論靈敏度對鍛件超聲檢測有效性的影響

張佳銀 姬 釗 王廣坤 王闊忠

（1.中特檢檢測科技（北京）有限公司 北京 100029）（2.北京航星機器制造有限公司 北京 100029）

現有超聲檢測文獻和標準中，在單晶直探頭超聲檢測鍛件時有關靈敏度的確定和應用方面，存在要求不一致、可操作性不強的表象問題，進而引發漏檢鍛件中相關缺陷的隱形問題。

本文通過溯源“靈敏度”相關概念定義的本意，針對單晶直探頭超聲檢測鍛件，采用類比的方法，效仿焊接接頭超聲檢測時的相關規定，引入全新的確定“基準靈敏度”、“掃查靈敏度”及“有效靈敏度余量”的方法，破解現行靈敏度確定方法難以確保檢測有效性的困局。

1 現行靈敏度規定對檢測有效性的影響

1.1 現有文獻中靈敏度的相關規定對檢測有效性的影響

現有文獻中，當采用單晶直探頭檢測鍛件時，無論是試塊法還是底波計算法，都是將最大聲程處平底面回波或規定大小的人工反射體最高回波調整到顯示屏滿刻度的某一高度（通常稱此高度為基準高度，如80%或60%），試塊法時再加入試塊的表面狀態、掃查面形狀和材質衰減與被檢工件的差異引起的傳輸修正值后，底波計算法時再增益定值ΔdB后，即為檢測靈敏度調整好了；掃查時還常將調整好的儀器靈敏度再提高4～6dB，作為掃查靈敏度。

通過仔細分析，上段表述存在下面主要問題：

1）從字面上分析，雖說明了“掃查靈敏度”和“檢測靈敏度”的確定方法，但完全找不出“基準靈敏度”的蹤跡，也不知“檢測靈敏度”與“基準靈敏度”是何關系，概念上完全混亂。

2）“掃查靈敏度”的表述不具備可操作性。因為當需要對缺陷定量時，還應將掃查時增益的分貝數扣除，如此規定，不僅給操作者增加了工作量、提高了操作的復雜程度，也勢必造成操作者出現錯誤的概率增加。屬畫蛇添足的規定，得不償失。

3）“掃查靈敏度”的表述存在技術風險。基于基準高度設置為80%或60%這個前提，掃查時的靈敏度是相當高的，從而將產生以下不良影響：

（1）靈敏度太高，必然造成儀器始波占寬變大，進而導致檢測面盲區變大、漏檢盲區內缺陷的風險變大。

（2）靈敏度太高，必然造成信噪比降低，進而導致檢測系統發現小缺陷的能力下降、漏檢工件中較小缺陷的風險變大。

（3）靈敏度太高，必然造成在掃查靈敏度條件下掃查時，由缺陷引起的底波降低量將無法被觀察到的情況。

1.2 現有相關標準中靈敏度的相關規定對檢測有效性的影響

本文所指現有標準，均以NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測 第3部分 超聲檢測》為例。

1）“基準靈敏度”與“掃查靈敏度”的確定方法。

標準給出的“單晶直探頭基準靈敏度的確認”方法中，沒有規定將最大聲程處規定大小的人工反射體最高回波調整到多高的基準高度，“掃查靈敏度”的規定也是“一般應比基準靈敏度高6dB”。這樣的規定，與它們各自的定義完全不相符合，同樣缺乏可操作性和存在技術風險，不再贅述。

2）“有效靈敏度余量”的規定。

現行的有效靈敏度余量的規定缺乏可操作性，對檢測操作的有效性是失控的：

（1）沒有明確“掃查靈敏度條件下”這個前提條件；

（2）沒有明確“所探工件的最大檢測聲程”處的規定大小反射體的回波高度；

（3）沒有明確儀器顯示屏電噪聲水平這個限制條件，實際操作時無法考量。

3）舉例說明。

例題：被檢工件為厚度200mm的方形鋼制鍛件，且具備采用底波計算法檢測的所有條件；所用探頭型號為2.5P20Z；靈敏度要求為檢出200mm處大于或等于φ2mm平底孔當量缺陷。

（1）確定基準靈敏度的方法。

依據現行標準的規定，此被檢鍛件可以采用底波計算法來確定基準靈敏度。

（2）調整基準靈敏度和掃查靈敏度的方法。

依據現有超聲檢測文獻和現行標準的規定，對基準靈敏度和掃查靈敏度應進行如下調整：

首先將鍛件中完好部位第一次底波（B1）調整到某一基準高度，現假設基準高度為顯示屏滿刻度的80%，再將儀器增益38dB，即為基準靈敏度調整好了。此時基準靈敏度的含義為：距檢測面200mm處φ2mm平底孔反射波幅度應為顯示屏滿刻度的80%，也就是說此時的底面回波比顯示屏80%滿刻度（基準高度）高出38dB；

再將此時調整好的基準靈敏度增益6dB后，即為掃查靈敏度調整好了。此時掃查靈敏度的含義則為：掃查時的底面回波高度，應處于比顯示屏80%滿刻度高出38+6=44dB的狀態。

（3）實施檢測時對檢測的可操作性、有效性影響分析。

①用掃查靈敏度進行掃查時，當需要對發現的缺陷信號進行定量時，必須將儀器增益降低6dB后才能進行。這種方法非常不適應現場操作的實際。

②用掃查靈敏度進行掃查時，儀器顯示屏上始波占寬有可能較大，檢測盲區也將增大，則檢測覆蓋的區域將減小，檢測的有效性降低了。

③用掃查靈敏度進行掃查時，即使此時有效靈敏度余量滿足規定的要求，也無法確定儀器的信噪比處于何種程度，尤其檢測大厚壁鍛件時，信噪比是必須需要考慮的一個重要指標，若信噪比太低，則實施的檢測是無效的，而現行的檢測標準中是沒有量化的考核指標的。

④存在漏檢底波降低類缺陷的技術風險：

查看NB/T 47013.3—2015標準中“表11 鍛件超聲檢測缺陷質量分級”，可以得到表1。

表1 鍛件超聲檢測由缺陷引起的底波降低量質量分級

具體舉例分析情況見表2。

表2 超聲檢測鍛件中由缺陷引起的底波降低量缺陷的檢出性分析

2 從靈敏度相關規定入手解決檢測有效性的方法

超聲檢測系統的有效性，從所用資源條件上分析，主要取決于檢測系統有效靈敏度余量的合規性，而檢測系統的合規性由掃查靈敏度條件下儀器達到的狀態所決定，掃查時儀器的狀態則與基準靈敏度的調整方法直接關聯的。按此邏輯關系推論可知，基準靈敏度和掃查靈敏度的調整方法，是影響超聲檢測系統有效性的前提條件。

2.1 單晶直探頭檢測鍛件時調整靈敏度的全新方法

通過研讀超聲檢測方面的文獻和標準，筆者認為，它們在針對焊縫檢測時所提出的調整“基準靈敏度”和“掃查靈敏度”的方法，是最符合不同檢測階段靈敏度本意的，也是最符合超聲檢測實際應用需求的。具有很好的引領和示范作用，值得借鑒。

1)采用單晶直探頭時“基準靈敏度”的確定方法。

根據被檢工件厚度選擇適用的試塊，依此測試一組不同檢測距離的規定大小的平底孔（至少3個），制作單晶直探頭的距離-波幅曲線。當把該曲線中與工件厚度相同的水平位置處曲線高度，調整到至少儀器顯示屏滿屏高度的20%作為基準高度時，此曲線即為調整好的基準靈敏度。若被檢部位的厚度大于或等于探頭的3倍近場區長度、具有平行底面或圓柱曲底面且底面光滑無銹蝕時，也可以采用底波計算法確定基準靈敏度。

2）采用單晶直探頭時“掃查靈敏度”的確定方法。

底波計算法確定的基準靈敏度即為掃查靈敏度。

試塊法確定的基準靈敏度，再加入試塊的表面狀態或/和表面形狀或/和材質衰減與被檢工件的差異引起的傳輸修正值，即為此時的掃查靈敏度。

3）采用單晶直探頭時“有效靈敏度余量”的確定方法。

掃查靈敏度條件下，當被檢工件最大厚度處規定大小反射體的回波高度達到顯示屏滿刻度20%且顯示屏電噪聲信號低于屏滿刻度的10%時，檢測系統有效靈敏度余量應不小于10dB。

2.2 舉例說明

1）調整基準靈敏度和掃查靈敏度的方法。

例題與前面所舉相同，確定基準靈敏度的方法也是一樣的，只是調整基準靈敏度和掃查靈敏度的方法做出了改變，具體如下：

將鍛件中完好部位第一次底波（B1）調整到顯示屏滿刻度的20%作為基準高度，再將儀器增益38dB，即為基準靈敏度調整好了。此時基準靈敏度的含義為：距檢測面200mm處φ2mm平底孔反射波幅度應為顯示屏滿刻度的20%，也就是說此時的底面回波比基準靈敏度高出38dB；

此時調整好的基準靈敏度即為掃查靈敏度調整好了。

由此可見，全新的調整基準靈敏度和掃查靈敏度的方法與現行的調整方法相比，其最大的區別一是將基準高度由80%或60%降低到20%，二是完全拋棄了“掃查靈敏度一般應比基準靈敏度高6dB”的說法，其根據就是直接移植了焊縫超聲檢測時的相關規定，這種改動的正確性無須懷疑。

2）檢測實施的可操作性、有效性影響分析。

（1）用掃查靈敏度進行掃查時，當需要對發現的缺陷信號進行定量時，無須再將儀器增益降低6dB后才能進行，減少操作者在實施檢測時的操作環節。

（2）用掃查靈敏度進行掃查時，在操作者有效執行了掃查速度和探頭覆蓋率規定的前提下，缺陷的檢出率是可以得到充分保證的，且此時儀器顯示屏上始波占寬肯定要小一些、信噪比要高一些，實施檢測的有效性可以大大提高。

（3）用掃查靈敏度進行掃查時，此時儀器顯示屏的電噪聲信號應低于屏滿刻度的10%。顯然，此時可以做到用量化指標來考查檢測系統的有效性了，一旦考查不符合，則可以通過更換探頭或儀器重新進行調整，直至符合要求。

（4）一次掃查有可能檢出鍛件中包括底波降低類缺陷在內的所有類型缺陷：

具體應用舉例分析情況見表3。

表3 超聲檢測鍛件中由缺陷引起的底波降低量缺陷的檢出性分析（改進后）

3 結束語

對于檢測系統有效性的要求，現有書籍和現行標準都涉及得較少，本文認為有必要對此做出強制規定。可采用將有效靈敏度余量指標納入檢測工藝卡中相關因素的控制范疇的做法，并應在工藝卡首次使用時進行驗證，以證實所用檢測系統的有效性。

[1]鄭暉，林樹青. 超聲檢測[M]. 北京：中國勞動社會保障出版社，2008：175-187.

[2]NB/T 47013.3—2015 承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測[S].

[3]JB/T 9214—2010 無損檢測 A型脈沖反射式超聲檢測系統工作性能測試方法[S].