承壓設備焊縫超聲相控陣檢測圖譜解讀

李 衍 無錫市鍋爐壓力容器學會無損檢測專委會

承壓設備焊縫超聲相控陣檢測圖譜解讀

李 衍 無錫市鍋爐壓力容器學會無損檢測專委會

國際權威法規ASME最新版（2013）給出了承壓設備焊縫超聲相控陣檢測(PAUT)圖像解讀、分析、評斷的典型示例。主要內容：圖像彩色與波幅強度的相關性，缺陷信號測長測高方法，讀譜準備，常用顯示型式，面型體型缺陷典型圖譜。觸類旁通，融會貫通，可為國內制定相應工業PAUT評定標準，提供有用借鑒。

承壓設備 焊縫 超聲相控陣 檢測（PAUT） 缺陷圖譜解讀 ASME（2013）

計算機成像技術（CITs）已成為承壓設備超聲無損檢測（UT）的重要手段。作為國際權威法規的ASME BPVC最新版（2013)，在第Ⅴ卷《無損檢測》第四章“焊縫超聲檢測方法”中，又增補了一個重要附錄，即NA P“超聲相控陣檢測（PAUT）圖譜解讀”[1]。

承壓設備UT施探過程的“三部曲”是：1）設備調整；2) 掃查檢測；3）圖像判讀。前兩部分，在ASME 2011增補版中，已有較完整的內容，包括：第四章的四個附錄（1）MA Ⅳ線陣相控陣手動光柵檢測法；(2）MA Ⅴ基于制造質量驗收標準的UT要求；(3）MA Ⅶ基于斷裂力學驗收標準的UT要求；(4）MA Ⅷ缺陷定量表征工藝評定要求。而被ASME A分卷引用的，列在B分卷（第23章）中的兩個篇幅甚大的標準，則是PAUT的方法要領：一個是SE-2491“相控陣超聲檢測儀器和系統特性評定指南”，另一個是SE-2700“焊縫相控陣接觸式超聲檢測操作方法”，可謂PAUT人員的“雙翅”[2-4]。

本文介紹的PAUT圖譜解讀是2013 ASME 的重要增補，關系到PAUT數據分析和結果評定。這樣，通過“合三為一”，就圓了PAUT的三部曲。

全文內容由以下四部分組成：1）PAUT讀譜基礎，圖像彩色與波幅強度的相關性；2）顯示方式基本原理與空間概念及其作用，包括S掃，E掃，A掃，B掃，C掃，D掃等；3）缺陷定量評價方法——波幅降落法（測長、測高）和端部衍射法（測高）；4）六種焊接缺陷的PAUT典型圖譜解析、判讀與評定，給出S掃或E掃及A掃示例。

1 適用范圍

ASME 2013第Ⅴ卷第四章附錄NA P 用于輔助相控陣超聲檢測（PAUT）圖像的解讀，總共13張圖；其中7張是PAUT圖譜解讀理念圖，6張是典型焊接缺陷PAUT圖譜圖例。

PAUT缺陷信號的判讀方法，與常規UT頗為相似。但PAUT能改善圖像質量，有助于缺陷信號的判別。這里提出的解讀指南，主要針對用橫波斜聲束檢測對接焊縫所獲取的圖像。其它情況也可參照使用[5-7]，包括：1）縱波斜聲束檢測；2）聲束0°(即縱波垂直）掃查；3）復雜結構的檢測，如管座焊縫、填角焊縫等。

2 一般要求

2.1 PAUT圖像顯示顏色與信號幅度的相關性

PAUT數據常用彩條信號圖（Rainbow color palette）顯示，彩色范圍代表一系列信號幅度。通常，白色代表0%信號幅度，藍色（或淺色）代表低信號幅度，紅色(或深色）代表判廢信號幅度(見圖1)。

圖1 彩條信號圖的黑白轉換

2.2 PAUT圖像顯示格式[8,9]

PAUT能使檢測數據以常規UT相同的格式成像，即可為A掃描，也可為時間或距離編碼的B掃描、D掃描和C掃描顯示（見圖2)。

圖2 三種掃描顯示圖格式（B型、C型、D型）

2.3 基本圖像顯示

PAUT主要圖像顯示是PAUT法所獨有的E掃描和S掃描顯示。這兩種掃描均顯示2D視圖，其X軸表示離探頭前緣的水平距離，Y軸表示深度。此視圖也可視為焊縫橫斷面視圖。E掃描和S掃描顯示均由具體設置下的所有A掃描（或聚焦律）組成。每一聲束（聚焦律）的A掃描顯示均可用于缺陷信號判讀和評定。

2.4 E掃描顯示特征

E掃描（也稱為電子光柵掃描）是單一聚焦律通過一組激活陣元作多路傳輸，超聲波束以恒定角度，沿相控陣探頭長度方向，以給定增量快速步進。見圖3。

2.5 S掃描顯示特征

S掃描（也稱為扇形掃描或方位角掃描）可指聲束移動，也可指數據顯示（見圖4)。

圖3 E掃描圖像顯示示例

圖4 S掃描圖像顯示示例

3 測量程序

3.1 測量工具

PAUT儀器一般都有放在軟件中的缺陷測量工具。這些測量工具均借助于多個覆蓋在各種圖像顯示上的水平光標和垂直光標。PAUT儀器測量可靠性，有賴于操作者輸入數據的準確性（如試件厚度等)，以及準確顯示缺陷量值和位置的校驗準確性。

3.2 缺陷定量法

缺陷定量可使用工業上認可的各種方法進行，如波幅降落法（6dB法）、端部衍射法等。不同缺陷類型可能需要不同的測量方法。

1）缺陷測長法 平行于試件表面的缺陷長度，可依據D掃描或C掃描圖像上的編碼距離，用波幅降落法測出：將垂直光標置于D掃描或C掃描圖像上顯示的缺陷兩端，即可獲取相應讀數。(見圖5)。

2）缺陷測高法 垂直于試件表面的缺陷高度，可依據E掃描或S掃描獲取的B掃描顯示圖像，用波幅降落法或端部衍射法，如下測出：

（1）波幅降落法：將水平光標分別置于6dB降落法顯示的缺陷上下端部，測取缺陷高度讀數。(見圖6)。

（2）端部衍射法：將水平光標分別置于端部衍射法顯示的缺陷上下端部，測取缺陷高度讀數。(見圖7)。

圖5 在C掃描圖像顯示上,用波幅降落法和垂直光標進行缺陷測長

圖6 在B掃描圖像顯示上,用波幅降落法和水平光標進行缺陷測高

圖7 在S掃描圖像顯示上,用端部衍射法和水平光標進行缺陷測高

4 典型缺陷圖譜解讀

這里列出6種典型焊接缺陷的PAUT圖譜及其解讀評定。實際焊接缺陷、PAUT設置及其圖像顯示變量甚多，因此所提供的圖譜僅供指南之用。PAUT圖像判讀評定人員的經驗和分析技能，也很重要。

4.1 底面開口裂紋

底面開口裂紋有可能在單面焊焊根中心，也可能在焊根邊緣附近；通常，在A掃描顯示和S掃描顯示中，可見多重小齒面、多重棱邊。若裂紋有明顯高度，當探頭朝焊縫前后移動時，在A掃描波形圖上，會有明顯的起始點和中止點，信號有明顯的回波動態行程。這種反射體通常易于檢出，也能從焊縫兩側檢測到。對這種缺陷應準確標出相對于試件底面的深度讀數（見圖8)。

圖8 底面開口裂紋的S掃描顯示

4.2 坡口面未熔合

坡口面未熔合處于焊縫熔合面上，可通過幾何繪圖（焊縫覆蓋圖）標出。從焊縫兩側探測，會有明顯不同的回波特性。在同一位置作扇形（S-）掃查時，通常用幾種角度去檢出未熔合。A掃描波形會顯示回波快起快落的特征，脈沖持續時間甚短，即表明是有方向性的平面狀缺陷。無多重小齒面或尖端存在。

胃穿孔發病的原因具有較強的復雜性,其發病的原因也比較多,如胃潰瘍、胃癌等,在傳統的急性胃穿孔治療中,主要采用開放式穿孔修復術。當前治療急性胃穿孔最好的方式是外科手術治療,此外應盡早實施手術。若患者就診時已經超過12h且腹部感染情況較為嚴重[6]。出現中毒性休克、腸粘連、腸梗阻以及其他并發癥的可能性明顯提高,且相關的研究顯示,對于急性胃穿孔患者,只要患者耐受,均可采用胃大部切除手術進行治療。

探頭略為歪斜，回波不會像裂紋那樣產生多重峰值或鋸齒面?？赡軙瑫r出現多重變型波信號，彼此保持等間距，見9。

圖9 壁厚中間的未熔合E掃描顯示

4.3 密集氣孔

密集氣孔顯示多重回波信號，其幅度各異，位置不一。回波信號標繪在焊縫體積中。信號的起始和中止位置有可能呈低幅度，視其位置和壁厚，有可能與底面回波信號混雜一起。

A掃描波形顯示的信號起落，有較長脈沖持續時間，即表明為非平面狀缺陷。從焊縫兩側探測，密集氣孔均有可能被檢出，也可能檢不出來；但兩側探測情況應該相似。見圖10。

圖10 示有多重反射信號的密集氣孔S掃描顯示

4.4 焊趾裂紋

在A掃描和S掃描顯示圖中，焊趾裂紋往往顯示多重小反射面和多重棱邊。探頭朝焊縫前后移動時，會有明顯的回波動態行程。此類反射體一般易于檢出，可準確標繪出相對于外表面的深度讀數。通常，焊趾裂紋在S掃描顯示圖上最好表征，用較小角度（如45°）的E掃描通道掃查即可。圖11即為用扇形（S-）掃查檢出的外表面焊趾裂紋圖像（V型坡口單面焊，鏡像顯示）。

圖11 用S掃描顯示檢出的外表面焊趾裂紋（鏡像）

4.5 根部未焊透

注意，根部未焊透的位置與焊接坡口型式有關。例如，對X型坡口雙面焊縫來說，根部未焊透處于壁厚中間；而對V型坡口單面焊縫來說，根部未焊透則在試件底面開口。但回波信號升降時間類似于根部焊趾裂紋或其它根部面狀缺陷。這就要求操作者判讀時分外小心。還要注意，根部未焊透顯示的信號圖像有可能很像底面根部單側未熔合顯示的信號圖像。

圖12 S掃描顯示圖上的根部未焊透信號圖像

4.6 不定形夾渣

在A掃描和S掃描顯示圖中，不定形夾渣信號圖像一般顯示多重小面和多重棱邊。A掃描波形顯示回波慢起慢落，脈沖持續持續時間較長，即表明為非平面狀缺陷。不定形夾渣回波信號幅度比面狀缺陷波幅較低，可能難以與密集氣孔或一些較小的面狀缺陷信號相區別。夾渣一般從焊縫兩側均可探到，均可標繪，用A掃描波形往往也最好表征。對夾渣類反射體，也可準確標出在焊縫體積中的深度區域，(見圖13)。

圖13 S掃描顯示圖上的夾渣信號圖像（處于壁厚中間）

5 結論和討論

1）2013 ASME 新添的附錄NA P“超聲相控陣檢測（PAUT）圖譜解讀”，包括7張讀譜準備圖和6張典型缺陷圖，結合2011增補版的兩個核心標準SE-2491“相控陣超聲檢測儀器和系統特性評定指南”和SE-2700“焊縫相控陣接觸式超聲檢測操作方法”，是承壓設備焊縫PAUT的三大技術支撐。PAUT人員必須諳熟于心，熟練應用。

2）讀譜準備，包括了解焊接工藝、坡口型式、幾何尺寸，常見焊接缺陷性質、形狀、位置、方向等特征；熟悉用一次波（0.S波）、二次波（1.0S波）檢測時，A掃、S掃和E掃的基本圖形及其相關性；明白信號圖像彩色與信號波幅之間的相關性：紅——強，籃——弱。信號波幅相關于缺陷表征，但缺陷表征還相關于信號源位置和性質等因素（例如焊縫余高、錯口、錯位、內凹、焊瘤等引起的幾何信號等）。

3）缺陷測長測高用垂直光標或水平光標截??；缺陷在焊縫長度方向位置，靠與探頭同步移動的定位編碼器讀取數值。為保證X-Y-Z三維空間數據準確，施探前要做好試塊校驗和編碼校驗。

4）給出的典型缺陷圖譜，涉及的面型缺陷有4種，其中3種是表面或底面開口缺陷（焊趾裂紋、根部未焊透、底面裂紋)，1種是內部坡口面未熔合；體型缺陷是2種（密孔、夾渣)。缺陷定性表征要靠綜合分析評斷。另外，還是要注意真假缺陷圖像信號的識別。圖譜顯示最好同時提供焊接坡口圖和聲線示蹤圖（一般PAUT儀器都會有相應軟件提供)。這對PAUT工藝圖（Scan Plan）和檢測報告都是必不可少的。

5）更為詳細的PAUT圖譜解讀和評析，可參閱筆者于2013年10月21日在南昌舉行的第十屆中國無損檢測學術年會上的報告《承壓設備PAUT典型缺陷圖譜解讀》（論文集上冊，PP 406-414）[10]。

1 ASME BPVC(2013)Section V,Article 4 Ultrasonic Examination Methods for Welds, NA P Phased Array (PAUT) Interpretation

2 ASME BPVC(2013)Section V, Article 4 Ultrasonic Examination Methods for Welds, MA IV,Ⅴ,Ⅶ,Ⅷ,Ⅸ

3 ASME SE-2491 Standard Guide for Evaluating Performance Characteristics of Phased-Array Ultrasonic Examination Instruments and Systems

4 ASME SE-2700 Standard Guide for Contact Ultrasonic Testing of Welds Using Phased Arrays

5李衍.超聲TOFD檢測圖譜識別.中國特種設備安全,2010,26(7): 20－25;(8):27－29

6 李衍.焊縫超聲檢測相控陣參數與缺陷顯示的相關性.中國特種設備安全,2009,25(12):37－41

7 Ciorau P. A Contribution to Phased Array Ultrasonic Inspection of Welds.Part 1:Data Plotting for S- and B-Scan Displays. CINDE Journal,2007(5):1－9

8 李衍.超聲相控陣檢測技術系列講座.無損探傷,2007,31(4) (6);2008,32(1)(4)(6)

9 李衍.取樣相控陣超聲波實時三維成像的工業應用.中國特種設備安全,2012,28(1):46－48

10 李衍.承壓設備PAUT典型缺陷圖譜解讀.第十屆全國無損檢測學術年會論文集,2013,9,江西南昌:406－414

Some typical cases are given in the recent international code 2013 ASME for the interpretation, analysis and evaluation of Phased Array Ultrasonic Testing (PAUT) images. The main content includes relations between rainbow colors and signal amplitude; measuring techniques of faw length and faw height; preparation for interpreting images; common modes of image displays; typical image displays of planar faws and volumetric faws. Based on comprehending by analogy, useful references may be presented for establishing the relevant industrial PAUT evaluation standards at home.

Pressure equipment Welded joints Ultrasonic phased array examination PAUT Flaw image maps Interpretation and evaluation 2013 ASME

2013－11－07）