ASME标准新版中有关相控阵超声成像检测的要点评析第一部分:两种方法要求(续)
３ 人员要求
获取和分析 UT 数 据、进 行 结 果 评 定 的 UTＧII
级或 UTＧIII级人员,应 能 使 用 上 述 带 计 算 机 功 能 的
仪器设备,并经过相应实践培训、参与相应操作演示
评定.换言之,即使 有 常 规 UT 资 格 和 实 际 经 验 的
UTＧII 级 和 UTＧIII 级 人 员,还 应 接 受 有 关 超 声
TOFD 和相控阵理论 基 础 和 实 际 检 测 的 附 加 培 训,
并经考试合格.基于断裂力学或工程临界评定的重
要性和细致性,大型 企 业 一 般 专 门 设 置 断 裂 力 学 工
程师或工程临界评定工程师负责最终评断.
４ 缺陷定量表征
ASME 规 范 (２０１３)第 V 卷 «无 损 检 测»第 四 章
MAＧIX规定了缺陷定量表征[４]工艺评定要求.
当规定要按基于断裂力学的验收标准对缺陷进
行定量和表征分类 时,应 按 该 强 制 性 附 录 要 求 评 定
UT 工艺.所谓定量,是指对缺陷测长和测 高(壁 厚
方向的高度);所谓 表 征 分 类,是 指 确 定 缺 陷 是 表 面
缺陷还是内部缺陷.
该附 录 所 定 方 法 适 用 于 ASME 有 关 卷 提 出 对
新结构进 行 控 制 时 的 要 求. 当 用 户 要 为 其 他 用 途
(如竣工检测)指定 按 本 附 录 规 定 时,应 考 虑 在 焊 接评定试板中至少设置 ３ 个 缺 陷,这 些 缺 陷 要 求 是 特
制的在用缺陷(如疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹等),或者
也可指定按 ASME 第 十 四 章 提 出 的 所 谓 高 精 度 型
评定(即缺陷检出率应高于规定比值,误判率应低于
规定比值).
４．１ 验证试块
(１)一 般 要 求:制 作 验 证 试 块 (Demonstration
Block)用的材料(包括同种金属和异种金属)、质量、
堆焊层、热 处 理、表 面 粗 糙 度、试 块 曲 率 (包 括
D ＞
５００ mm 和
D ≤５００ mm)等 要 求,与 一 般 UT 基 本
校验试块相同.
(２)制作方法:验证试块应使用焊接方法制作,
也可用热静压加工(HIP),只要声特性相似.
(３)试块厚 度:验 证 试 块 的 厚 度 应 为 被 检 厚 度
的２５％以内.焊缝由不同厚度 的 材 料 对 接 而 成 时,
试块厚度应按较薄厚度取值２５％以内.
(４)焊接结构:验证试块的焊接接头结构(如坡
口型式、坡口角度、钝边高度、根部间隙等)应能代表
产品接头的焊接情况的细节.
(５)缺陷位 置:验 证 试 块 应 至 少 设 置 三 个 实 际
平面状缺陷,也可设置三个电火花加工的线槽,线槽
方向模拟 平 行 于 产 品 焊 缝 轴 线 和 主 要 坡 口 面 的 缺
陷.试块缺陷应位 于 或 靠 近 试 块 坡 口 面,缺 陷 布 位
要求:一个表面缺陷位于代表工件外表面的试块表
面;一个表 面 缺 陷 位 于 代 表 工 件 内 表 面 的 试 块 表
面;一个内部缺陷.
图７为相控阵 UT 验证试块的应用示例.焊缝厚度分若干层区进 行 检 测 时,要 求 每 一 层 区 至 少 设
置一个缺陷.
(６)缺陷尺寸:验证试块的缺陷尺寸应根据验证
试块厚度确定,并不得大于 ASME有关卷的规定值.
① 被检材料壁厚
t＜２５ mm 时,试 块 缺 陷 尺 寸
应为允许的最大缺陷高度.
② 被检材料壁厚
t≥２５ mm 时,试 块 缺 陷 尺 寸
应取高长比
a/
l＝０．２５作为允许的缺陷尺寸(
l 为缺
陷长度;
a 为表面缺陷的高,内部缺陷的半高).
(７)用设置 单 面 缺 陷 替 代 双 面 设 置 缺 陷:若 评
定扫查过程中,对验 证 试 块 从 两 个 主 要 探 测 面 均 可
进行扫 查 (例 如,
D ＞５００ mm 的 工 件,内 外 表 面 细
节相似,无堆焊层或 焊 缝 包 覆 层 等),则 可 仅 设 置 单
面缺陷(即实际双 面 探 测;因 试 块 探 测 面 １８０°翻 转,
原近侧缺陷可作为远侧缺陷测评).
(８)单侧探 伤 要 设 置 两 组 缺 陷:若 因 有 障 碍 物
妨碍,焊缝只能从焊缝轴线的一侧进行探测,则验证
试块应含有两组缺 陷,焊 缝 轴 线 两 侧 各 设 置 一 组 缺
陷(即单侧探伤时,要验证焊缝近侧和远侧缺陷的可
探性).若评定扫查过程中,对验证试块从焊缝轴线
两侧均可进行扫查(即焊接接头细节相似,无障碍物
妨碍),则仅需设置一组缺陷即可.
型有:
① 校验试块 (CalibrationBlock,一般手工 UT
用),分 为:基 本 校 验 试 块 BasicCalibration Block
(包 括 非 管 型 校 验 试 块 (NonＧPiping Calibration
Block)与 管 型 校 验 试 块 (Piping Calibration
Block));代 用 校 验 试 块 (Alternate Calibration
Block). ② 对 比 试 块 (Reference Block,TOFD
用),分 为 双 层 探 对 比 试 块 (Two Zone Reference
Block)和多层探对比试块(MultipleZoneReference
Block).③ 扫 查 器 试 块 (ScannerBlock,自 动 和 半
自 动 UT 用 ). ④ 测 定 试 块 (Determination
Block).⑤ 验证试块(DemonstrationBlock).
４．２ 评定数据
对验 证 试 块 应 进 行 扫 查,并 按 要 评 定 的 检 测 规程,储存评定数据.这些评定资料以及观测图像显示
必需使用的软件拷贝,应一起提交给检验员和用户.
４．３ 验收评判
(１)缺陷 定 量 和 分 类:缺 陷 应 根 据 要 评 定 的 工
艺规程进行定量和分类.
(２)自动和半自动扫查缺陷定量分类验证合格
标准:验证合格是指 能 将 验 证 试 块 中 的 所 有 缺 陷 检
出,并且符合下 列 三 个 条 件:① 所 记 录 的 信 号 显 示
或成像长度超 过 规 程 规 定 的 评 判 标 准. ② 缺 陷 尺
寸测量 值 等 于 或 大 于 实 际 尺 寸 (即 长 度 和 高 度 两
者).③ 缺陷分 类 正 确 (即 能 判 明 是 表 面 缺 陷 或 内
部缺陷).
(３)补充的 手 动 检 测 法 验 证 合 格 标 准:验 证 试
块中的缺陷,可用规程中概述的、作为补充检测手段
的手动检测法进行 定 量 分 类,只 要 自 动 或 半 自 动 扫
查所记录的缺陷信号显示满足上述(２)①中的要求,
或者是用于横向缺陷的检测验证.所谓手动验证合
格,是指验证试块中 的 缺 陷 检 测 验 证 结 果 满 足 下 列
两条件:① 缺 陷 尺 寸 测 量 值 等 于 或 大 于 实 际 尺 寸
(即长度和高度两者).② 缺陷分类正确(即能判明
是表面缺陷或内部缺陷).
５ 结论
(１)无论是基于制造产品质量验收条件的 UT,
或是基于断裂力学验收条件的 UT,均须用计算机成
像(CI即 TOFD 或 PAUT)设备作自动或半自动 UT.
手工 UT 仅作辅助检测(横裂检测和补充检测).
(２)按 产 品 制 造 质 量 验 收 标 准 的 UT,是 指 根
据缺陷定性表征(判 定 缺 陷 是 否 为 裂 纹、未 熔 合、未
焊透、夹渣、气孔等)和缺陷定量(即测长)结果,对焊
缝进行检测评定;按断裂 力 学 验 收 标 准 的 UT,是指
根据缺陷定型(即表面或内部)和定量(即长度和自身
高度)结果,对缺陷进行分类和验收的检测,缺陷评定
时应先定型(表面或内部),再划框评定(矩形评定).
(３)与两种验收标准相应的两种方法的 UT 工
艺规程,除须满足 ASME 第V卷第４章通用 UT 的
２１项通用参数要求外,还须分别满足 相 应 的 特 定 要
求７项(见表２)和６项(见表４).
(４)两种方法 都 要 求 预 先 作 出 扫 查 布 图 (Scan
plan),包 括 被 检 焊 缝 坡 口 形 状、尺 寸,探 头 布 置,声
线示踪,覆盖范围 等 内 容. 这 是 UT 规 程 和 UT 报
告的重要内容.该空速管进行检测,不 可 能 实 现 对 整 圈 加 热 丝 一 周
焊接状况的检测,因 为 每 一 次 透 照 只 能 检 测 每 圈 加
热丝与射线束相切部位的这极少的部分.
３ X 射线实时成像检测
X 射 线 实 时 成 像 系 统 由 X 射 线 管、探 测 器 阵
列、机械扫描系统、数 据 采 集 处 理 单 元、计 算 机 图 像
处理存储传输系统、图像显示系统、机械运动系统组
成.射线穿过被检物体后携带了物体内部的组成信
息,在经过一个准直 器 后 进 入 由 核 探 测 器 及 电 子 学
系统组成的转换装 置 中,转 换 装 置 输 出 的 信 号 大 小
和射入其中的射线强度有关.随后数据采集系统将
采集到的信号进行 AD 转换和一定的预处理并输入
计算机进行存储 和 后 处 理. 经 计 算 机 处 理 后,在 显
示器屏幕上显示出材 料 内 部 的 缺 陷 性 质、大 小、位
置等信息,按照有关标准对检测结果进行缺陷等级
评定,从而达到检测的目的[２].
针对空速管这 种 产 品 的 检 测,X 射 线 实 时 成 像
系统的功能优势主要在于其具有机械运动系统.在
检测过程中,该机械 运 动 系 统 可 以 方 便 地 改 变 工 件
的相对位置,这样就可从任何方向、任何角度进行检
测.虽然透照方法与 X 射 线 照 相 基 本 相 同,有 纵 缝
外透、内透法,环缝 外 透、内 透 法,双 壁 单 影、双 壁 双
影法,从理论上也只 能 确 定 与 管 壁 内 加 热 器 相 切 位
置的焊接情况;但 是 采 用 X 射 线 实 时 成 像 系 统,利
用其机械运动系统,就 可 以 通 过 转 动 空 速 管 实 现 对
其加热器整圈与管壁焊接情况的全部检测.X 射线实时成像检测法得到的数字图像是动态
可调的,电压、电流 等 参 数 也 实 时 可 调,同 时 计 算 机
可对动态图像进行积分降噪、对比度增强等处理,以
得到最佳的静态图像.X 射线实时成像系统还具有
多幅图像叠加功能,减少了 X 射 线 漫 反 射 等 干 扰 因
素对成像的影响,提 高 了 系 统 发 现 缺 陷 的 能 力. 已
经有应用研究表 明,X 射 线 实 时 成 像 方 法 的 灵 敏 度
达到了照相法的水 平,在 有 些 零 件 的 检 测 上 比 传 统
照相法有更高的检出率和灵敏度[３].
利用 X 射线照相检测 法 检 测 单 件 空 速 管,所 用
时间在２．５h 左 右;利 用 实 时 成 像 方 法 检 测 单 件 空
速管,所用时间在１０ min左 右,时 间 缩 短 了 ９０％ 以
上.另外,实时 成 像 方 法 在 经 济 效 益、远 程 传 送 及
方便实用等方面都比照相法效果好得多[２].
４ 结论
通过对多种无损检测方法主要优缺点的简单分
析后,得出 X 射线实时成像 方 法 是 检 测 空 速 管 焊 接
质量的最直观、有 效 的 方 法 的 结 论. 该 方 法 不 仅 可
以实现每圈加热丝 一 周 焊 接 状 况 的 有 效 检 测,还 将
使检测时间缩短９０％以上.
获取和分析 UT 数 据、进 行 结 果 评 定 的 UTＧII
级或 UTＧIII级人员,应 能 使 用 上 述 带 计 算 机 功 能 的
仪器设备,并经过相应实践培训、参与相应操作演示
评定.换言之,即使 有 常 规 UT 资 格 和 实 际 经 验 的
UTＧII 级 和 UTＧIII 级 人 员,还 应 接 受 有 关 超 声
TOFD 和相控阵理论 基 础 和 实 际 检 测 的 附 加 培 训,
并经考试合格.基于断裂力学或工程临界评定的重
要性和细致性,大型 企 业 一 般 专 门 设 置 断 裂 力 学 工
程师或工程临界评定工程师负责最终评断.
４ 缺陷定量表征
ASME 规 范 (２０１３)第 V 卷 «无 损 检 测»第 四 章
MAＧIX规定了缺陷定量表征[４]工艺评定要求.
当规定要按基于断裂力学的验收标准对缺陷进
行定量和表征分类 时,应 按 该 强 制 性 附 录 要 求 评 定
UT 工艺.所谓定量,是指对缺陷测长和测 高(壁 厚
方向的高度);所谓 表 征 分 类,是 指 确 定 缺 陷 是 表 面
缺陷还是内部缺陷.
该附 录 所 定 方 法 适 用 于 ASME 有 关 卷 提 出 对
新结构进 行 控 制 时 的 要 求. 当 用 户 要 为 其 他 用 途
(如竣工检测)指定 按 本 附 录 规 定 时,应 考 虑 在 焊 接评定试板中至少设置 ３ 个 缺 陷,这 些 缺 陷 要 求 是 特
制的在用缺陷(如疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹等),或者
也可指定按 ASME 第 十 四 章 提 出 的 所 谓 高 精 度 型
评定(即缺陷检出率应高于规定比值,误判率应低于
规定比值).
４．１ 验证试块
(１)一 般 要 求:制 作 验 证 试 块 (Demonstration
Block)用的材料(包括同种金属和异种金属)、质量、
堆焊层、热 处 理、表 面 粗 糙 度、试 块 曲 率 (包 括
D ＞
５００ mm 和
D ≤５００ mm)等 要 求,与 一 般 UT 基 本
校验试块相同.
(２)制作方法:验证试块应使用焊接方法制作,
也可用热静压加工(HIP),只要声特性相似.
(３)试块厚 度:验 证 试 块 的 厚 度 应 为 被 检 厚 度
的２５％以内.焊缝由不同厚度 的 材 料 对 接 而 成 时,
试块厚度应按较薄厚度取值２５％以内.
(４)焊接结构:验证试块的焊接接头结构(如坡
口型式、坡口角度、钝边高度、根部间隙等)应能代表
产品接头的焊接情况的细节.
(５)缺陷位 置:验 证 试 块 应 至 少 设 置 三 个 实 际
平面状缺陷,也可设置三个电火花加工的线槽,线槽
方向模拟 平 行 于 产 品 焊 缝 轴 线 和 主 要 坡 口 面 的 缺
陷.试块缺陷应位 于 或 靠 近 试 块 坡 口 面,缺 陷 布 位
要求:一个表面缺陷位于代表工件外表面的试块表
面;一个表 面 缺 陷 位 于 代 表 工 件 内 表 面 的 试 块 表
面;一个内部缺陷.
图７为相控阵 UT 验证试块的应用示例.焊缝厚度分若干层区进 行 检 测 时,要 求 每 一 层 区 至 少 设
置一个缺陷.
(６)缺陷尺寸:验证试块的缺陷尺寸应根据验证
试块厚度确定,并不得大于 ASME有关卷的规定值.
① 被检材料壁厚
t＜２５ mm 时,试 块 缺 陷 尺 寸
应为允许的最大缺陷高度.
② 被检材料壁厚
t≥２５ mm 时,试 块 缺 陷 尺 寸
应取高长比
a/
l＝０．２５作为允许的缺陷尺寸(
l 为缺
陷长度;
a 为表面缺陷的高,内部缺陷的半高).
(７)用设置 单 面 缺 陷 替 代 双 面 设 置 缺 陷:若 评
定扫查过程中,对验 证 试 块 从 两 个 主 要 探 测 面 均 可
进行扫 查 (例 如,
D ＞５００ mm 的 工 件,内 外 表 面 细
节相似,无堆焊层或 焊 缝 包 覆 层 等),则 可 仅 设 置 单
面缺陷(即实际双 面 探 测;因 试 块 探 测 面 １８０°翻 转,
原近侧缺陷可作为远侧缺陷测评).
(８)单侧探 伤 要 设 置 两 组 缺 陷:若 因 有 障 碍 物
妨碍,焊缝只能从焊缝轴线的一侧进行探测,则验证
试块应含有两组缺 陷,焊 缝 轴 线 两 侧 各 设 置 一 组 缺
陷(即单侧探伤时,要验证焊缝近侧和远侧缺陷的可
探性).若评定扫查过程中,对验证试块从焊缝轴线
两侧均可进行扫查(即焊接接头细节相似,无障碍物
妨碍),则仅需设置一组缺陷即可.
型有:
① 校验试块 (CalibrationBlock,一般手工 UT
用),分 为:基 本 校 验 试 块 BasicCalibration Block
(包 括 非 管 型 校 验 试 块 (NonＧPiping Calibration
Block)与 管 型 校 验 试 块 (Piping Calibration
Block));代 用 校 验 试 块 (Alternate Calibration
Block). ② 对 比 试 块 (Reference Block,TOFD
用),分 为 双 层 探 对 比 试 块 (Two Zone Reference
Block)和多层探对比试块(MultipleZoneReference
Block).③ 扫 查 器 试 块 (ScannerBlock,自 动 和 半
自 动 UT 用 ). ④ 测 定 试 块 (Determination
Block).⑤ 验证试块(DemonstrationBlock).
４．２ 评定数据
对验 证 试 块 应 进 行 扫 查,并 按 要 评 定 的 检 测 规程,储存评定数据.这些评定资料以及观测图像显示
必需使用的软件拷贝,应一起提交给检验员和用户.
４．３ 验收评判
(１)缺陷 定 量 和 分 类:缺 陷 应 根 据 要 评 定 的 工
艺规程进行定量和分类.
(２)自动和半自动扫查缺陷定量分类验证合格
标准:验证合格是指 能 将 验 证 试 块 中 的 所 有 缺 陷 检
出,并且符合下 列 三 个 条 件:① 所 记 录 的 信 号 显 示
或成像长度超 过 规 程 规 定 的 评 判 标 准. ② 缺 陷 尺
寸测量 值 等 于 或 大 于 实 际 尺 寸 (即 长 度 和 高 度 两
者).③ 缺陷分 类 正 确 (即 能 判 明 是 表 面 缺 陷 或 内
部缺陷).
(３)补充的 手 动 检 测 法 验 证 合 格 标 准:验 证 试
块中的缺陷,可用规程中概述的、作为补充检测手段
的手动检测法进行 定 量 分 类,只 要 自 动 或 半 自 动 扫
查所记录的缺陷信号显示满足上述(２)①中的要求,
或者是用于横向缺陷的检测验证.所谓手动验证合
格,是指验证试块中 的 缺 陷 检 测 验 证 结 果 满 足 下 列
两条件:① 缺 陷 尺 寸 测 量 值 等 于 或 大 于 实 际 尺 寸
(即长度和高度两者).② 缺陷分类正确(即能判明
是表面缺陷或内部缺陷).
５ 结论
(１)无论是基于制造产品质量验收条件的 UT,
或是基于断裂力学验收条件的 UT,均须用计算机成
像(CI即 TOFD 或 PAUT)设备作自动或半自动 UT.
手工 UT 仅作辅助检测(横裂检测和补充检测).
(２)按 产 品 制 造 质 量 验 收 标 准 的 UT,是 指 根
据缺陷定性表征(判 定 缺 陷 是 否 为 裂 纹、未 熔 合、未
焊透、夹渣、气孔等)和缺陷定量(即测长)结果,对焊
缝进行检测评定;按断裂 力 学 验 收 标 准 的 UT,是指
根据缺陷定型(即表面或内部)和定量(即长度和自身
高度)结果,对缺陷进行分类和验收的检测,缺陷评定
时应先定型(表面或内部),再划框评定(矩形评定).
(３)与两种验收标准相应的两种方法的 UT 工
艺规程,除须满足 ASME 第V卷第４章通用 UT 的
２１项通用参数要求外,还须分别满足 相 应 的 特 定 要
求７项(见表２)和６项(见表４).
(４)两种方法 都 要 求 预 先 作 出 扫 查 布 图 (Scan
plan),包 括 被 检 焊 缝 坡 口 形 状、尺 寸,探 头 布 置,声
线示踪,覆盖范围 等 内 容. 这 是 UT 规 程 和 UT 报
告的重要内容.该空速管进行检测,不 可 能 实 现 对 整 圈 加 热 丝 一 周
焊接状况的检测,因 为 每 一 次 透 照 只 能 检 测 每 圈 加
热丝与射线束相切部位的这极少的部分.
３ X 射线实时成像检测
X 射 线 实 时 成 像 系 统 由 X 射 线 管、探 测 器 阵
列、机械扫描系统、数 据 采 集 处 理 单 元、计 算 机 图 像
处理存储传输系统、图像显示系统、机械运动系统组
成.射线穿过被检物体后携带了物体内部的组成信
息,在经过一个准直 器 后 进 入 由 核 探 测 器 及 电 子 学
系统组成的转换装 置 中,转 换 装 置 输 出 的 信 号 大 小
和射入其中的射线强度有关.随后数据采集系统将
采集到的信号进行 AD 转换和一定的预处理并输入
计算机进行存储 和 后 处 理. 经 计 算 机 处 理 后,在 显
示器屏幕上显示出材 料 内 部 的 缺 陷 性 质、大 小、位
置等信息,按照有关标准对检测结果进行缺陷等级
评定,从而达到检测的目的[２].
针对空速管这 种 产 品 的 检 测,X 射 线 实 时 成 像
系统的功能优势主要在于其具有机械运动系统.在
检测过程中,该机械 运 动 系 统 可 以 方 便 地 改 变 工 件
的相对位置,这样就可从任何方向、任何角度进行检
测.虽然透照方法与 X 射 线 照 相 基 本 相 同,有 纵 缝
外透、内透法,环缝 外 透、内 透 法,双 壁 单 影、双 壁 双
影法,从理论上也只 能 确 定 与 管 壁 内 加 热 器 相 切 位
置的焊接情况;但 是 采 用 X 射 线 实 时 成 像 系 统,利
用其机械运动系统,就 可 以 通 过 转 动 空 速 管 实 现 对
其加热器整圈与管壁焊接情况的全部检测.X 射线实时成像检测法得到的数字图像是动态
可调的,电压、电流 等 参 数 也 实 时 可 调,同 时 计 算 机
可对动态图像进行积分降噪、对比度增强等处理,以
得到最佳的静态图像.X 射线实时成像系统还具有
多幅图像叠加功能,减少了 X 射 线 漫 反 射 等 干 扰 因
素对成像的影响,提 高 了 系 统 发 现 缺 陷 的 能 力. 已
经有应用研究表 明,X 射 线 实 时 成 像 方 法 的 灵 敏 度
达到了照相法的水 平,在 有 些 零 件 的 检 测 上 比 传 统
照相法有更高的检出率和灵敏度[３].
利用 X 射线照相检测 法 检 测 单 件 空 速 管,所 用
时间在２．５h 左 右;利 用 实 时 成 像 方 法 检 测 单 件 空
速管,所用时间在１０ min左 右,时 间 缩 短 了 ９０％ 以
上.另外,实时 成 像 方 法 在 经 济 效 益、远 程 传 送 及
方便实用等方面都比照相法效果好得多[２].
４ 结论
通过对多种无损检测方法主要优缺点的简单分
析后,得出 X 射线实时成像 方 法 是 检 测 空 速 管 焊 接
质量的最直观、有 效 的 方 法 的 结 论. 该 方 法 不 仅 可
以实现每圈加热丝 一 周 焊 接 状 况 的 有 效 检 测,还 将
使检测时间缩短９０％以上.
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