超聲檢測測量缺陷大小的方法介紹

苗雨升

（山東核電有限公司，山東 煙臺265116）

1 背景介紹

超聲檢測是一種可以檢測工件表面特別是表面層下缺陷的無損檢測方法。其通過超聲探頭發射的超聲波在缺陷處產生的反射回波來檢測缺陷的位置和大小。根據AMSE XI卷的要求，采用超聲檢測方法測量缺陷的大小是通過確定缺陷的長度（沿焊縫方向的長度）和缺陷的深度（垂直工件表面或沿壁厚方向的長度）形成的截面積來判定缺陷的大小。根據ASME XI卷IWA3000[1]的規定，以近表面缺陷的大小測量為例如下，圖中a為缺陷的深度，l為缺陷的長度。

圖1 ASME XI卷IWA-3310-1表面的平面缺陷大小測量[1]

ASME XI卷關于運行階段缺陷的驗收標準就是通過缺陷的長度l和缺陷的深度a以及工件的厚度t來制定的。由于超聲檢測方法是通過聲壓的回波來實現對缺陷的檢測的，因此工件的表面粗糙度、表面的清潔度、工件的材質、探頭的K值（探頭的入射角度）、甚至是操作人員按壓探頭的力度等因素都可能對聲壓的回波產生影響，換句話來說超聲檢測方法的重復性不好。因此即使是驗收標準確定了，如何獲得缺陷的真實尺寸是一個難題。目前美國以及歐洲在超聲檢測方面的技術處于世界領先，其也已經建立了成熟的超聲檢測能力驗證機構，對檢測單位進行真實缺陷的檢測考試的方式，認證檢測機構的缺陷檢出能力以及缺陷大小測量能力。國內目前能力驗證尚處于起步階段，核安全局華北站負責建立國內的能力驗證機構，目前已經建立，并且已經對廣核和秦山二期的RPV超聲檢測設備實施了能力驗證，對于AP1000項目，核安全局華北站也提出了能力驗證的要求，包括反應堆壓力容器的筒體焊縫、接管焊縫、安全端異種金屬焊縫、蒸發器傳熱管、核級管道焊縫等。下面重點介紹一下目前核行業的超聲檢測方法中對于缺陷的定量的方法。

2 基本內容

目前，核行業超聲檢測缺陷的定量的方法很多，但是都有一定的局限性。常用的定量方法有當量法、底波高度法和測長法三種。其中測長法適用于缺陷尺寸大于超聲波聲束截面的情況，而當量法和底波高度法適用于缺陷尺寸小于超聲波聲束截面的情況。

2.1 當量法

當量法確定的缺陷尺寸是缺陷的當量尺寸。常用的當量法主要包括當量試塊比較法和當量計算法。當量試塊比較法是將工件中自然缺陷回波與試塊上的人工缺陷回波進行比較來對缺陷定量的方法。加工制作一系列含有不同聲程不同尺寸的人工缺陷（如平底孔）試塊，探傷中發現缺陷時，將工件中自然缺陷回波與試塊上人工缺陷回波進行比較。當同聲程處的自然缺陷回波與某人工缺陷回波高度相等時，該人工缺陷的尺寸就是此自然缺陷的當量大小。對于缺陷距離超聲波聲源的距離大于等于3倍的近場區長度（由于聲波的干涉效應，超聲波在近場區范圍內時而相互疊加出現峰值，時而相互疊加出現波谷，從而對于檢測結果有非常大的影響，因此超聲波檢測時對于近場區范圍內的顯示無法進行測量的），規則反射體的回波聲壓變化規律基本滿足球面波擴散的變化規律，因此可以使用回波聲壓公式。當量計算法就是根據探傷中測得的缺陷波高的dB值（分貝），利用各種規則反射體的理論回波聲壓公式進行計算來確定缺陷當量尺寸的定量方法。由于應用當量計算法對于缺陷定量不需要任何試塊，是目前廣泛應用的一種當量法。它只需要通過測定工件地面的底波聲壓，然后測得缺陷的聲壓，然后通過公式進行計算，即可得到缺陷的當量尺寸，即缺陷的當量平底孔尺寸。

2.2 底波高度法

對于缺陷尺寸小于波束截面的情況，另一個測量缺陷的大小的方法為底波高度法。底波高度法是利用缺陷波與底波的相對波高來衡量缺陷的相對大小。換言之，當工件中存在缺陷時，由于缺陷反射，使工件底波下降，缺陷越大，缺陷波越高，底波就越低，缺陷波高與底波高之比就越大。底波高度法包括缺陷波高與缺陷處底波高之比，缺陷波高與無缺陷處底波高之比以及無缺陷處底波高與缺陷處底波高之比來衡量缺陷的大小。底波高度法不用試塊，可以直接利用底波調節靈敏度和比較缺陷的相對大小，操作簡便。但不能給出缺陷的當量尺寸。此外，底波高度法只適用于具有平行底面的工件。

2.3 測長法

當工件中缺陷尺寸大于聲束截面時，一般采用側長法來確定缺陷的長度。測長法是根據缺陷波高與超聲探頭移動的距離來確定缺陷的尺寸的。由于實際工件中的缺陷的取向、工件的表面狀態、工件材質等都會影響到缺陷回波的波高，因此缺陷的測量長度一般要小于或等于實際缺陷的長度。根據測定缺陷長度時的靈敏度基準不同將測長法分為相對靈敏度法、絕對靈敏度法和端點峰值法。

2.3.1 相對靈敏度測長法

相對靈敏度測長法是以缺陷最高回波作為基準，沿缺陷的長度方向移動探頭，降低一定的dB值來測定缺陷的長度。一般常用的是6dB法和端點6dB法，其中端點6dB法適用于當缺陷的各部分反射波高有很大變化時，測量缺陷長度時使用。

2.3.2 絕對靈敏度測長法

絕對靈敏度測長法是規定一個具體的回波聲壓，當儀器的在規定的靈敏度下，波高降到規定的位置時，就認為是是缺陷的邊界，從而確定缺陷的長度。在自動探傷中常用絕對靈敏度法測長。

2.3.3 端點峰值法

簡單來說，端點峰值法就是找到缺陷兩端的最高波峰的位置，從而確定缺陷的長度。因此端點峰值法測得的缺陷長度比端點6dB法測得的指示長度要小一些。端點峰值法也只適用于側長掃查過程中，缺陷反射波有多個高點的情況。

3 缺陷深度的測量

對于缺陷的深度測量，目前尚處于研究階段，下面介紹幾個目前國內常用的缺陷深度測量的方法。

3.1 端部回波峰值法

端部回波峰值法顧名思義，就是通過橫波測定缺陷端部的最高峰值的位置，并通過探頭的角度計算來確定缺陷的深度。橫波端部回波峰值法是目前應用較廣的一種方法，其測試誤差較小。特別是采用聚焦探頭后，波高變化明顯，效果更佳。

對于表面開口型缺陷，只需要測量缺陷的端部的位置。如圖2所示：

圖2 橫波端部回波峰值法測量表面開口缺陷[2]

對不非表面開口缺陷，當探頭前后移動到缺陷的深度方向的上、下端點時，產生了較強的回波波峰F1和F2。由此可確定缺陷的深度，如圖3所示。

圖3 橫波端部回波峰值法測量非表面開口缺陷[2]

3.2 6dB法

基本原理同上述測長法中端點6dB一樣，只是測深度時探頭垂直于缺陷長度方向，前后移動探頭，側等波高相對于峰值下降一半時作為深度測量的上、下端點，從而確定缺陷的深度。

［1］ASME,Rules For Inservice Inspection of Nuclear Power Plant Components,ASME BPVC SECTION XI 1998[Z].

［2］鄭暉,林樹青.超聲檢測[M].2版.北京∶中國勞動社會保障出版社,2008∶203.