關于ASME鍋爐與壓力容器規范中管狀校準試塊設計的討論

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(1.海洋石油工程股份有限公司，青島 266520;2.中海石油深海開發有限公司,深圳 518000)

近年來,隨著科學技術的發展,超聲波相控陣(PAUT)檢測技術逐漸成熟,在各行業中開始推廣應用,國內外陸續出臺了PAUT應用的相關標準,如標準ISO 13588Non-destructiveTestingofWelds-UltrasonicTesting-UseofAutomatedPhasedArrayTechnology，其是利用PAUT檢測焊縫的國際標準。ASME鍋爐與壓力容器規范第V卷標準在國內外海洋石油天然氣行業的應用比較廣泛,在其第4章的強制性附錄中也對PAUT的應用給出了相應規定,而關于PAUT校準試塊的要求是以常規UT(超聲檢測)試塊為基礎的,僅增加或修改了小部分內容,總體要求比較寬泛、靈活。筆者基于ASME鍋爐與壓力容器規范第V卷標準要求，結合PAUT和常規UT的聯系和差別,進一步明確了相關技術要求、縮小了參數范圍，使得校準PAUT系統更加方便有效。

1 UT和PAUT之間的聯系

常規UT和 PAUT在本質上是相同的,二者均利用壓電晶片實現電能和機械能的相互轉換,其聲波特性(反射、折射、衍射等)也是完全相同的，但PAUT是常規UT的一種特殊高級應用[1]，在某些方面也存在不同點(見表1)。若對常規UT試塊的參數和要求做進一步的改進和提升，則能大大提高PAUT系統校準的便利性和有效性。

表1 常規UT和PAUT的不同點

2 PAUT管狀校準試塊的設計

2.1 ASME鍋爐與壓力容器規范第V卷標準的技術要求

ASME鍋爐與壓力容器規范第V卷第4章強制性附錄IV和V規范了PAUT檢測技術的要求[2]，其中包含校準試塊在內的基本技術要求(參考第4章正文)，ASME鍋爐與壓力容器規范第V卷第T-434章詳細介紹了校準試塊的技術要求，其中第T-434.1條對校準試塊做了綜述性的通用要求，主要包括反射體類型、材料牌號、材料質量要求、堆焊情況、熱處理狀態、表面成形狀態和曲率等，這些要求適用于所有按照ASME鍋爐與壓力容器規范第V卷標準設計制作的試塊，必須嚴格遵守。第T-434.3條是專為管狀校準試塊提出的技術要求，其主要內容包括：① 校準試塊的形狀和反射體按照圖T-434.3-1要求規定，或曲率和壁厚允許時可按照圖T-434.3-2要求規定；② 試塊曲率應符合第T-434.1條要求；③ 試塊的壁厚必須在被檢工件壁厚±25%公差范圍內；④ 試塊尺寸和反射體位置必須保證能夠完成相關的校準工作。

2.2 PAUT校準試塊推薦設計

2.2.1 基本形狀和反射體的選擇

現行ASME鍋爐與壓力容器規范第V卷第T-434.3條給出了兩種試塊選擇,即圖T-434.3-1和圖T-434.3-2,其中使用圖T-434.3-2所示試塊的前提條件是曲率和壁厚允許, 應符合第T-434.1.7條和第T-434.3.1條的要求。最終的選擇要結合實際情況,比如被檢工件的規格尺寸、試塊原材料的規格尺寸、加工能力和費用等。圖T-434.3-1所示試塊的反射體僅包含上下表面的刻槽，ASME鍋爐與壓力容器規范第V卷 2010版及以前版本均只提供該試塊的設計；從2013版開始，規范增加了可選試塊(參照圖T-434.3-2)，除上下表面的刻槽外，還增加了試塊內部的切向及軸向橫孔反射體，當檢測焊縫內部不連續時可采用橫孔校準靈敏度，對焊縫表面開口不連續采用刻槽校準靈敏度，有利于提高定量精度；另外，用圖T-434.3-1所示試塊的刻槽校準橫波60°聲束靈敏度時端角反射率太低,而利用圖T-434.3-2所示試塊的橫孔可避免此問題，因此筆者建議在可能的情況下，優先選用圖T-434.3-2所示試塊。但圖T434.3-2所示試塊在某些情況下的應用可能受限，這是因為：由于反射體數量增加，試塊的加工費用會有所增加；當被檢工件的管徑或者壁厚較小時，切向橫孔能夠加工的長度有限而不足以用于校準靈敏度。小管徑薄壁試塊切向橫孔反射體示意如圖1所示，該被檢工件管徑為89 mm，壁厚為10 mm，校準試塊和被檢工件規格相同，當采用圖T-434.3-2所示設計試塊時，能夠加工的切向橫孔A的長度僅約為10 mm。若增加切向橫孔的長度則引起孔的深度急劇變化，在橫孔A的長度增加到18 mm 時穿出材料，如圖1虛線所示，切向橫孔A不適用于校準靈敏度，故這種情況下不建議采用圖T434.3-2的設計?；谝陨显?，一般情況下當校準試塊的管徑小于150 mm或者壁厚小于20 mm時，推薦采用圖T-434.3-1的設計。

圖1 小管徑薄壁試塊切向橫孔反射體示意

2.2.2 反射體距試塊邊緣的距離

圖2 20 mm試塊局部設計截面示意

ASME鍋爐與壓力容器規范第V卷給出的校準試塊的設計中,均提出反射體距試塊邊緣的距離,在圖T-434.3-1所示試塊中規定，刻槽與試塊邊緣的距離不小于試塊厚度的一半或13 mm；圖T-434.3-2試塊中規定長橫孔長度不小于38 mm和刻槽距離試塊邊緣不小于38 mm。但在標準的第T-434.3條最后一句明確指出，試塊的尺寸和反射體的位置必須保證能夠完成相關的校準工作，這也是該標準通用型和靈活性的體現，亦是該條推薦設計的依據。當設計的試塊用于校準PAUT系統時，這些數值(13，38 mm等)的最低要求需要進一步提高。這主要是考慮到常規UT和PAUT聲束的差別：常規UT聲束角度單一，聲束單一，聲束范圍相對較小，主要包括主聲束及6 dB或20 dB擴散區，檢測時需要做鋸齒狀掃查；而PAUT聲束由聚焦法則控制各晶片的激發延時，利用超聲波的干涉形成最終波束，其聲束范圍通常較為寬廣，例如常用的40°～70°扇掃描, 在實際檢測中僅作沿線掃查即可。由于PAUT聲束范圍較為寬廣，如果按照圖T-434.3-1或圖T-434.3-2的最小數值設計試塊，在校準靈敏度的過程中，試塊的端角反射信號可能與反射體信號同時出現，并且干擾校準工作。20 mm試塊局部設計截面示意如圖2所示，校準試塊的厚度為20 mm，若按照圖T-434.3-1的規定，AB之間的距離至少為13 mm；若按照圖T-434.3-2的規定，AB之間的距離至少為38 mm。圖例中的設計AB間的距離為38 mm，當用此試塊校準相控陣系統時，則會出現如圖3所示的結果。探頭前后移動使每個角度波束經過并記錄A處刻槽的信號時，在部分范圍內A處刻槽信號和B處端角回波信號同時出現，并幾乎處于同一深度。由于PAUT的校準是通過檢索閘門范圍內的最高波幅信號后，經過計算統一，將所有角度波幅補償至基準波高，如80%FSH(滿屏高度)，即ACG(角度補償增益)曲線，而在某些位置，B處波幅高度大于A處波幅高度，也就意味著在這些位置，PAUT系統檢索記錄了B點的端角反射，而不是A處刻槽反射體的信號，導致校準錯誤。

圖3 設計試塊校準相控陣系統結果

解決這一難題最行之有效的辦法就是增大AB之間的距離，若將AB的距離增大到90 mm，修改后試塊局部設計截面示意如圖4所示，則在整個校準過程中，A處刻槽信號和B處端角回波信號不會同時出現。因此，在PAUT校準過程中，為了避免上述問題，反射體距試塊邊緣的距離需要增大。由于PAUT聲束的可控性，在檢測不同的工件，選用不同的參數時，AB間距具體增加到的精確數值需要視情況而定，一般情況下不小于100 mm，在某些特殊工藝條件下，可能需要增加到150 mm，甚至更大，最好是在設計之前，利用聲束模擬確定其最小間距。

圖4 修改后試塊局部設計截面示意

2.2.3 橫向反射體的設計

PAUT相對于常規UT有很多優勢，但對于橫向不連續，尤其當檢測對象管徑較小時，即使使用曲率楔塊，其靈活性和耦合效果均比常規UT的略差，所以在某些情況下制定PAUT檢測工藝時，通常使用常規UT技術做補充橫向掃查。在這種情況下，如果已經有常規UT校準試塊，則必須在檢驗規程中注明PAUT不檢測軸向缺陷，而用常規UT代替，并且得到客戶的認可。

3 結語

PAUT技術正在飛速發展，大范圍推廣使用PAUT已經成為行業發展的趨勢，目前國內也正在起草編制PAUT的應用標準。PAUT和常規UT一樣,準確地校準靈敏度是成功檢測的重要基礎,ASME鍋爐與壓力容器規范第V卷標準中給定的校準試塊的通用性較強,可應用的范圍廣泛,在使用該標準設計PAUT校準試塊時,應根據實際情況靈活應用。