、健康監(jiān)測(cè)、壽命預(yù)測(cè)等提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，減少和預(yù)防災(zāi)難性事故的發(fā)生。在這樣的目標(biāo)和需求驅(qū)動(dòng)下，相較于A型脈沖回波和TOFD等方法,相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)能獲得更多的波形信息，具有更高的缺陷檢測(cè)和評(píng)估能力，可以對(duì)缺陷進(jìn)行2D甚至3D成像，缺陷顯示形象直觀，故近年來在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，代表著超聲檢測(cè)技術(shù)未來的發(fā)展方向。

為了適應(yīng)相控陣超聲工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展需求，國(guó)內(nèi)外有關(guān)機(jī)構(gòu)相繼開展了相控陣超聲標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。目前ISO(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織)關(guān)于相控陣超聲的系列標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)布，美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)(ASME)鍋爐及壓力容器規(guī)范也已將相控陣超聲應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)列入到第V卷中，我國(guó)目前尚無系列化的相控陣超聲標(biāo)準(zhǔn)，而相控陣超聲檢測(cè)已經(jīng)在航空航天、船舶航運(yùn)、特種設(shè)備、核電設(shè)施、武器裝備等眾多領(lǐng)域展開了大量應(yīng)用，因此迫切需要相應(yīng)的相控陣超聲標(biāo)準(zhǔn)作為檢測(cè)依據(jù)和技術(shù)支撐。

筆者概述了相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)，對(duì)國(guó)內(nèi)外相控陣超聲標(biāo)準(zhǔn)的體系進(jìn)行了歸納總結(jié)，從標(biāo)準(zhǔn)適用范圍、檢測(cè)人員要求、設(shè)備要求、檢測(cè)技術(shù)等級(jí)、檢測(cè)區(qū)域、檢測(cè)溫度、試塊、檢測(cè)范圍與靈敏度設(shè)置、缺陷評(píng)估、驗(yàn)收準(zhǔn)則、驗(yàn)收?qǐng)?bào)告等方面對(duì)國(guó)外主要標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容進(jìn)行了比較分析,可以為我國(guó)相控陣標(biāo)準(zhǔn)的制定工作提供參考。

1　相控陣超聲檢測(cè)

1.1概述

相控陣超聲檢測(cè)是一種通過對(duì)陣列傳感器的各獨(dú)立陣元按一定的延遲法則進(jìn)行激勵(lì)、接收，合成特定形式的聲場(chǎng)，進(jìn)行超聲波掃描成像檢測(cè)的技術(shù)。相較于常規(guī)超聲檢測(cè)，如超聲測(cè)厚、A型脈沖回波檢測(cè)和衍射時(shí)差法檢測(cè)等，其工作的物理基礎(chǔ)均為超聲波，遵循同樣的檢測(cè)規(guī)律，但在工作方式上又有所不同。常規(guī)超聲檢測(cè)儀器一般包含一個(gè)生成和接收超聲波的發(fā)生器和接收器，采用一個(gè)晶片自激自收或一對(duì)晶片一激一收的方式實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。在較高級(jí)的系統(tǒng)中,發(fā)生器及接收器與編碼器和掃查器相配合，進(jìn)行B掃描、C掃描成像檢測(cè)。一般而言,這樣的系統(tǒng)各通道間均獨(dú)立執(zhí)行常規(guī)的超聲檢測(cè)工作。相控陣超聲檢測(cè)儀器是多通道的激勵(lì)、接收系統(tǒng)，各通道間按照一定的延時(shí)法則協(xié)同工作，共同驅(qū)動(dòng)由多個(gè)晶片組成的陣列傳感器，產(chǎn)生合成聲場(chǎng)進(jìn)行超聲檢測(cè)。其聲場(chǎng)合成功能可以使用一個(gè)陣列傳感器合成多種不同折射角度的聲波進(jìn)行掃查，還可以合成在一系列不同深度位置上動(dòng)態(tài)聚焦的聲波，使得單個(gè)陣列傳感器可以執(zhí)行多種聲場(chǎng)形式的檢測(cè)。同時(shí)，它的成像功能更加豐富，從成像上可使操作人員觀察到相對(duì)的點(diǎn)到點(diǎn)的變化以及多角度的缺陷響應(yīng)，從而有助于缺陷的辨別與定量。

1.2相控陣超聲檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)

一般而言，相控陣超聲只是改變了聲場(chǎng)的產(chǎn)生和接收方式，檢測(cè)的物理機(jī)制依然是基于超聲波，它可用于執(zhí)行所有的常規(guī)超聲檢測(cè)。此外，基于多陣元合成聲場(chǎng)的工作方式，其還可以執(zhí)行眾多獨(dú)有的檢測(cè)功能，如扇形掃查(S-scan)、電子掃查(E-scan)和動(dòng)態(tài)聚焦掃查等。扇形掃查時(shí)聲束偏轉(zhuǎn)角按預(yù)先設(shè)定的增量步長(zhǎng)依次變化，覆蓋一定的角度范圍，相當(dāng)于執(zhí)行了一組不同角度的斜入射檢測(cè)，經(jīng)過信號(hào)處理可生成被測(cè)工件截面的檢測(cè)圖像。在不移動(dòng)和更換傳感器的情況下，即可實(shí)現(xiàn)不同角度的斜入射檢測(cè)，不但提高了檢測(cè)效率，還極大地簡(jiǎn)化了檢測(cè)幾何形狀較為復(fù)雜的工件的過程。聚焦掃查時(shí)，可以預(yù)設(shè)聚焦點(diǎn)掃查方式和路徑，如聲束聚焦點(diǎn)沿著一條線移動(dòng)進(jìn)行電子掃查(E-scan)，或是聚焦在一片區(qū)域內(nèi)的各個(gè)點(diǎn)，提高對(duì)關(guān)鍵性缺陷進(jìn)行精確定量的能力。

相控陣超聲檢測(cè)的局限性主要有：① 合成聲場(chǎng)的精度主要依賴于波速和通道間延遲精度，檢測(cè)環(huán)境溫度范圍大或是材料不均勻，對(duì)波速產(chǎn)生影響時(shí)，易使得合成聲場(chǎng)精度降低。② 儀器設(shè)備成本高。③ 技術(shù)難度大，對(duì)操作人員要求高。

2　國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及體系

目前，國(guó)內(nèi)外主要的相控陣超聲相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表1。相控陣超聲標(biāo)準(zhǔn)體系包括：術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，其中設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)還可分為儀器、傳感器和系統(tǒng)組合性能三部分。目前以相控陣超聲為代表性的標(biāo)準(zhǔn)體系主要有歐盟及ISO標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)比如表2所示。歐盟及ISO標(biāo)準(zhǔn)體系較為完整。

在術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)方面，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系中，沒有單獨(dú)相控陣超聲術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)，而是在ASTME1316 Terminology for Nondestructive Examinations進(jìn)行了規(guī)定，該標(biāo)準(zhǔn)僅列出了“壓電晶片陣列”、“電子掃描”、“聚焦法則”、“線陣探頭”、“面陣探頭”、“扇形掃描”等核心術(shù)語。而歐盟及ISO標(biāo)準(zhǔn)體系中，術(shù)語由EN16018專門規(guī)定，按照“與聲波相關(guān)的術(shù)語”、“與檢測(cè)設(shè)備相關(guān)的術(shù)語”、“與檢測(cè)相關(guān)的術(shù)語”三類詳細(xì)列出了79條。

在設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)方面，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)中沒有關(guān)于相控陣超聲儀器的標(biāo)準(zhǔn)。而歐盟及ISO標(biāo)準(zhǔn)中，ENISO18563-1詳細(xì)規(guī)定了相控陣超聲儀器本身的各項(xiàng)要求及部分性能的測(cè)試方法。我國(guó)目前的相控陣超聲標(biāo)準(zhǔn)中，沒有專門的術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)中，針對(duì)儀器和探頭各有一個(gè)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，沒有類似于ENISO18563-1和EN16392-2作出對(duì)儀器和探頭制造要求、性能要求及測(cè)試方法的詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)組合性能標(biāo)準(zhǔn)主要翻譯采用了ASTME2491標(biāo)準(zhǔn)。

在檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方面，ISO13588被歐盟標(biāo)準(zhǔn)(ENISO13588)、英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)(BSENISO13588)、德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)(DINENISO13588)、法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)(NFA89-512)、丹麥標(biāo)準(zhǔn)(DS/ENISO13588)等同采用。美國(guó)材料與實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)ASTM-E2700主要被現(xiàn)行(2015版)的ASMEBoiler and Pressure Vessel Code第V卷NondestructiveExamination采用，與超聲檢測(cè)的三個(gè)強(qiáng)制性附錄MandatoryAppendixIV、V和X，及一個(gè)非強(qiáng)制性附錄NonmandatoryAppendixP一起使用。國(guó)內(nèi)目前已頒布實(shí)施的相控陣超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)主要有石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T6755和航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QJ20045。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)性較強(qiáng)，與歐盟及ISO標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)相比，缺乏通用性的相控陣超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

表1　國(guó)內(nèi)外主要的相控陣超聲工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

表2　相控陣超聲代表性的標(biāo)準(zhǔn)及體系

3　國(guó)內(nèi)外相控陣超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)比較分析

3.1適用范圍

各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)相控陣超聲檢測(cè)的適用材料規(guī)定見表3，目前相控陣超聲標(biāo)準(zhǔn)所列主要適用的材料為碳鋼和鋁。ISO13588和ASTME2700均指出了其他金屬材料的檢測(cè)可參考其標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。另外在ASMEMandatoryAppendixX中規(guī)定了相控陣超聲檢測(cè)高密度聚乙烯管道熔化焊對(duì)接接頭的方法。在工程實(shí)際中，相控陣超聲在復(fù)合材料、玻璃纖維和混凝土等材料的無損檢測(cè)方面也有眾多應(yīng)用，目前的標(biāo)準(zhǔn)中尚未涉及。需要指出的是在標(biāo)準(zhǔn)制定的依據(jù)方面，ISO13588參數(shù)主要依據(jù)縱波波速為(5 920±50)m·s-1，橫波波速為(3 255±30)m·s-1的鋼材制定，檢測(cè)其他波速的材料時(shí)需考慮波速的差異。ASTME2700是基于鐵基、鋁材上的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)制定的。

表3　各標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于相控陣超聲檢測(cè)適用材料的規(guī)定比較

各標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于檢測(cè)的結(jié)構(gòu)對(duì)象主要為焊縫。表4中列出了各標(biāo)準(zhǔn)的適用焊接類型。而對(duì)于相控陣超聲檢測(cè)板和管原材料、鑄件、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件(如齒輪和螺柱等)的相控陣超聲檢測(cè),現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)尚未涉及。

各標(biāo)準(zhǔn)適用焊縫結(jié)構(gòu)尺寸的規(guī)定見表5。ISO13588適用的材料厚度下限為6mm，沒有規(guī)定上限值。而ASTME2700規(guī)定了適用材料厚度范圍為9～200mm，但補(bǔ)充指出了對(duì)于超出此范圍的尺寸，如果能在模擬試塊上證明其檢測(cè)有效性，亦可采用。

表4　各標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于相控陣超聲檢測(cè)適用焊接類型的規(guī)定比較

表5　各標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于相控陣超聲檢測(cè)適用結(jié)構(gòu)尺寸的規(guī)定比較

3.2檢測(cè)人員要求ISO13588、ASTME2700及ASMEMandatoryAppendixII中均對(duì)檢測(cè)人員應(yīng)具備的證書資格、相關(guān)知識(shí)操作的培訓(xùn)與考核作了相應(yīng)規(guī)定。從事相控陣超聲檢測(cè)的人員資質(zhì)基本采用基礎(chǔ)資質(zhì)+相控陣超聲檢測(cè)資質(zhì)的模式。

ISO13588規(guī)定從事檢測(cè)人員需按照EN473，ISO9712或其他等同文件取得相應(yīng)級(jí)別的資質(zhì)。同時(shí)，還應(yīng)通過相控陣超聲技術(shù)的培訓(xùn)和考核，考核結(jié)果應(yīng)列在人員資質(zhì)授權(quán)報(bào)告中。

ASTME2700規(guī)定從事檢測(cè)的人員需按照ANSI/ASNTCP-189,SNT-TC-1A,ISO9712,NAS-410或雇主/機(jī)構(gòu)認(rèn)可的類似文件，取得相應(yīng)的資質(zhì)。同時(shí)，還應(yīng)通過培訓(xùn)了解掌握相控陣超聲技術(shù)，對(duì)ASTME2700的掌握應(yīng)列在人員資質(zhì)授權(quán)報(bào)告中。此外ASTME2700中還對(duì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的資質(zhì)進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定：如果合同中對(duì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)資質(zhì)有要求，檢測(cè)機(jī)構(gòu)需依據(jù)ASTME543取得相應(yīng)的資質(zhì)。

ASMEMandatoryAppendixIISupplemental Personnel Qualification Requirements For NDE Certification中更加明確地規(guī)定了PAUT資質(zhì)申請(qǐng)人員需具有ASNT超聲II級(jí)，并經(jīng)過80h的相控陣超聲檢測(cè)知識(shí)學(xué)習(xí)。另外,從事自動(dòng)化或半自動(dòng)化相控陣超聲檢測(cè)的人員還需接受相應(yīng)的硬件和軟件培訓(xùn)。

3.3設(shè)備要求

相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備與器材主要有儀器、探頭和掃查裝置三部分。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)備與器材的要求,主要從儀器、探頭及系統(tǒng)組合性能三個(gè)方面進(jìn)行規(guī)定。目前,國(guó)內(nèi)外相關(guān)的相控陣超聲儀器、探頭及其組合性能參數(shù)要求及測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)見表1。

ISO13588在標(biāo)準(zhǔn)中僅對(duì)設(shè)備與器材的要求進(jìn)行了簡(jiǎn)要陳述，對(duì)相控陣超聲檢測(cè)的設(shè)備與器材的詳細(xì)要求主要在ENISO18563-1、EN16392-2和EN18563-3中進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定，這些標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)儀器、探頭、系統(tǒng)組合性能三方面進(jìn)行了規(guī)定。

ASTME2700中對(duì)相控陣超聲儀器、探頭進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但并未對(duì)儀器與探頭的組合性能要求進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定，只是指出如果需要檢測(cè)時(shí)，需按照ASTME2491所規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)試。

現(xiàn)從儀器、探頭、系統(tǒng)組合性能三方面對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。

3.3.1檢測(cè)儀器要求

ISO13588標(biāo)準(zhǔn)對(duì)相控陣超聲檢測(cè)儀器的性能要求進(jìn)行了規(guī)定,相應(yīng)的檢驗(yàn)方法主要由ENISO18563-1進(jìn)行規(guī)定。ENISO18563-1中詳細(xì)規(guī)定了相控陣超聲儀器的功能、性能要求及相關(guān)測(cè)試方法。其要求也適用于自動(dòng)化相控陣超聲檢測(cè)儀器，但可能需要附加其他額外的要求。儀器頻率范圍為0.5MHz～10MHz。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)制造商需提供的儀器技術(shù)參數(shù)，按通用指標(biāo)、顯示、輸入/輸出、波束、發(fā)射、接收、數(shù)據(jù)采集、閘門、信號(hào)處理9類指標(biāo)列出了88項(xiàng)參數(shù),且對(duì)儀器性能指標(biāo)的測(cè)試要求分為型式試驗(yàn)測(cè)試指標(biāo)和每臺(tái)儀器出廠必測(cè)指標(biāo)兩組。組一(前者)主要完成型號(hào)性能指標(biāo)參數(shù)測(cè)定，選取代表儀器測(cè)量，需由更高級(jí)別的儀器和設(shè)備完成測(cè)試。組二(后者)對(duì)每臺(tái)儀器出廠測(cè)試、使用單位每隔12個(gè)月定期測(cè)試時(shí)需進(jìn)行的性能指標(biāo)參數(shù)測(cè)定作出了規(guī)定。這兩組測(cè)試按外觀、電池、穩(wěn)定性、顯示、波束、發(fā)射、接收、監(jiān)測(cè)門8類指標(biāo)列出了34項(xiàng)參數(shù)，并對(duì)各參數(shù)的測(cè)試方法進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系中，沒有對(duì)儀器設(shè)備要求的專門標(biāo)準(zhǔn)，在ASTME2700中對(duì)相控陣超聲檢測(cè)儀器提出了部分主要功能和性能要求，主要內(nèi)容見表6。

表6　ASTM E 2700關(guān)于相控陣超聲儀器的要求

3.3.2探頭要求

ISO13588標(biāo)準(zhǔn)對(duì)相控陣超聲探頭的性能要求及相應(yīng)的檢驗(yàn)方法主要由EN16392-2進(jìn)行規(guī)定，其主要內(nèi)容如表7所示。其中,對(duì)于傳感器中心頻率、帶寬、脈沖寬度、晶片間相對(duì)靈敏度變化的測(cè)量需對(duì)每一個(gè)陣元晶片進(jìn)行檢驗(yàn)。晶片間串?dāng)_的檢測(cè)要求為：隨機(jī)抽取某一晶片進(jìn)行激勵(lì)，測(cè)量與其相鄰的晶片上的串?dāng)_信號(hào)；當(dāng)晶片個(gè)數(shù)不超過64時(shí)，抽取兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)，當(dāng)晶片個(gè)數(shù)大于64時(shí)，需抽取四個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

標(biāo)準(zhǔn)ISO13588，E2700中盡管對(duì)相控陣超聲探頭作了一些要求(見表8)，但并未明確相控陣超聲探頭需滿足的性能方面的要求。而在ASTM標(biāo)準(zhǔn)中，E2904規(guī)定了相控陣超聲探頭制造中的性能測(cè)試指標(biāo)及檢測(cè)方法，然而此標(biāo)準(zhǔn)并未列入E2700的要求中。E2904與EN16392-2的相關(guān)對(duì)比見表7。

3.3.3儀器與探頭組合性能要求

ISO13588標(biāo)準(zhǔn)對(duì)相控陣超聲探頭的性能要求及相應(yīng)的檢驗(yàn)方法主要由ENISO18563-3規(guī)定。此標(biāo)準(zhǔn)主要適用于線陣探頭進(jìn)行接觸式或液浸式檢測(cè)時(shí)的儀器設(shè)備(如儀器、傳感器和連接線)組合性能測(cè)試，頻率范圍為0.5MHz～10MHz,主要為了驗(yàn)證儀器設(shè)備的操作正確性、測(cè)試聲束特性和系統(tǒng)老化。

表7　相控陣超聲探頭性能與測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求與驗(yàn)收準(zhǔn)則比較

表8　ASTM E 2700對(duì)相控陣超聲探頭的要求

盡管ASTME2700標(biāo)準(zhǔn)中沒有對(duì)儀器與探頭的組合性能進(jìn)行詳細(xì)要求，但對(duì)約定以特定的方法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需按照ASTME2491規(guī)定的方法對(duì)儀器的性能進(jìn)行測(cè)試，以確定能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。ASTME2491中規(guī)定的相控陣超聲性能測(cè)試項(xiàng)目有：聲束輪廓、聲束偏轉(zhuǎn)范圍、陣元有效性、相控聚焦能力、參數(shù)和數(shù)據(jù)顯示的計(jì)算機(jī)控制、楔塊衰減和延遲補(bǔ)償、儀器線性，并對(duì)相應(yīng)的測(cè)試方法進(jìn)行了規(guī)定。

3.4檢測(cè)技術(shù)等級(jí)

為了滿足不同工業(yè)應(yīng)用對(duì)焊縫質(zhì)量級(jí)別控制的要求，一般需要定義檢測(cè)技術(shù)等級(jí)，用于規(guī)定檢測(cè)覆蓋和檢測(cè)方式，以有效檢測(cè)不同質(zhì)量級(jí)別所要求發(fā)現(xiàn)的潛在缺陷。

E2700中沒有明確對(duì)檢測(cè)的技術(shù)等級(jí)進(jìn)行規(guī)定。其對(duì)檢測(cè)覆蓋、檢測(cè)方式的要求在檢測(cè)程序中進(jìn)行了原則性描述，即:① 掃查程序由掃查計(jì)劃建立，探頭位置與路徑需保證聲場(chǎng)對(duì)焊縫及鄰近區(qū)域(如熱影響區(qū))的覆蓋，可能的情況下焊縫兩側(cè)均應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)。② 如果發(fā)現(xiàn)橫向裂紋，探頭需平行于焊縫進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于常見典型對(duì)接、T型焊縫，ASTME2700標(biāo)準(zhǔn)給出了掃查方式的圖例。

ISO13588中規(guī)定了A、B、C和D四個(gè)檢測(cè)技術(shù)等級(jí)，這些檢測(cè)技術(shù)等級(jí)與ISO5817中規(guī)定的質(zhì)量等級(jí)相對(duì)應(yīng)。檢測(cè)技術(shù)等級(jí)D主要用于對(duì)特殊應(yīng)用的情況進(jìn)行規(guī)定，如檢測(cè)非鐵素體鋼、聲場(chǎng)只能部分穿透焊縫、全自動(dòng)相控陣超聲檢測(cè)、檢測(cè)材料溫度超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍等情況。

3.5檢測(cè)區(qū)域

ISO13588中規(guī)定檢測(cè)區(qū)域取以下兩者中區(qū)域較大者：焊縫及其熱影響區(qū)，或焊縫及其兩側(cè)各10mm區(qū)域(當(dāng)為激光焊或電子焊時(shí)，取5mm)。

ASTME2700中規(guī)定檢測(cè)區(qū)域?yàn)楹缚p及其熱影響區(qū)。

3.6檢測(cè)溫度

ISO13588規(guī)定當(dāng)不使用高溫傳感器和耦合劑時(shí)，檢測(cè)方法適用于表面溫度范圍為0～50 ℃被檢材料。檢測(cè)超出此溫度范圍的材料時(shí)，需驗(yàn)證方法的適用性。

ASTME2700對(duì)檢測(cè)適用的溫度范圍沒有規(guī)定，僅要求在接觸式檢測(cè)時(shí)，參考試塊與被檢材料表面的溫度變化不能超過15 ℃。

3.7試塊

試塊一般分為標(biāo)準(zhǔn)試塊、對(duì)比試塊和模擬試塊。

在ISO13588中主要規(guī)定了對(duì)比試塊，其主要作用有：① 驗(yàn)證所有檢測(cè)設(shè)置(如聲場(chǎng)覆蓋、靈敏度設(shè)置等)的有效性；② 用于檢測(cè)過程中每4個(gè)小時(shí)進(jìn)行檢測(cè)完成后的設(shè)置校驗(yàn)。按照檢測(cè)技術(shù)等級(jí)(A、B、C和D級(jí)檢測(cè))，從試塊的材料、形狀與尺寸、參考反射體三方面規(guī)定了相應(yīng)的對(duì)比試塊，相關(guān)要求如表9所示。

ASTME2700中對(duì)比試塊主要用于距離-幅值曲線校正，關(guān)于對(duì)比試塊的相關(guān)規(guī)定也主要體現(xiàn)在這一部分中。相應(yīng)要求如表9所示。

3.8范圍與靈敏度設(shè)置一般情況下，在檢測(cè)開始前或是檢測(cè)發(fā)生變化時(shí)，都需要首先進(jìn)行檢測(cè)范圍及靈敏度設(shè)置。ISO13588和ASTME2700中的相關(guān)要求比較如表10所示。

表9　各標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于對(duì)比試塊的規(guī)定比較

表10　各標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于范圍與靈敏度設(shè)置規(guī)定的比較

3.9檢測(cè)數(shù)據(jù)分析與解釋

相控陣超聲檢測(cè)和傳統(tǒng)超聲檢測(cè)均是基于超聲的原理和方法，而且信號(hào)分析方法非常類似。但是相控陣超聲有非常豐富的缺陷成像方式，如基本的扇形掃描(S-scan)和電子掃描(E-scan)顯示方式，及配合掃查編碼器產(chǎn)生的B、C、D掃描顯示方式，它們能夠?yàn)槿毕莸亩ㄐ院投糠治鎏峁└嗟闹С帧?/p>

在缺陷定量評(píng)估方面，ISO13588和ASTME2700均要求對(duì)缺陷進(jìn)行定位、對(duì)長(zhǎng)度和高度定量，并給出了缺陷定量評(píng)估的方法，如表11所示。其中缺陷長(zhǎng)度指沿焊縫方向尺寸，缺陷高度指沿被檢材料厚度方向尺寸。ISO13588 中明確提出了進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)分析與解釋的五個(gè)步驟,評(píng)估相控陣超聲數(shù)據(jù)質(zhì)量,確定相關(guān)顯示缺陷的位置和尺寸,定量缺陷評(píng)估。ASTME2700中按手動(dòng)掃查和帶編碼器掃查兩種方式，分別對(duì)缺陷顯示評(píng)估進(jìn)行了一般性的原則規(guī)定。

在缺陷定性評(píng)估方面，ASMEBPVCV第四章NomandatoryAppendixP對(duì)焊縫中常見的幾種缺陷(側(cè)壁未熔合、氣孔、焊趾裂紋、未焊透、夾渣)的相控陣超聲檢測(cè)信號(hào)及圖譜特征進(jìn)行了描述，提供了缺陷定性的基本思路。

表11　各標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于缺陷評(píng)估的相關(guān)規(guī)定比較

3.10驗(yàn)收準(zhǔn)則

針對(duì)焊縫加工制造過程中的驗(yàn)收準(zhǔn)則，ASME和ISO標(biāo)準(zhǔn)體系中相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)如表12所示。

ASTME2700規(guī)定按業(yè)主和檢測(cè)方合同約定的驗(yàn)收準(zhǔn)則對(duì)相關(guān)顯示進(jìn)行評(píng)定。ASME在第四章強(qiáng)制性附錄七和八中分別提出了采用自動(dòng)和半自動(dòng)超聲檢測(cè)時(shí)的兩種驗(yàn)收準(zhǔn)則依據(jù)：制造質(zhì)量和斷裂力學(xué)?；谥圃熨|(zhì)量的驗(yàn)收準(zhǔn)則主要依據(jù)焊縫中缺陷種類的性質(zhì)(如裂紋、未融合、未焊透、夾渣等)和尺寸(如長(zhǎng)度)對(duì)焊縫進(jìn)行驗(yàn)收，適用于在制檢測(cè)?；跀嗔蚜W(xué)的驗(yàn)收準(zhǔn)則,主要依據(jù)焊縫中缺陷的種類(如表面缺陷、亞表面缺陷等)和尺寸(如長(zhǎng)度、穿壁高度等)對(duì)焊縫驗(yàn)收，適用于在役檢測(cè)。ASME中關(guān)于這兩種驗(yàn)收準(zhǔn)則在文獻(xiàn)[1]中已有詳細(xì)分析，此處不再贅述。

ISO13588規(guī)定需按特定的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量分級(jí)，相關(guān)顯示按合格和不合格評(píng)定。ISO標(biāo)準(zhǔn)體系中的驗(yàn)收準(zhǔn)則是通過一系列標(biāo)準(zhǔn)來確立的，如圖1所示。其主要思想是焊接質(zhì)量等依據(jù)缺陷實(shí)際尺寸劃分，缺陷尺寸的測(cè)量需通過一種或幾種無損檢測(cè)方法確定，焊接質(zhì)量等級(jí)與不同無損檢測(cè)方法驗(yàn)收準(zhǔn)則的對(duì)應(yīng)關(guān)系由ISO17635規(guī)定。對(duì)于某一種無損檢測(cè)方法，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合又分為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、缺陷判定標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。由于ISO相控陣檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)屬于新開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，尚未列入圖1所示的超聲檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)體系中，但I(xiàn)SO13588中提到的按特定的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量分級(jí)，主要也是依據(jù)此體系。

表12　ASME和ISO標(biāo)準(zhǔn)體系中驗(yàn)收準(zhǔn)則相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

圖1　ISO標(biāo)準(zhǔn)體系中焊接質(zhì)量控制及無損檢測(cè)驗(yàn)收準(zhǔn)則的確立

3.11報(bào)告

關(guān)于報(bào)告中必須體現(xiàn)的相關(guān)內(nèi)容要求，ISO13588按“參考標(biāo)準(zhǔn)、焊縫、設(shè)備器材、檢測(cè)技術(shù)、相控陣設(shè)置和檢測(cè)結(jié)果”六類內(nèi)容逐條進(jìn)行了要求。ASTME2700中未對(duì)報(bào)告內(nèi)容進(jìn)行分類，但所要求內(nèi)容也覆蓋到了這六類。其對(duì)比如表13所示，ISO13588中對(duì)各條內(nèi)容規(guī)定仔細(xì)，而ASTME2700中有許多項(xiàng)未做相應(yīng)要求(見“-”項(xiàng))。另外ASTME2700中提出了對(duì)“編碼器、激勵(lì)模態(tài)和方式”的要求，這些在ISO13588中未做明確要求。

表13　各標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于報(bào)告要求內(nèi)容的比較

表13(續(xù))

4　總結(jié)與展望

(1) 在標(biāo)準(zhǔn)體系方面，相控陣超聲標(biāo)準(zhǔn)體系主要包括：術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，其中設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)還可分為儀器、傳感器和系統(tǒng)組合性能三部分。EN、ISO標(biāo)準(zhǔn)體系較為完備。

目前國(guó)內(nèi)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)狀況是：① 沒有專門的術(shù)語標(biāo)準(zhǔn);② 設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)中，針對(duì)儀器和探頭各有一個(gè)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，沒有對(duì)儀器和探頭制造要求、性能要求及測(cè)試方法進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)組合性能標(biāo)準(zhǔn)主要翻譯采用了ASTME2491標(biāo)準(zhǔn);③ 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)主要有石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)性較強(qiáng)，與歐盟及ISO標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)相比，缺乏通用性。因此國(guó)內(nèi)的相控陣超聲標(biāo)準(zhǔn)體系尚待完善。

(2) 在適用材料方面，目前相控陣超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)主要適用于碳鋼和鋁等金屬材料，以及高密度聚乙烯材料。而工程實(shí)際中，相控陣超聲在復(fù)合材料、玻璃纖維和混凝土等材料無損檢測(cè)方面已有眾多應(yīng)用，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中尚未涉及。

(3) 在結(jié)構(gòu)對(duì)象方面，國(guó)內(nèi)外相控陣超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)焊縫檢測(cè)，對(duì)于原材料(如板材、管材、鍛件等)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件(如螺栓、齒輪、軸等)的檢測(cè)方法未做明確規(guī)定。鑒于相控陣超聲豐富的成像功能及對(duì)缺陷定性定量檢測(cè)的能力，其在原材料的缺陷自動(dòng)化檢測(cè)，關(guān)鍵復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的高精度缺陷檢測(cè)中，具有極其重要的應(yīng)用，未來對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)需求很大。

(4) 在缺陷評(píng)估方面，目前的標(biāo)準(zhǔn)中，ENISO標(biāo)準(zhǔn)體系中并未給出詳細(xì)的缺陷定性判定的方法，ASTM的非強(qiáng)制性附錄中給出了焊縫常見典型缺陷的相控陣超聲檢測(cè)信號(hào)和圖譜特征。然而相控陣超聲檢測(cè)是一種仍在快速發(fā)展的技術(shù)，特別是隨著電子、信號(hào)處理、高精度加工技術(shù)的發(fā)展，儀器通道數(shù)不斷增加、延遲精度越來越高，眾多先進(jìn)的成像與缺陷重構(gòu)理論(如全矩陣聚焦成像、拓?fù)涑上竦?不斷涌現(xiàn)，這些都在不斷提高著相控陣超聲技術(shù)在缺陷定性定量評(píng)估方面的能力，標(biāo)準(zhǔn)中需要體現(xiàn)更多缺陷評(píng)估方面的內(nèi)容。

(5) 在質(zhì)量分級(jí)方面,國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，特別是體系較完備、應(yīng)用較廣泛的NB/T47013《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)體系中，一般在標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)質(zhì)量分級(jí)有明確的規(guī)定，如超聲檢測(cè)和衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)。但對(duì)于缺陷質(zhì)量的分級(jí),各檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)相互間是獨(dú)立規(guī)定的，而相關(guān)設(shè)備制造規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)無損檢測(cè)方法的規(guī)定，主要是引用相關(guān)方法的質(zhì)量等級(jí)。這就可能存在標(biāo)準(zhǔn)間質(zhì)量分級(jí)不一致的情況，即采用某一種方法檢測(cè)合格的產(chǎn)品，用另一種方法檢測(cè)不合格。鑒于相控陣超聲檢測(cè)較傳統(tǒng)超聲檢測(cè)具有更高的缺陷定性定量能力，在質(zhì)量分級(jí)方面，需要考慮與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量等級(jí)一致的問題。潛在的解決方法主要有兩種，一種是嚴(yán)格依據(jù)現(xiàn)有的無損檢測(cè)方法質(zhì)量分級(jí)，相控陣超聲檢測(cè)質(zhì)量分級(jí)與各主要方法保持一致；另一種是結(jié)合歐美標(biāo)準(zhǔn)中驗(yàn)收準(zhǔn)則的優(yōu)點(diǎn)，在制過程檢測(cè)基于制造質(zhì)量進(jìn)行，在役過程檢測(cè)基于斷裂力學(xué)進(jìn)行，均以實(shí)際缺陷種類和尺寸為依據(jù)，而所有的無損檢測(cè)方法所得的缺陷顯示嚴(yán)格依據(jù)實(shí)際缺陷種類和尺寸進(jìn)行統(tǒng)一，保持各方法驗(yàn)收準(zhǔn)則的一致性。

展望未來，相控陣超聲檢測(cè)具有檢測(cè)方式眾多、成像功能豐富、缺陷定性可靠和定量精度高、適用材料和結(jié)構(gòu)廣泛、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、對(duì)環(huán)境和操作人員無害等眾多優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。同時(shí)隨著電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)仍在迅速發(fā)展，代表了超聲無損檢測(cè)技術(shù)未來發(fā)展的方向，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)與制定需求量很大。

[1]李衍.ASME標(biāo)準(zhǔn)新版中有關(guān)相控陣超聲成像檢測(cè)的要點(diǎn)評(píng)析 第一部分：兩種方法要求[J]. 無損檢測(cè)，2015，37(7)：6-9.

ComparisonandAnalysisofDomesticandForeignPhasedArrayUltrasonicStandards

ZHENGYang,ZHENGHui,PANQiang-hua,YANGQi

(KeyLaboratoryofNondestructiveTestingandEvaluationofAQSIQ,ChinaSpecialEquipmentInspectionandResearchInstitute,Beijing100029,China)

Duetotheadvantagesofintuitivedefectsimage,highreliabilityforflawidentificationandinspectionprecisionfordefectsize,phasedarrayultrasonicnondestructivetestingtechnologyhasbeenwidelyappliedinindustryinrecentyears.Tomeettheincreasingrequirementsofindustryapplication,relatedagencieshaveworkedonthestandarddevelopment.Andsomeofstandardshavebeenimplemented.Thispapermainlycomparedthestandardsystemandcontentsofmaininternationalstandards.Itcanprovidereferencesforthestandarddevelopmentofourcountry.

Phasedarrayultrasonic;Standard;Ultrasonictesting;Nondestructivetesting

2015-12-26

國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014QK252)

鄭陽(yáng)(1984-),男,博士,高級(jí)工程師,研究領(lǐng)域?yàn)闊o損檢測(cè)與評(píng)價(jià)。

鄭陽(yáng),E-mail:zhengyangchina@126.com。

10.11973/wsjc201607015

TU317;TG115.28A

1000-6656(2016)07-0056-10