應力腐蝕裂紋的檢出和定量
——PAUT三向顯示圖解讀

李 衍

（無錫市鍋爐壓力容器學會無損檢測專委會 無錫 214026）

應力腐蝕裂紋的檢出和定量
——PAUT三向顯示圖解讀

李 衍

（無錫市鍋爐壓力容器學會無損檢測專委會 無錫 214026）

本文介紹了滿足斷裂力學驗收條件要求、依據超聲相控陣成像數據，對SCC(應力腐蝕裂紋)進行檢測和測深定高的CI（計算機成像）技術應用的最新進展。詳述用超聲三向圖像顯示進行數據評定的過程和方法，包括B型顯示（橫斷面視圖）、C型顯示（俯視圖）和D型顯示（縱斷面視圖）。數據評定解析使用由SCC試樣獲取的相控陣數據。此法強調以下三要素的重要性：1）波型選擇對重建SCC圖像的重要性；2）SCC端部回波識別對避免錯判誤定的重要性；3）縱斷面視圖對評估SCC深度輪廓。希望對國內承壓設備在役無損檢測和定量評價提供有用借鑒。

超聲相控陣檢測（PAUT） 焊接接頭 應力腐蝕裂紋（SCC） 相控陣 三向顯示 圖像解讀

超聲檢測（UT）廣泛用于核電站在役檢測，特別是上世紀70年代起，用于檢測沸水反應堆核電站不銹鋼管道焊縫中的應力腐蝕裂紋（SCC：Stress Corrosion Cracking）。隨后，UT作為可對SCC進行檢測和定量的無損檢測（NDE）法，在工業上發揮重要作用。

按核電設備焊接結構件超聲檢測標準[1，2]，以橫孔等標準反射體的反射波高度作為基準，依據探得的缺陷波高比和指示長度，進行合格與否的判定。然而，如圖1所示，在不銹鋼管道焊縫的SCC檢測中，由焊縫根部形狀引起的回波（形狀回波），往往會與SCC回波重疊一起；另外，奧氏體不銹鋼焊縫中不僅超聲衰減大，而且在焊接金屬內部或焊接金屬與母材交界面上都會產生晶界回波，SCC的判定也要考慮反射源的位置，不能因此誤判漏判[3]。

圖1 有應力腐蝕裂紋（SCC）的管焊縫典型結構

用超聲圖像來判別SCC的技術，早在上世紀70年代就已開發；80年代，還有人發表用超聲自動探傷成像來判別SCC回波與形狀回波的實驗論著[4]。近年來，隨著技術的發展，探傷圖像愈加精細。這方面最突出的是用相控陣（PA）技術獲取的探傷圖像，它靠電子方式使超聲波束進行掃查，而不銹鋼管道焊縫的裂紋測高資格評定考試，規定要使用相控陣技術[5，6]。這在專業標準中已明文引用，有關超聲缺陷定量技術的新著[7]對相關原理和應用案例也作了介紹。但是，現在對超聲圖像的應用，技術支撐以專業標準為主[8]，由探傷圖像來判別SCC并對之測高的方法，標準只著眼于操作者的技能，而對詳細的定量評定工藝一般還未到位。

為此，依據權威法規基于斷裂力學驗收標準的UT要求，本文側重于依據超聲圖像，就不銹鋼管道焊縫中發生的SCC的檢出以及測高的過程和技術，綜述迄今為止所積累的相關知識和實踐經驗，并給出用相控陣技術在有SCC的試件上進行檢測和定量的示例，歸納出從檢測波型選定到圖像評定方法的整個程序要領。

1 焊接試樣管和檢測裝置

所使用的SCC焊接試樣管和檢測裝置如下：

1.1 焊接試樣管

為模擬沸水反應堆核電設備中口徑管道，特意在與實物一樣的高溫、高壓水中，在外徑350mm、壁厚25mm的SUS316不銹鋼管焊縫中制作了應力腐蝕裂紋（SCC），以此作為NDE定量試驗的焊接試樣管。試樣管做好后，在內壁作了滲透檢測（PT），其結果如圖2所示。圖2中標出了檢測部位和試樣管位置關系。SCC位于焊縫根部兩側熱影響區及A側母材區，A側熱影響區的SCC在（＋）端面不開口，在（－）端面延伸到外表面[參照圖7（C）]。

圖2 焊接試樣管內表面SCC分布示圖

1.2 超聲檢測設備系統

本文所給出的探傷和測傷實例，使用以下超聲檢測設備系統：

1）相控陣檢測儀：OmniScan MX PA（Zetec）

2）相控陣探頭：5K0.6（0.5/0.1）×10-16（KGK）

3）解析軟件：UltraVision 1.1Q5（Zetec）

以上組合是近年來用相控陣技術進行無損檢測的標準化設備系統。

2 數據采集方法

2.1 掃查方法

相控陣檢測能使超聲波束進行E掃（電子線掃）、S掃（扇形掃）和深度聚焦等動作。管道焊縫的相控陣檢測，一般采用使超聲波束一邊對準焊縫作S掃，一邊沿管道軸向作D掃的方法。具體細節如下：

1）掃查軸：即管軸方向，數據采集間距1mm，按探頭-焊縫中心線距離110mm的范圍，進行探傷。

2）步進軸：即管子周向，步進間隔1mm，在圓周方向上，以離試樣管（－）端10mm的位置為基點（0點），按90mm的區段，進行探傷。

3）探傷波型：橫波，縱波，可變換楔塊轉換。

4）扇形掃查：30°～70°，數據采集間隔1°。

5）掃查裝置：管子探傷用X-Y掃查器。

從試樣管A側進行探傷時，探頭掃查布置與探傷三向視圖（B、C、D型顯示）的關系，如圖3所示。本文所述探傷圖像，均為使用可記錄探頭位置信息的相控陣裝置，所獲取的三維顯示：B型顯示——掃查方向的橫斷面圖像，C型顯示——作為俯視圖的平面圖像，D型顯示——與掃查方向相垂直的縱斷面圖像。

圖3 掃查布置和三向視圖釋義

2.2 靈敏度的校正

按專業標準和行業標準[1，2]，靈敏度校正以標準反射體為基準，但裂紋測高時還要仔細觀察回波，并采用以噪聲水平為基準的方法[1]。

這里，基于注重圖像數據的理念，靈敏度的設定是將SCC易發生部位即管子內表面附近的材料噪聲回波高度調為約5%滿屏高。此法缺點是：為確認材料噪聲水平，要先作預備探傷，但也有下述優點：將材料噪聲水平控制為5%，則可將顯示器屏高5%～100%即Δ=26dB的范圍作為SCC回波、形狀回波、焊縫缺陷回波等顯示范圍，因此可最大限度發揮波高顯示動態范圍的性能（相應彩碼顯示色調范圍也大）。

3 圖像評定方法

3.1 PA數據質量的確認

為避免因檢測不當引起無用的再檢測，在數據采集過程中及采集后，應對采集數據的質量及時確認。圖4即為用橫波檢測時對B顯示和C顯示作質量確認的示例。

圖4 PA圖像質量的確認（C顯示和B顯示）

圖4 （a）的C型顯示圖像表明PA數據采集質量良好。焊縫附近約20mm范圍內，靈敏度有點變化，但總體色調大致均一，SCC開口處圖像也未見有異常斷續狀態。圖4（b）所示SCC試樣管規格與圖2所示相同，但PA數據采集質量不佳。這是由于探傷速度太快引起數據缺失以及探頭耦合不良造成的。另外，還可看到因掃查位置偏移引起SCC和焊根圖像歪曲的現象。

對S掃的B型顯示，可根據各種回波的顯示位置，來評價PA數據適當與否。圖4（c）示例說明，在離焊縫中心線近側約6mm的位置，內表面附近出現回波，可根據其位置判斷為SCC開口處回波。注意，單面焊焊根因其前面有SCC遮擋，回波圖像不可見，但整個B顯示圖上，SCC上下端部回波明顯（尤其是SCC上端部由一次反射波產生的“鏡像”顯示），故據此可判定數據質量合適。

3.2 探傷圖像及其評定方法

●3.2.1 C型顯示

探傷數據的評價，先得從確認SCC有無開始。圖5表示試樣管從A側作縱波探傷時所得B型和C型顯示。對B型顯示，先要確認表層盲區深度范圍和管內表面位置，由此再確定C型顯示中壁厚方向的聲透視范圍。聲透視壁厚范圍較大時（5mm～30mm），如圖5中間的C型顯示所示，聲透視范圍內的所有回波有可能重疊，以致干擾評定。若將聲透視范圍設定為管子內表面附近（24mm～28mm），則可觀察SCC開口處情況。

圖6比照了用橫波探傷、壁厚方向聲透視范圍為24mm～28mm的C型顯示與PT結果。C型顯示中含有部分PT不能檢出而SCC開口處形狀卻能正確顯示的區域。與圖5所示縱波探傷圖形相比，此時因橫波波長較短，故圖像分辨力較高。

圖5 C型顯示壁厚范圍和SCC情況

圖6 橫波檢出的SCC分布狀態與PA結果比照

●3.2.2 B型顯示

從B型顯示可看到橫波與縱波的圖像顯示不同。圖7示出了從試樣管A側（－）端作軸向探傷時所得B型顯示和端面的PT照片。此SCC沿焊縫熱影響區延伸，直到表面。圖7（a）是橫波探傷所得B型顯示，用一次波可檢到SCC開口處回波和SCC部分反射面；特別是SCC因向超聲入射方向傾斜，用二次波掃查，SCC反射面與聲束接近垂直，故能檢出更大的高度范圍。圖7（b）是用縱波檢測，用一次波掃查，能檢出SCC開口處，以及比橫波檢出高度范圍更大的SCC反射面。而且，因SCC貫穿壁厚直達表面，反射面甚大，故還能檢出到復雜的變型波回波。

圖7 A側（－）端B型顯示和PT照片

圖8 是從試樣管A側（＋）端作軸向探傷所得B型顯示和端面及內面的PA照片。A側（＋）端焊縫熱影響區的SCC，在端面并不開口，但其端點還在探傷范圍內，故能被檢出。圖8（a）是用橫波檢測所得B型顯示，母材區SCC開口處和端部回波，還有焊縫熱影響區附近SCC開口處回波和焊根回波均可被檢出。而且，母材與焊接金屬的交界面及管子內表面均有一定顯示，SCC與焊縫的位置關系也很好看出，故SCC易于判別。圖8（b）是用縱波檢測所得B型顯示，母材區SCC開口處和端部以及中間，均有回波檢出，故SCC端部更易識別。焊縫熱影響區附近，SCC開口處回波雖可檢出，但因焊根回波與變型波重疊，就不好判別。

圖8 A側（＋）端B型顯示和試樣管內表面PT照片

圖9 的B型顯示是從試樣管B側探測A側（－）端的貫穿性SCC所得結果。圖9（a）的橫波檢測圖像，只檢出B側SCC開口處回波和A側外表面附近的SCC；而在圖9（b）的縱波檢測圖像中，B側SCC開口處回波和A側貫穿焊接金屬的SCC反射面大部分均可顯示。換言之，縱波在奧氏體不銹鋼焊縫中的超聲穿透性比橫波好，由此可見，SCC的端部無論在焊縫中或焊縫對側，均需使用縱波檢測。

圖9 焊縫金屬檢測的B型顯示

●3.2.3 D型顯示

基于與上述B型顯示相同的理由，D型顯示也示出用橫波和縱波檢測的不同圖像。圖10是A側探得的D型顯示。管軸方向的聲透視范圍，因只顯示焊縫熱影響區的SCC，故取A側20mm的范圍。由D型顯示可見SCC自高的大致分布（橫波和縱波檢測，圖中均用虛線表示）。但橫波和縱波對SCC高度的檢測顯示不同。換言之，用橫波檢測時，如圖10（a）所示，用一次波（0.5S）和二次波（1.0S），均可獲取SCC的高度分布。因此，SCC沿焊縫熱影響區延伸時，用二次波獲取自高分布的可能性大。但當為不銹鋼時，應注意：如圖11 所示，SCC向焊縫金屬伸展時，往往是尖端到達焊縫金屬，而橫波不能穿過焊縫內部，故橫波不能準確獲取缺陷自高分布。另一方面，如圖10（b）所示，用縱波檢測時，應在無變型波存在的一次波掃查范圍內，觀察SCC自高。

圖10 A側橫波和縱波檢測D型顯示

4 SCC測高

4.1 測高方法

在D型顯示上確認SCC的自高大致分布后，即可對其進行測高。目前最可靠的SCC測高方法是端部回波法，但在PAUT用彩碼色調表示的B型或D型顯示圖上，要找到端部回波高度最大點，有點難度，故多需再生A型顯示，用與一般手工探傷相同的步驟進行測高。此時，在A型顯示圖中，與SCC端部回波混雜一起，還有多種反射源引起的回波，故SCC端部回波的識別相當重要。圖11即為PD（Performance Demonstration操作演示）資格考試中應試者會碰到的各種回波發生源示例[5，6]。

圖11 SCC測高時觀察到的多種干擾反射源

注：圖中SCC頂端和根部是測高有用反射源，其余是測高干擾反射源。

為識別端部回波，手工探傷時，要根據由SCC形態特征產生的SCC回波動態特性[4，8]。作為SCC的回波動態特性，可如下觀察：

（1）SCC有長度，應使超聲波束對準SCC，令探頭沿SCC長度方向移動時，端部回波聲程和回波高度會緩慢變化。

（2）使超聲波束對準SCC，令探頭對SCC作前后掃查時，A型顯示上的端部回波會一邊改變幅度，一邊在時間軸上移動。

由圖像判別SCC，一般可依據相同的知識，不用手動法移動探頭來觀察回波動態特性，而是根據圖像的移動，如下所述：

4.2 由線性B型顯示判別端部回波

圖12是A側探傷時，由縱波45°線性B型顯示判別端部回波的示例。其中，圖12（a）是管子周向位置40mm～43mm的聲透視B型顯示，圖12（b）是周向間隔各1mm的4個并列的B型顯示。圖12（a）中作為噪聲顯示的回波只出現在42mm位置，而SCC端部和開口處顯示的回波形態稍有變化，但圖像顯示位置大致相同，有一定尺寸，可判為缺陷回波。與回波高度無關，使回波圖像沿SCC長度方向連續移動時，大致不在同一位置出現的回波，應是小反射源產生的反射波，可判為無意義。

圖12 由線性B顯示識別SCC端點

4.3 由中心B型顯示判別端部回波

圖13是在試樣管A側周向位置42mm處，探頭沿管子軸向掃查時，縱波30°～70°的中心B型顯示的連續畫面。圖13中Y是探頭位置水平距離，Y=110mm是焊縫中心線。圖13中①所見只是SCC開口處回波，圖13中②有SCC端部回波顯示，圖13中③～⑤表示開口處回波與端部回波稍有變化，移動時相對位置保持一定。圖13中⑦～⑨可看噪聲回波，但不隨探頭動作聯動，只是點狀出現并消失。這種回波在A型顯示中聲程不變，只是波高上下跳動的回波，故不會看成缺陷回波。

以上所述B、C、D型顯示，均取聲束角度為45°的線性探傷圖像。圖13中③的SCC開口處、④的SCC端部回波圖像，顯示最清楚，因兩者均處于折射角45°的聲線上，由此可確認聲束角度設定正確。若SCC端部回波在其它聲束折射角下也能清楚顯示，則也需在該折射角下作再評價。

圖13 由S掃B型顯示識別SCC端部

5 讀圖測傷法

綜上所述，對SCC用相控陣檢測圖像進行檢測和測深測高的程序，可用圖14“七步法”流程圖表示。基于折射角45°的相控陣聲場與一般角度固定的斜探頭（45°）聲場大致相同[9]，該流程圖也適用于45°固定角度探頭產生的超聲檢測圖像。

圖14 SCC檢測和定量流程圖

第一步：波型選定。

以SCC檢出為主時，推薦用橫波檢測，因不會出現變型波，對垂直方向成長的缺陷，檢出靈敏度高，能提供信噪比（S/N）高的顯示圖像。而且，對管子內表面、母材與焊縫金屬交界面，橫波比縱波檢測效果好，利于對SCC的判別。

另一方面，對SCC測高時，縱波比橫波有利，因前者易于得到SCC 端部和SCC面的反射波。當懷疑SCC頂端在焊接金屬內，或聲束要穿過焊接金屬檢測時，就有必要用縱波探傷。但縱波探傷會產生各種變型波，以致探傷圖像變得復雜，故要求操作者有比橫波探傷更熟練的技能。

第二步：UT靈敏度設定和注意事項。

靈敏度高的UT，材料噪聲較多，圖像難于觀察。為使圖像層次顯示特性得以充分發揮，靈敏度的設定最好將管子靠近內表面的材料噪聲水平調為滿屏高5%。由掃查裝置齒隙引起的在掃查軸方向發生的位置偏移，會導致B顯示上看到的圖像分辨力降低，C顯示上的掃查圖像也會發生偏差。因此，掃查裝置的齒隙最好控制在掃查軸數據采集間距之內。檢測過程中，以及檢測結束后，還應對數據質量進行可靠校核確認。應確認項目包括：接觸不良引起的探傷靈敏度不足，探傷基準點的設定偏差，探傷速度過快引起的數據缺失，以及掃查位置的偏差。

第三步：由C顯示確認有無缺陷。

第三步的C顯示和第四步的B顯示，通常同時在監控畫面上出現，可進行比照。評價時，使用45°的線性圖像。先在C顯示上對整個壁厚確認有無缺陷（靠近探測面的盲區除外）。確認試件無制造時產生的缺陷后，也可以SCC檢出為目的，僅限于在底面附近進行搜索確認。此時，C顯示的壁厚方向聲透視范圍，應考慮由探測面凹凸引起的壁厚變化，以及由焊接引起管子內面形狀的變形，設定在底面上下幾毫米的范圍內。

第四步：由B顯示確認有無缺陷。

對B型顯示，先在C顯示判斷無缺陷的部位，作一個斷面圖，確認管子內表面、焊接金屬與母材交界處及焊根位置。在一個斷面上，管子內表面、焊接金屬和觀察范圍，橫波檢測時取一次波和二次波的范圍，縱波檢測時取一次波的范圍。

第五步：由D型顯示觀測SCC的大致高度。

為觀測SCC的大致高度，在D型顯示上，將管軸方向的聲透視范圍，集中在SCC發生部位附近，評定就較容易。此聲透視范圍，可考慮從焊縫到母材側10mm的范圍。SCC有高度時，應確認其大致分布。

第六步：端部回波的判定。

端部回波的判定，要使S掃B顯示子在管軸方向移動，從而判別SCC端部。若儀器性能不能使用S掃B顯示，則可使線性B顯示畫面沿管周方向移動，由此判定SCC端部。在S掃B顯示沿管軸方向移動過程中，若最能清楚顯示疑缺陷回波的折射角不是45°，則應使用該折射角掃出B、C、D顯示，進行再評定。

第七步：SCC測深測高。

在A顯示上掃出SCC探傷圖形，用手動探傷使探頭沿管軸方向移動，觀察波形，并移動波形，評定使端部回波最高的一點。判定方法與手動探傷同。此操作，與第六步的S掃B顯示或線性B顯示和A顯示圖像同時顯示，比照相關圖像，較好。此外，按第一步選定橫波、檢出SCC時，為掃查焊接金屬內的情況，應返回第一步作縱波探傷。

6 結論

對不銹鋼管焊縫中產生的應力腐蝕裂紋（SCC），推出了用超聲圖像——三視圖進行檢出和測高的工藝。所推出的工藝，以使用相控陣技術為前提，涉及內容包括探傷波型的選定到圖像的評定方法。此工藝除使用S掃B顯示外，也可用于一般45°固定角度的探傷圖像的評定。

對該法所得探傷圖像的評定方法，結論如下：

1）用橫波檢測，優點是S/N比高，易得SCC開口處回波，也易得母材與焊接金屬交界處及管內表面回波，對SCC檢出有利。母材界面不能確認時，往往也可通過透視幾個斷面，從而突出管內表面、焊接金屬與母材交界處顯示。對缺陷有無的確認，可擴大管周方向聲透視范圍，較有效；若有幾個缺陷存在，圖5的B顯示圖像較復雜，可適當分區評定。聲透視范圍偏大，且SCC靠近焊根時，因圖像重疊，SCC有可能漏檢。在C顯示上，焊根顯示幅度比其它部位較寬時，SCC與焊根圖像有可能重疊，應按小于晶片寬度的間隔，評定B顯示。

2）用縱波檢測，優點是易得到SCC裂面和端部回波，且超聲對焊接金屬內的穿透性好，有利于測高。但會出現變型波回波，對探傷圖像的評定要求熟練。

3）D型顯示，以往文獻對其活用方法幾乎無甚記述，本文提出利用D顯示適當選定聲透視范圍，可獲取SCC自高的大致分布。

4）通常用橫波檢測的端部回波法，從測定精度方面來說，側重于用一次波法。但端部回波往往用二次波法比一次波法得到的明顯。因此，在用橫波檢測的D顯示圖上，評定時不僅要觀察一次波的回波，還要注意觀察二次波的回波。

有關本最新國際動態涉及到的計算機成像技術物理基礎、技術背景、系統校驗及相關圖像評析方法，詳見參考文獻[9-10]。

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SCC Detection and Quantification— Interpretation of three Types of PAUT Display

Li Yan
(NDT Subcommittee of Wuxi Boiler and Pressure Vessel Society Wuxi 214026)

In order to meet the code requirements on a fracture mechanics based acceptance criteria, the latest development of a PAUT image-based data evaluation procedure for detection and quantification of SCC (Stress Corrosion Cracking) is presented. The data evaluation processes and techniques based on ultrasonic images using three types ultrasonic display is expatiated, including cross-sectional views ( B-scan ), plan views ( C-scan ) and end views ( D-scan ). The explanations of the data evaluation techniques are supported by the phased array data taken on a test sample with SCC. The developed procedure emphasizes the importance of the following three major factors, i.e.: 1) the wave mode selection for precise reconstruction of SCC images; 2) SCC tip echo identification to avoid false judgment; 3) the end view for estimating SCC depth contour. The intention is to provide a reference for the in-service NDE and quantity evaluation of pressure equipment in our country.

Phased array ultrasonic testing（PAUT） Welded joints Stress corrosion cracking (SCC) Phased array Three directional displays Image interpretation

X924.2

B

1673－257X(2015)11-0041-09

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.11.009

李衍(1940～), 男，高級工程師，NDE責任工程師，從事無損檢測技術研究工作。

2015-06-30）