相控陣超聲檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)簡介

(1.煙臺中集來福士海洋工程有限公司，煙臺264000；2.上海船舶工藝研究所，上海 200032)

近年來,隨著計算機處理能力的提高與晶片加工技術(shù)的成熟，相控陣超聲檢測技術(shù)得到了迅速發(fā)展，在各工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。與此相應(yīng)的，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)開展了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定和完善。

1 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系

目前，國際上相控陣超聲檢測的標(biāo)準(zhǔn)體系有國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)標(biāo)準(zhǔn)、歐盟(EN)標(biāo)準(zhǔn)、美國主流標(biāo)準(zhǔn)等，其中美國標(biāo)準(zhǔn)包括美國機械工程師學(xué)會(ASME)標(biāo)準(zhǔn)和美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)相控陣超聲檢測的標(biāo)準(zhǔn)體系有國家標(biāo)準(zhǔn)(GB)、地方標(biāo)準(zhǔn)(DB)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(NB、JB、QJ、DL、SY、船級社等)和計量技術(shù)規(guī)范(JJF)等。

這些標(biāo)準(zhǔn)包括：術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)、檢測方法標(biāo)準(zhǔn)和驗收標(biāo)準(zhǔn)等。

1.1 術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)

目前只有一個正式出版的專門針對相控陣的術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)EN 16018-2011《無損檢測-術(shù)語-相控陣超聲檢測術(shù)語》。此標(biāo)準(zhǔn)中術(shù)語分為3個部分，總共79個術(shù)語。第一部分與聲波相關(guān)，第二部分與檢測設(shè)備相關(guān)，第三部分與檢測相關(guān)。第二部分細(xì)分為兩部分：陣列，儀器與系統(tǒng)性能。第三部分細(xì)分為三部分：檢測技術(shù)，信號與指示，指示的評估。

ISO有超聲術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)ISO 5577-2017 《無損檢測-超聲檢測-術(shù)語》，但此標(biāo)準(zhǔn)中未包含相控陣術(shù)語。ISO即將推出的相控陣術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)ISO/DIS 23243 《無損檢測-術(shù)語-相控陣超聲檢測用術(shù)語》 目前處于草案稿(DIS)階段。此標(biāo)準(zhǔn)中術(shù)語分為三個部分，總共86個術(shù)語。第一部分與聲相關(guān)，第二部分與檢測設(shè)備相關(guān)，第三部分與檢測相關(guān)。第二部分細(xì)分為兩部分：探頭，儀器。第三部分細(xì)分為三部分：檢測技術(shù),信號與指示,指示的評估。

目前美國標(biāo)準(zhǔn)體系中無單獨的相控陣術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)。ASTM E1316-19a 《無損檢測術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》 第I部分超聲術(shù)語中，列出了“陣列”“角度增益修正”“相控陣探頭”“柵瓣”“線陣探頭”“面陣探頭”“線掃描”“扇掃描”“聚焦法則”等術(shù)語。ASME 《鍋爐與壓力容器規(guī)范 第V卷 無損檢測》 2017版第一章強制性附錄I 《無損檢測術(shù)語匯編》 的超聲部分中，列出了“扇掃描”“線掃描”“電子?xùn)鸥駫呙琛薄熬劢狗▌t”“掃查計劃”等術(shù)語。

國內(nèi)目前沒有單獨的相控陣檢測術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)。GB/T 32563-2016 《無損檢測-超聲檢測-相控陣超聲檢測方法》 中列出了16個與相控陣相關(guān)的術(shù)語。

1.2 設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分為以下幾部分：儀器、探頭、組合性能標(biāo)準(zhǔn)以及校準(zhǔn)規(guī)范。

儀器類標(biāo)準(zhǔn)有ISO 18563-1-2015 《無損檢測-相控陣超聲設(shè)備的特性和驗證-第一部分：儀器》 和JB/T 11779-2014 《無損檢測儀器-相控陣超聲檢測儀技術(shù)條件》。相控陣儀器標(biāo)準(zhǔn)的比較如表1所示。

表1 相控陣儀器標(biāo)準(zhǔn)的比較

相控陣探頭的標(biāo)準(zhǔn)有ISO18563-2-2017 《無損檢測-相控陣超聲設(shè)備的特性和驗證-第二部分：探頭》、ASTM E2904-2017 《相控陣探頭的特性描述和驗證標(biāo)準(zhǔn)指南》 和JB/T 11731-2013 《無損檢測-相控陣超聲探頭通用技術(shù)條件》。表2所示為相控陣探頭標(biāo)準(zhǔn)的比較。

相控陣儀器和探頭組合性能評估的標(biāo)準(zhǔn)有ISO 18563-3-2015 《無損檢測-相控陣超聲設(shè)備的特性和驗證-第三部分：系統(tǒng)性能》、ASTM E2491-13(2018) 《相控陣超聲儀器和系統(tǒng)的性能特性評估標(biāo)準(zhǔn)指南》、GB/T 29302-2012 《無損檢測儀器-相控陣超聲檢測-系統(tǒng)的性能與檢驗》和JJF 1338-2012 《相控陣超聲探傷儀校準(zhǔn)規(guī)范》。GB/T 29302-2012 采用重新起草法修改采用ASTM E2491-06。表3所示為相控陣儀器和探頭組合性能標(biāo)準(zhǔn)的比較。

ISO 19675-2017 《無損檢測-超聲檢測-相控陣(PAUT)校準(zhǔn)試塊規(guī)范》 是相控陣試塊標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了用于相控陣超聲技術(shù)校準(zhǔn)設(shè)備用鋼試塊的尺寸、材料和制造要求以及此相控陣試塊的功能。此校準(zhǔn)試塊根據(jù)相控陣檢測校準(zhǔn)和設(shè)置的特點，在常規(guī)超聲IIW試塊基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。此校準(zhǔn)試塊除了可以實現(xiàn)IIW試塊測量入射點、聲束角度、聲束偏離角、時基線線性、范圍-延遲調(diào)整、衰減器線性、屏高線性、脈沖持續(xù)時間、主頻率測量和信噪比的功能外，還可以測量楔塊延遲、柵瓣評估、激活晶片評估、線掃描的靈敏度設(shè)置、扇掃描的靈敏度設(shè)置和橫孔位置布局檢查等。

表2 相控陣探頭標(biāo)準(zhǔn)比較

表3 相控陣儀器和探頭組合性能標(biāo)準(zhǔn)的比較

1.3 檢測方法標(biāo)準(zhǔn)和驗收標(biāo)準(zhǔn)

隨著相控陣檢測在各行業(yè)的應(yīng)用，相應(yīng)的檢測方法標(biāo)準(zhǔn)和驗收標(biāo)準(zhǔn)也得到了發(fā)展。

ISO相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有ISO 13588-2019 《焊縫無損檢測-超聲檢測-使用自動相控陣技術(shù)》、ISO 20601-2018 《焊縫無損檢測-超聲檢測-使用自動相控陣技術(shù)檢測薄壁鋼部件》和ISO 19285-2017 《焊縫無損檢測-相控陣超聲檢測-驗收等級》。前兩個是檢測方法標(biāo)準(zhǔn)，第三個是驗收標(biāo)準(zhǔn)。我國在2016年頒布的GB/T 32563-2016 《無損檢測-超聲檢測-相控陣超聲檢測方法》也是檢測方法標(biāo)準(zhǔn)。表4給出了ISO 13588-2019、ISO 20601-2018和GB/T 32563-2016的簡單比較,表5給出了ISO相控陣標(biāo)準(zhǔn)中各相關(guān)等級的關(guān)系。

ASME出版的鍋爐與壓力容器規(guī)范中也有相控陣檢測要求的相關(guān)部分。 ASME 《鍋爐與壓力容器規(guī)范 第V卷 無損檢測》 2017版是無損檢測技術(shù)方法卷，其第四章焊縫超聲檢測的強制性附錄Ⅳ給出了使用線性陣列的相控陣手動?xùn)鸥駲z測的技術(shù)要求、強制性附錄Ⅴ給出了線性陣列沿線掃查時使用扇掃描和線掃描技術(shù)的要求、強制性附錄X給出了高密度聚乙烯超聲檢測的要求、非強制性附錄E計算機成像技術(shù)中介紹了相控陣技術(shù)以及非強制性附錄P給出了相控陣成像的解釋。第V卷中沒有給出驗收標(biāo)準(zhǔn)，驗收標(biāo)準(zhǔn)和額外的檢測技術(shù)要求在ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范的相關(guān)產(chǎn)品卷中可以找到。對于壓力容器，當(dāng)板厚大于6 mm的焊縫進(jìn)行100%射線檢測時，可以用相控陣檢測代替射線檢測，相控陣具體的檢測和驗收要求見ASME 《鍋爐與壓力容器規(guī)范 第Ⅷ卷 第二分冊 壓力容器建造替代規(guī)則》 的7.5.5條款。對于動力鍋爐，規(guī)范案例CC2816指出，當(dāng)板厚大于等于6 mm小于13 mm時，可以使用相控陣檢測代替射線檢測。ASME 《鍋爐與壓力容器規(guī)范 第I卷 動力鍋爐》 提出了動力鍋爐制造時，當(dāng)板厚大于等于13 mm時，可以根據(jù)第I卷非強制性附錄E的要求，使用相控陣檢測代替常規(guī)超聲檢測以及根據(jù)規(guī)范案例CC2235的要求，使用相控陣檢測代替射線檢測。非強制性附錄E 、CC2235和CC2816給出了檢測要求和驗收標(biāo)準(zhǔn)。

表4 ISO 13588、ISO 20601和GB/T 32563的比較

表5 ISO相控陣標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)等級

美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)頒布了幾個相控陣檢測方法標(biāo)準(zhǔn)，包括ASTM E 2700-14 《使用接觸式相控陣超聲檢測焊縫的標(biāo)準(zhǔn)指南》、ASTM E3044-16 《聚乙烯熱熔焊對接接頭的超聲波檢測標(biāo)準(zhǔn)指南》 和ASTM E3170-18 《聚乙烯電熔焊對接接頭的相控陣超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)指南》。其中ASTM E3044-16 《聚乙烯熱熔焊對接接頭的超聲波檢測標(biāo)準(zhǔn)指南》 規(guī)定了兩種超聲波檢測技術(shù)：衍射時差技術(shù)(TOFD)和相控陣超聲檢測技術(shù)。每種技術(shù)都有其自身的優(yōu)點和檢測要求，需要按照合同文件中的約定選擇檢測技術(shù)。表6給出了這幾個標(biāo)準(zhǔn)的簡單比較。

表6 ASTM相控陣檢測方法標(biāo)準(zhǔn)比較

GB/T 29461-2012 《聚乙烯管道電熔接頭超聲檢測》 規(guī)定了公稱直徑為40～400 mm的聚乙烯管道超聲檢驗要求和驗收標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)雖然沒有強制要求相控陣檢測，但是要求設(shè)備具有B掃描實時成像功能，選擇探頭時優(yōu)先選用相控陣聚焦探頭。

我國各地也相繼頒布了一些地方相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，包括DB 12/T 760-2018 《鋼制承壓設(shè)備焊接接頭相控陣超聲檢測》、DB 31/T 1058-2017 《燃?xì)庥镁垡蚁?PE)管道焊接接頭相控陣超聲檢測》、DB 37/T 3142-2018 《小徑管焊接接頭相控陣超聲檢測技術(shù)規(guī)程》和DB 37/T 3143-2018 《小徑管管座角接焊接接頭相控陣超聲檢測技術(shù)規(guī)程》。這幾個地方標(biāo)準(zhǔn)的簡單比較如表7所示。

能源部標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013第15部分 《相控陣超聲檢測》 目前還處于征求意見稿階段，規(guī)定了承壓設(shè)備采用相控陣超聲檢測的方法和質(zhì)量分級要求。此標(biāo)準(zhǔn)適用于金屬材料制承壓設(shè)備用原材料或零部件和焊接接頭的相控陣超聲檢測，以及金屬材料在用承壓設(shè)備的相控陣超聲檢測。對于板材和聚乙烯管道的電熔接頭，可參照附錄進(jìn)行相控陣超聲檢測。

JB/T 13466-2018 《無損檢測-接頭熔深相控陣超聲測定方法》 規(guī)定了采用一維線性陣列相控陣超聲檢測技術(shù)來測定部分熔透接頭的熔深方法，適用于碳鋼母材厚度范圍為6～60 mm的熔化焊對接、角接和T型接頭的部分熔透焊縫。檢測的關(guān)鍵是參考試塊的制作，標(biāo)準(zhǔn)要求在接頭熔深參考試塊或相似的帶有部分熔透的參考試塊上進(jìn)行工藝驗證。參考試塊與被檢工件在材料、形狀、主要幾何尺寸、焊接坡口形式和焊接工藝等方面應(yīng)相同或相近，應(yīng)在需要驗證的位置設(shè)置接頭熔深，接頭熔深的高度應(yīng)符合設(shè)計規(guī)范或合同要求。

表7 相控陣檢測地方標(biāo)準(zhǔn)比較

在國內(nèi)眾多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中也有相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)，包括QJ 20045-2011 《鋁合金攪拌摩擦焊相控陣超聲檢測方法》、DL/T 1718-2017 《火力發(fā)電廠焊接接頭相控陣超聲檢測技術(shù)規(guī)程》 以及SY/T 6755-2016 《在役油氣管道對接接頭相控陣超聲及多探頭檢測》。其中SY/T 6755包括兩種超聲檢測技術(shù)，分別為相控陣超聲檢測和全自動超聲檢測技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)要求，對于管壁厚度范圍為3.5～50 mm 的油氣管道環(huán)向?qū)咏宇^、角向?qū)咏宇^及制管對接接頭的檢測，宜采用相控陣超聲扇形掃描進(jìn)行檢測。對于管壁厚度范圍為6～50 mm 的油氣長輸管道環(huán)向等壁厚的對接接頭,宜采用自動超聲波檢測系統(tǒng)進(jìn)行檢測。這幾個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的簡單比較如表8所示。

表8 相控陣檢測行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)比較

中國船級社這幾年也在積極推行相控陣和TOFD技術(shù)。目前出版了GD16-2018 《船用厚板焊接接頭衍射時差技術(shù)(TOFD)及相控陣超聲(PAUT)聯(lián)合檢測技術(shù)指南》 和GD15-2018 《衍射時差法(TOFD)和相控陣超聲檢測(PAUT)技術(shù)應(yīng)用指南》。GD16-2018規(guī)定了使用衍射時差技術(shù)(TOFD)及相控陣超聲(PAUT)聯(lián)合檢測方法對船舶結(jié)構(gòu)/構(gòu)件厚板對接接頭進(jìn)行檢測的方法及要求。使用時應(yīng)注意相控陣檢測要求與TOFD檢測要求的區(qū)分。表9給出了船級社指南中相控陣技術(shù)要求的簡單比較。

表9 船級社指南中相控陣檢測要求比較

2 結(jié)語

相控陣檢測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，需要各類標(biāo)準(zhǔn)的支持。相比而言，ISO標(biāo)準(zhǔn)體系較為完整,國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)體系相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還有待開發(fā)和完善。目前,相控陣檢測和驗收標(biāo)準(zhǔn)大多針對焊縫，而很多原材料和復(fù)雜構(gòu)件也利用相控陣的檢測靈活性、成像功能和精確定量功能進(jìn)行檢測，這類標(biāo)準(zhǔn)還較欠缺，需要開發(fā)。