ISO相控陣超聲檢測焊縫驗收等級解讀

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(1.上海材料研究所，上海 200437；煙臺中集來福士海洋工程有限公司，煙臺 264000)

隨著電子處理技術能力與換能器制造水平的提高，相控陣檢測成為近年來發展比較迅速的無損檢測技術。相控陣超聲檢測已廣泛地應用于航空航天、核電設備、承壓設備、船舶海工等領域中。通過特定的設置，相控陣可以檢測復雜幾何形狀或可接近性受限的工件。相比常規超聲檢測，相控陣對缺陷的檢出和定量有一定的優越性。

我國于2016年頒布了GB/T 32563《無損檢測-超聲檢測-相控陣超聲檢測方法》。國際上，焊縫相控陣超聲檢測標準有ISO和ASME(美國機械工程師協會)兩大體系,各有特點。2012年ISO頒布了ISO 13588《焊縫無損檢測-超聲檢測-使用自動相控陣技術》。ASME《鍋爐與壓力容器規范 第五卷:無損檢測》也在時隔兩年后進行換版，最新2017版對相控陣檢測方法提出了較多的要求。雖然有了相控陣檢測方法標準，但各個體系都沒有明確的驗收標準，使得焊縫相控陣檢測的應用受到了限制。直至2017年8月，才有了第一個焊縫相控陣超聲檢測的驗收標準——ISO 19285《焊縫無損檢測-相控陣超聲檢測-驗收等級》。筆者對這個新標準進行了介紹和解讀，對其關鍵技術要求進行了分析。

1 適用范圍

與其他專業標準一樣，此標準規定了適用范圍。其適用于最低厚度6 mm的鐵素體鋼全熔透焊縫的相控陣超聲檢測驗收等級，該驗收等級對應ISO 5817《焊接-鋼、鎳、鈦及其合金的熔化焊接頭(束焊除外)缺欠質量等級》的相應級別。這些驗收等級適用于根據ISO 13588進行焊縫檢測發現指示的等級分類。

2 等級

標準涉及了質量等級、檢測等級、驗收等級、評估等級、參考等級和記錄等級等。

質量等級按照ISO 5817給出。焊縫質量等級劃分是根據焊縫中存在缺欠的類型、尺寸及數量，將其分為B級，C級和D級的，B級表示最高的質量要求。

檢測等級按照ISO 13588給出。檢測等級劃分是根據焊縫等級要求以及檢測難易程度，將其分為A級，B級，C級和D級的。

驗收等級按照ISO 19285給出。驗收等級劃分是根據焊縫等級要求，將其分為1級，2級，3級的。ISO標準質量等級、檢測等級、驗收等級的相互關系如表1所示(驗收等級1的接收標準只適用于基于長度和高度的評定)。

表1 ISO標準相控陣超聲檢測相關等級

在ISO 17640《焊縫無損檢測-超聲檢測-技術，檢測等級和評估》標準中提出了設置靈敏度的4種技術，參考等級是靈敏度設置時的參考值。評估等級與驗收等級相關，超過評估等級的指示才需要進行評估。記錄等級與驗收等級相關，對應于相應的驗收等級，記錄等級比相應驗收等級低4 dB,在評定前，應確認相應的驗收等級和記錄等級。

3 指示評定驗收方式

依照ISO13588要求檢出的指示，其評定按照ISO 19285存在以下兩種驗收方式：

(1) 根據ISO 19285第七條測量指示的長度和高度，然后用ISO 19285第九條進行驗收。

(2) 根據ISO 19285第八條測量指示的長度和最大波幅，然后用ISO 19285第十條進行驗收。

具體使用哪種方式應在使用的檢測程序中指定。

3.1 按測量的長度和高度驗收

長度確定的方式有兩種：

(1) 單個指示的長度應使用ISO 11666《焊接無損檢測-超聲波檢測-驗收等級》中描述的方法測量，測量時使用能提供最大波幅的聚焦法則；

(2) 使用衍射時差法(TOFD),指示長度的測量應根據ISO 15626《焊縫無損檢測-衍射時差法超聲檢測技術(TOFD) 驗收標準》中描述的方法測量。

如果是其他情況，可以按照檢測等級D，采取協商決定測量方式。

沿長度方向上高度應由最大范圍掃查位置的高度來確定。高度的確定方式有兩種：

(1) 使用衍射信號。如果可以觀測到衍射信號，應使用它來確定高度，高度應根據ISO 15626描述的方法來測量。可由以下方法中的一種來確定高度：① 來自同一不連續的可觀察到的兩個衍射信號(上尖端和下尖端)；② 來自同一不連續的可觀察到的一個衍射信號和一個表面信號；③ 對于與根部區域相連的不連續，可用一個衍射信號和已知壁厚確定；④ 對于表面開口不連續，可用一個與表面相關的衍射信號確定。

(2) 使用其他信號。如果高度無法用衍射信號測出，則高度的確定應基于以下方法中的一種進行。① 使用ISO 11666中描述的，利用參考等級的波幅進行比較，也可使用其他定量技術(時間增益修正法、距離增益尺寸法,6 dB法)；② 使用反射體信號的飛行時間(如根部中空，錯位)；③ 使用波形轉換信號的飛行時間。

長度和高度確定以后，應根據指示的驗收等級和驗收標準對指示進行評估。對于兩側厚度不同的焊縫接頭，以其中的較薄厚度作為主導來進行驗收。

單個指示的驗收。對于單個指示，1級驗收標準在表2列出，2級驗收標準在表3列出，3級驗收標準在表4列出。

表2 單個指示1級驗收標準 mm

表3 單個指示2級驗收標準 mm

表4 3級驗收標準 mm

多個指示的驗收。對于多個指示，首先應確定累計長度，確定累計長度時不考慮點狀指示。所有超過記錄等級的單個可接受指示的累計長度被規定為在指定的焊縫長度內所有單獨指示的長度及線性排列指示的組合長度的和。

(1) 對于每個單組設置的多個指示累計長度

當壁厚t≤50 mm時，對于沿著焊縫12t長度內的單個可接受指示的累計長度應該不大于：① 驗收等級1,3.5t，最大150 mm;② 驗收等級2,4.0t，最大200 mm;③ 驗收等級3,4.5t，最大225 mm。

當壁厚t>50 mm時, 對于沿著焊縫長度內的單個可接受指示的累計長度應該不大于：① 驗收等級1,10%焊縫長度，最大500 mm;② 驗收等級2,10%焊縫長度，最大600 mm;③ 驗收等級3,10%焊縫長度，最大700 mm。

(2) 當按照ISO 13588的C級檢測時，要求使用兩組設置，對于多組設置，在另一組發現指示時，復合指示的最大總長度不超過單組設置要求的多個指示累計長度限值的1.5倍。

指示編組的驗收。指示的編組應基于單個指示的尺寸以及指示的間距。一個編組的長度和尺寸將不可用于進一步編組。編組時不考慮點狀指示。

(1) 出現下列情況時，一個指示的編組可作為單個指示：沿著焊縫的兩個指示之間的間距小于較長指示的長度，并且兩個指示在焊縫厚度方向上的間距小于高度較大指示的高度。指示編組作為單個指示，按照單個指示的要求進行接收或拒收的判定。

(2) 對于一個指示編組，總高度hg定義為單個指示的高度加上其之間的間距的總和，總長度lg定義為單個指示的長度加上其之間的間距的總和。指示編組的尺寸如圖1所示，圖中h為指示1,2,3的最大高度;l為指示1, 2,3的最大長度;hg為指示編組的總高度；lg為指示編組的總長度。圖1中的指示2和3應作為一個指示編組，因為其在x方向的間距小于l，且在z方向間距小于h。指示1不包含在指示編組中，因為在厚度方向的間距大于h。

圖1 指示編組的尺寸

點狀指示的驗收。點狀指示是指在任何方向都沒有明顯延伸的指示，可能由衍射或反射引起。在任何150 mm焊縫長度內，點狀指示的最大數量不超過式(1)給出的值。

N=1.2t

(1)

式中：N取較大的整數。

3.2 按測量的長度和最大波幅驗收

使用ISO 19285附錄B中規定的絕對靈敏度法，采用固定波幅水平技術，通過測量沿著焊縫方向上波幅高于評估等級的距離來確定指示的長度。為了測量尺寸，用波束掃查這些指示(見圖2，圖中l為測得的指示橫向尺寸;1, 2指示波幅等于評估等級的位置;a為最大回波;b為評估等級)，標出指示波幅下降到評估等級的探頭位置和波束路徑范圍(圖2中的位置1和2)。橫向尺寸l由位置1和2之間的距離來確定。當產品規范或檢驗要求指定時，也可使用其他技術來測量指示長度。長度和最大波幅確定以后，應根據指示的驗收等級和驗收標準對指示進行評估。對于兩側厚度不同的焊縫接頭，以其中較薄的厚度作為主導來進行驗收。

圖2 使用波束軸的固定波幅水平技術原理示意

縱向指示的驗收。ISO 19285規范性附錄表A.1提供了用于評估指示所使用技術的信息和相關評估和驗收等級;表A.2中規定了使用角度橫波波束掃查技術2時驗收等級2級和3級的參考等級;表A.3中規定了使用直探頭縱波掃查技術2時驗收等級2級和3級的參考等級;圖A.1～A.4給出了技術1(橫孔)和技術3(矩形槽)的各個等級，圖A.5～A.10給出了技術2[平底孔(圓盤形反射體)]和技術4 (串列技術)的各個等級(見表5～7)。附表與附圖相對應。對于①厚度范圍為6 mm≤t<15 mm，長度超過t的任何指示;②所有其他厚度范圍，長度超過t/2或者20 mm ，以較大尺寸為準的任何波幅低于驗收等級(高于評估等級)的指示，均應進行進一步檢測。這需要使用其他附加角度探頭，如果指定可使用串列技術，最終評估應基于最大回波波幅和所測量的長度進行。

表5 技術1,2,3和4的驗收等級2級和3級要求(ISO 19285規范性附錄表A.1)

表6 技術2采用角度波束橫波掃查的驗收等級2級和3級的參考等級(ISO 19285規范性附錄表A.2) mm

表7 技術2采用直波束縱波掃查的驗收等級2級和3級的參考等級(ISO 19285規范性附錄表A.3) mm

橫向指示的驗收：當規定檢測橫向指示時，應使用縱向指示的驗收等級。

指示編組的驗收。指示的編組應基于波幅超過記錄等級單個可接受指示的尺寸以及指示的間距。一個編組的長度將不可用于進一步編組。為了評估，如果出現下列情況，指示編組應被視為單個指示：① 間距dx小于較長指示長度的兩倍；② 間距dy小于厚度的一半，但不大于10 mm；③ 間距dz小于厚度的一半，但不大于10 mm。總長度如圖3(圖中dx,dy,dz為相鄰指示在x軸、y軸和z軸方向的間距;ln為單個指示的長度，其中n=1，…,3)和圖4所示(圖中dx為在x軸方向間距；l1,l2為單個指示的長度；l12為總長度)，計算公式如式(2)所示。

l12=l1+l2+dx

(2)

圖3 焊縫中指示編組的簡單表示

圖4 焊縫中指示編組的長度示意

指示累計長度。所有超過記錄等級的單個可接受指示的累計長度被規定為在指定的焊縫長度內所有單獨指示的長度及線性排列指示的累計長度的和(見圖5，圖中lc為累計長度，lc=l2+l3+l45+l6;lw為焊縫長度；ln為單個指示的長度，n=1，…，7)。

圖5 焊縫中指示累計長度示意

(1) 對于每個單組設置，對于任何一段長度lw為6倍板厚的焊縫，所有超過記錄等級的單個可接受指示的最大累計長度，對于驗收等級2級，不得超過lw的20%；對于驗收等級3級，不得超過lw的30%。

(2) 當按照ISO 13588的C 級檢測時，要求使用兩組設置，對于多組設置，在另一組發現指示時，復合指示的最大總長度不超過單組設置要求的多個指示累計長度限值的1.5倍。

4 結語

由于ISO 19285國際標準提供了兩種驗收方式，因此在制定檢測程序時應預先規定所要采用的驗收方式。通過借鑒ISO標準,比照ASME相關規范,結合國情,可以此為基礎制定出符合我國國情的焊縫相控陣驗收標準。