焊縫超聲相控陣檢測ISO13588:2012標準評述

李 衍

（無錫市鍋爐壓力容器學會無損檢測專委會 無錫 214026）

2014 年10 月中旬在無錫召開的《承壓設備NDE最新國際法規研討會》上，有代表提出要求了解ISO（國際標準化組織）有關焊縫超聲相控陣檢測（PAUT）的方法標準和驗收標準。這里針對此問題，對最新版ISO 13588:2012《焊縫超聲相控陣自動檢測》標準試作全面評述。

該標準是由CEN/TC 121“焊接”技委會（秘書處設在德國）會同ISO/TC 44“焊接與相關工藝”技委會聯合制定的。作為歐標，在標準篇目ISO 前冠以EN；作為成員國國標，則再在EN 前冠以國家縮寫字母，如BS 和DIN 分別表示英、德。該標準已于2013年4 月份，作為所有歐共體成員國（共33 國）或ISO成員國的國家標準發布。

該標準是一份內容較完整、系統、檢測方法與結果評定合在一起的PAUT 標準，應該說符合我國習慣，有助于操作應用。與之相比，ASME 新版（2013）中PAUT 標準較分散（共8 個），使用者須視具體情況，將需用標準和相關附錄串珠成鏈。

以下對ISO 新標擇要介紹和評析。

1 適用范圍

1）規定用相控陣（PA）技術對厚度6mm 以上金屬材料熔化焊焊接接頭作半自動或全自動UT的方法。可用于檢測板、管、容器中簡單幾何形狀的全焊透焊接接頭，被檢焊縫和母材為低合金碳鋼。

2）規定的相關材料的超聲參數：鋼的縱波聲速為(5920±50)m/s，橫波聲速為(3255±30)m/s。檢測不同聲速的材料時，應考慮聲速修正。

3）對PA 技術在熔化焊焊接接頭缺陷檢測、定位、定量和定性方面的特殊性能和局限性，提出指導性意見。

4）PA 技術可作為獨立應用的技術，也可與其它無損檢測（NDT）方法或技術聯用；可用于在制檢測，或安裝檢測及在用檢測。

5）規定四種檢測等級，每種等級對應于不同的缺陷檢測率。

6）允許按波幅（當量反射體大小）和顯示長度，或顯示測高和測長值，對顯示進行驗收評定。

7）不包括缺陷的驗收等級（合格與否的評定標準由相應制造規范界定）。

8）不適用于：粗晶金屬和奧氏體焊縫檢測，鋼管焊縫在線自動檢測（其檢測方法由以下三標準規定，即：ISO 10893—8[1]、 ISO 10893—11[2]、ISO 3183[3]）。

2 檢測等級

焊接接頭的質量要求主要與材料、焊接方法及在用條件有關。為適應這些要求，規定了A、B、C、D四種檢測等級。

檢測等級由A 到C，檢測覆蓋率（涉及入射數、組合法）由小到大，缺陷檢出率也由低到高。檢測等級D 可按特殊應用，簽約定規，并兼容標準通則。適用對象包括：非鐵素體鋼材料和部分焊透焊縫的檢測、用自動設備檢測，以及溫度超越范圍的工件檢測。

通常，檢測等級相關于質量等級（如ISO 5817[4]）、 產 品 標 準 或 其 它 文 件。 當 規 定 按ISO 17635—2010《金屬熔化焊焊接接頭NDT 通則》執行時，推薦的檢測等級見表1。

表1 推薦的檢測等級

各種檢測等級的掃查方式、探測布置和聲線示蹤，見表2。在所有情況下，探測布置特性應使用參考試塊校驗。若探頭單面掃查（包括TOFD 法），應使用0.5s 和1.0s（即一次波和二次波），并將數據存儲；若探頭兩面掃查，用0.5s（即一次波）即可。

信號顯示評定僅按波幅時，聲束偏離焊縫軸線正交方向不應大于6°。

表2 不同檢測等級的掃查方式和探測布置

（續表）

此表圖例，可謂ISO 標準表述PAUT 探測布置特性不同于ASME 規范的一大亮點，值得吸收應用。

3 前期信息

檢測前需掌握的前期信息有以下三方面：

1）編規程前：應悉知：（1）檢測目的和范圍；（2） 檢測等級；（3）驗收標準；（4）參考試塊型號和規格；（5）檢測時機；（6）焊接細節和熱影響區尺寸；（7）可接近性、表面狀態及溫度；（8）人員資格；（9）檢測報告要求。

2）施探前：焊縫施探前，操作者除需明了上述1）有關信息外，還應掌握下列資料：（1）檢測規程；（2）母材材質和產品型式（鑄件、鍛件、軋制件）；（3）坡口形狀和尺寸；（4）焊接工藝卡；（5）相關于焊后熱處理的檢測時機；（6）焊前或焊后母材檢測結果。

3）檢測規程：執行各種檢測等級，均需編制檢測規程。規程應為書面文件，至少包括以下內容：（1）檢測目的和范圍；（2）檢測方法；（3）檢測等級；（4）人員培訓和資格要求；（5）設備要求（包括頻率、采樣率、陣元芯距、陣元尺寸等）；（6）標準試塊和對比試塊；（7）設備調整；（8）表面狀態及可接近性；（9）母材檢測；（10）信號顯示評定；（11）驗收等級、記錄報告下限；（12）報告要求；（13）環境、安全問題。

檢測規程應包括檢測方案或掃查布圖（Scan plan），圖中應示有探頭布置、移動方向及聲束覆蓋范圍，以為焊縫檢測提供標準化的、有重復性方法。此掃查布圖還應標出超聲聲束角度、相對于焊縫中心線的聲束方向，以及每條焊縫的受檢體積。

4 檢測設備

選用系統組件（包括硬件和軟件）時，還應參照CEN/TR 15134 給出的要求[5]。

1）超聲儀器： PAUT 儀器，應按EN 16392—1、EN 16392—2 和 EN 16392—3 之要求。儀器應能選擇A 掃描數字化的相應時基部分。建議：所用A 掃描的取樣頻率至少為探頭標稱頻率的6 倍。

2）超聲探頭：縱波、橫波波型均可使用。探頭接觸面對試件曲表面的匹配，應按ISO 17640 之要求（即探頭與曲面接觸面最大間隙≤0.5mm）。使用底面修整的探頭時，應考慮對聲束的影響。

3）掃查器械：為保持圖像（采集數據）的一致性，應使用導向機構和掃查編碼器。

4）參考試塊：見表3，按檢測等級，使用相應參考試塊確定檢測參數（如覆蓋范圍、靈敏度調整）。推薦的參考試塊圖樣及細節要求見本文第9 章。

（1）試塊材料。制作參考試塊的材料應與被檢試件相似（即材料聲速、晶粒結構和表面狀態相似）。

（2）尺寸和形狀。試塊厚度宜為0.8 ～1.5T（T——試件厚度）；與試件相比，最大厚度差為20mm。試塊長度和寬度的選定，應使所有人工缺陷均能被聲束適當掃查到。檢測圓筒形或管型試件縱焊縫時，應使用曲面試塊，試塊曲面直徑應為試件直徑的0.9 ～1.5 倍。試件直徑≥300mm 時，可使用平面參考試塊。

（3）參考反射體。試塊厚度t=6 ～25mm 時，至少要有3 個反射體；t ＞25mm 時，至少要有5 個反射體。典型的參考反射體為橫孔、線槽和平底孔。

表3 檢測等級和參考試塊

5 檢測準備

1）待檢體積：檢測目的應由規范規定。待檢體積即據此界定。在制階段，檢測體積的寬度應包括焊縫加上焊縫兩側至少10mm 的母材區域（若為激光焊和電子束焊，此值應為5mm），或加上熱影響區寬度（依據制造工藝數據），取兩者中較大值。

應提供掃查布圖，圖中示有聲束覆蓋范圍、焊縫厚度和形狀尺寸。應確保聲束覆蓋待檢體積。

2）設置校驗：檢測設置的性能應使用參考試塊校驗。

3）掃查增量調整：對焊縫掃查增量ΔX 的設置，取決于被檢焊縫厚度t。t ＜10mm 時，ΔX ≤1mm；t=10mm ～150mm 時，ΔX ≤2mm ；t ＞150mm 時，推薦ΔX ≤3mm。

為確保聲束覆蓋檢測體積，應選定合適的垂直于焊縫的掃查增量設置值。使用TOFD 法時，掃查增量應按ISO 10863 給出的要求。

4）幾何條件：檢測幾何條件復雜的焊縫，如連接不等厚材料的焊縫，或焊縫連接的材料有傾角時，或管接頭管座焊縫等，應格外注意。這些檢測應仔細策劃，對聲傳播要有深層面知識，且總得按檢測等級D 進行。D 級檢測的掃查布圖、典型參考試塊及性能驗證，均為強制執行事項。注意，在某些情況下，使用建模仿真編程，可減少參考試塊數。

5）表面制備：試件掃查表面應清理，其寬度應能滿足體積全覆蓋要求。掃查表面應平滑，不得有妨礙探頭耦合的雜質（如鐵銹、松散氧化皮、焊接飛濺、溝槽等）。探測面的波形度不得使探頭與探測面之間的間隙大于0.5mm。必要時，探測面應作適當修磨，以滿足上述要求。

若機加工表面的表面粗糙度Ra≤6.3μm，或噴砂處理表面的表面粗糙度Ra≤12.5μm，掃查表面可視為滿足要求。表面有涂層、油漆或電鍍層時，若不清理，則選用D 級檢測。

6）溫度：除非使用特殊的高溫PA 探頭和高溫耦合劑，被檢試件的表面溫度應在0℃～50℃范圍內。若溫度不在此范圍內，應通過操作演示，驗證系統的可用性。

7）耦合劑：為能產生適當的檢測圖像，應使用耦合劑，以確保探頭與試件材料之間超聲傳送正常。校驗用的耦合劑應與隨后檢測及過后校驗用的耦合劑 相同。

8）母材檢測：按該標準進行檢測時，應作母材分層檢測。標準指出：母材檢測可作為焊縫檢測的一部分，或作為單獨的材料檢測。

9）規程評定：對檢測等級B、C、D 均需作檢測規程評定。檢測規程應在參考試塊上通過操作演示評定合格。首次檢驗前，規程評定應達標。所謂達標是指：(1)檢出所有要求檢出的反射體；(2)定量能力符合規范要求；(3)確認聲束對檢測深度和寬度的覆蓋范圍。

6 儀器調整

每次檢測前，檢測范圍和靈敏度的調整，應按標準進行。PA 布置的任何變化，如探頭位置（PP）、轉向參數的變化等，都要求對時基范圍和靈敏度重新調整。

信噪比（S/N）應最佳化：對參考信號來說，當用A 掃法時，務使S/N ≥12dB；用圖像法時，務使S/N ≥6dB。

1）脈沖回波時間窗：脈沖回波信號所用時間窗，應包括每一檢測區段相關體積，并在檢測規程中注明。應確保掃查聲束能覆蓋相關區域。

2）脈沖回波靈敏度調整：選定掃查模式（定角式、E 掃式、S 掃式）后，靈敏度應如下調整：(1)由PA探頭產生的每一聲束（相關于聲束角度、聚焦點等），其靈敏度均應調整；(2)使用有斜楔的探頭時，應在斜楔就位時調整靈敏度。

3）聚焦方式：PA 探頭可使用不同聚焦方式，如靜態聚焦、動態深度聚焦（DDF）等。使用聚焦時，應對每一聲束調整靈敏度。

4）增益校準：使用角度校準增益（ACG）和時間校準增益（TCG），能使所有聲束角度和所有距離的信號，顯示相同波幅。

5）系統校準：焊縫檢測可使用不同檢測模式，如定角式、E 掃式、S 掃式等。模式界定后，所產生的每一聲束，其參考靈敏度應按ISO 17640 校準（包括傳輸修正）。系統校準時，應驗證所有相關通道、探頭和電纜功能正常。此校驗應每天在檢測前后進行。若系統任意項失效，應作修正動作，系統應重檢。

6）定時校核：儀器調整值應至少每4h 及檢測完畢后進行校核。若單次檢測超過4h，調整值應在檢測完畢后校核。校核時用的參考試塊，應與初始調整相同。也可使用有已知傳輸特性的小型試塊校核。上述校核過程中，若發現有偏離初始調整值的偏差，應按表4 要求進行修正。

表4 靈敏度和檢測范圍的校核

7 焊縫檢測

初始檢測前，應由掃查布圖確認聲束覆蓋范圍，并在適當的參考試塊上作驗證。

探頭相對于焊縫中心線容許的位置偏差，應在檢測規程中說明，并標注在掃查布圖中、標繪在參考試塊上。

初始掃查中檢出的信號顯示，可能需要作附加評定，作偏移掃查，作方向垂直于缺陷的掃查，作相控陣補充配置等。

掃查速度應能產生符合要求的圖像。掃查速度的選定應根據諸多因素：如延時法則數、掃查分辨力、信號平均值、脈沖重復頻率、數據采集頻率、及受檢體積等。

缺失掃描線就表明用了過高的掃查速度。缺失掃描線所占比率，最多可為單次掃查中收集的掃描線總數的5%，但相鄰掃描線不應缺失。

若焊縫長度作分區掃查時，相鄰掃查區域之間至少應有20mm 重疊長度。掃查環焊縫時，掃查區終端與掃查區始端，也應有相同重疊長度。

有條件時，建議對耦合效率進行管控。

8 數據評析

1）數據儲存：UT 應使用有基于計算機數據采集能力的裝置進行。所有覆蓋檢測區域的A 掃描數據，均應儲存；所有涉及儀器調整參數的數據組，均應列入數據記錄。所有數據儲存年限按規范規定。

2）數據評析：PA 數據的解讀和分析程序如下：(1)評定PA 數據質量；(2)識別相關顯示；(3)將相關顯示分類；(4)對相關顯示進行定位定量；(5)對照驗收標準評定合格與否。

3）質量評定：PAUT 必須獲得滿意的、可予評定的圖像。所謂滿意的圖像，是指滿足下列條件：(1) 耦合良好；(2)時基調整準確；(3)靈敏度調整準確；(4)信噪比適當；(5)信號幅度適當；(6)數據采集適當。評定PA 圖像質量，要求操作者熟練、有經驗。操作者必須確定：質量不滿意的圖像，要否重新采集數據（即重新掃查）。

4）顯示識別：PA 技術獲取的圖像有可能是焊縫中的不連續產生的，也可能是由試件幾何特征引起的。為識別幾何特征引起的信號顯示，需了解試件結構特征。要確定信號是否是由不連續產生的相關顯示，需根據形狀和相對于一般噪聲水平的信號幅度，評判真假信號圖像特征。

5）顯示分類：相關顯示的波幅、位置和圖形會含有不連續類型信息。相關顯示的分類應按規范規定，一分為二，判定：是面型顯示（裂紋、未熔合、未焊透類），還是體型顯示（夾渣、氣孔類）。

6）顯示定位和測長：（1）定位：根據探到的數據，測定信號顯示X、Y、Z 三向位置（X：焊縫軸線平行方向；Y：焊縫軸線垂直方向；Z：壁厚方向）；（2） 測長：信號顯示長度是指沿焊縫長度方向的尺寸。測長方法應按驗收等級選定。

7）顯示評定：可按規范規定，依據信號波幅、等效反射體大小、或高度、長度測量值進行。

（1）依據波幅。每一信號顯示的最大波幅，應按規定的驗收等級評定。波幅降落法可用于測定信號顯示長度。

（2）依據高度。信號顯示高度是指壁厚方向的尺寸。對高度在長度方向上有變化的信號顯示，應在最大值掃查位置測高定值。若要求測高值更精確，可采用重建算法，如合成孔徑聚焦法（SAFT）。

8）最終評定：相關顯示分類后，再定位、測長，隨后攬標對照，按既定驗收條件，對其評定。最后，判定其“驗收”或“拒收”（即“合格”或“不合格”）。

9 試塊細節

PAUT 儀器、系統設置調整、校驗、校核均需用參考試塊進行。試塊中設有形狀、尺寸、位置已知的人工缺陷。PAUT 儀器、探頭、試塊三結合測特性參數，就是由已知數求未知數的解方程全過程。

1）參考反射體：厚度t=6mm ～25mm 時，建議至少有3 個參考反射體。反射體可加工在1 個或多個試塊中。t ＞5mm 時，建議至少有5 個參考反射體。反射體可加工在1 個或多個試塊中。參考反射體的尺寸容差如下：直徑：±0.2mm；長度：±2mm；角度：±2°。

表5、表6、表7 分別表示不同壁厚中加工的不同反射體的類型和尺寸。使用TOFD 法時，參考線槽的細節要求見ISO 10863。

表5 參考試塊中的線槽尺寸 mm

表6 橫孔直徑φ mm

表7 厚度t ＞25mm 時的橫孔和表面線槽長度 mm

2）典型參考試塊：按檢測等級選用。

(1) PA-Ⅰ型試塊（孔型）適用于檢測等級A（見圖1）。

圖1 檢測等級A 適用的PA-Ⅰ型試塊

（2）PA-Ⅱ型試塊（孔槽型）適用于檢測等級B（見圖2）。

圖2 檢測等級B 適用的PA-Ⅱ型試塊

(3）PA-Ⅲ型試塊（孔槽型） 適用于檢測等級C（見圖3）。

圖3 檢測等級C 適用的PA-Ⅲ型試塊

(4）對檢測等級D，應制作專用試塊，其結構、基材性能、焊接材料性能、焊接工藝應與被檢試件相同，此試塊附加于檢測等級B 和C 所用檢測試塊，并應添加反射體。

10 小結

1）ISO 將PAUT 分成A、B、C、D 四種檢測等級。A ～C 級，缺陷檢出率由低到高。D 級適用于特殊應用，由合同雙方商定細節要求。

2）與各種檢測等級相應的掃查方式、探測布置和聲線示蹤有圖表示例，應在檢測規程和檢測報告中示出。讀圖、用圖、出圖、解圖、評圖，是PAUT 人員必備基本功。

3）三個型號的參考試塊應按檢測等級選用，結合IIW 試塊，完成檢測范圍和靈敏度的調整、校驗。

4）檢測靈敏度的調整，包括角度校準增益（ACG）和時間校準增益（TCG）調整，務使PAUT 所有聲束角度和所有距離信號，均顯示同波幅。

5）不同壁厚、不同型式的焊縫PAUT,其探測布置和掃查方式細節還可參照ISO 17640 給出的具體 圖樣。

6）PAUT 數據顯示評析過程有六步：評像質→辨真假→定型→定位→定量→終評。

7）ISO PAUT 標準盡管方法、評定合二為一，但有些細節（如掃查布圖、掃查模式等）仍需借助于其它ISO 標準補充。引用ISO 標準時，筆者建議最好還能參照ASME 相關標準

（特別是ASME SE-2491 和SE-2700），取長補短，相得益彰。

[1] ISO 10893—8 Non-destructive testing of steel tubes—Part 8: Automated ultrasonic testing of seamless and welded steel tubes for the detection of laminar imperfections[S].

[2] ISO 10893—11 Non-destructive testing of steel tubes—Part 11: Automated ultrasonic testing of the weld seam of welded steel tubes for the detection of longitudinal and/or transverse imperfections[S].

[3] ISO 3183 Petroleum and natural gas industries— Steel pipe for pipeline transportation systems[S].

[4] ISO 5817 Welding—Fusion-welded joints in steel, nickel, titanium and their alloys (beam welding excluded) —Quality levels for imperfections[S].

[5] CEN/TR 15134 Non-destructive testing— Automated ultrasonic examination—Selection and application of systems[S].

[6] EN 583-1 Non-destructive testing—Ultrasonic examination—Part 1: General principles[S].

[7]李衍. 管座焊縫內側的相控陣超聲自動檢測[J]. 中國特種設備安全,2014,03:43-47.

[8]李衍. 管焊縫相控陣超聲工程臨界評定[J]. 中國特種設備安全,2015,01:23-27.