許金才

（中廣核工程有限公司，深圳 518124）

被檢工件進行超聲檢測時，為了保證超聲檢測結果的準確性、可重復性和可靠性，必須使用含有人工反射體（長橫孔、短橫孔、橫通孔、平底孔、槽等）的對比試塊來確定檢測靈敏度，測試儀器和探頭性能，調整儀器時基線掃描速度，評定缺陷大小，并根據驗收標準以確定產品質量等級。對比試塊和被檢工件聲學性能的差異，對檢測結果的準確性有很大的影響；因此，國內外超聲檢測標準都規(guī)定用于制作對比試塊材料的聲學性能必須與被檢件的聲學性能相同或相近似。但如何判定，很多標準沒有作規(guī)定，有些標準雖然作了規(guī)定，但判定方法各不相同，導致判定結論互相矛盾。因此，用哪些參數表征材料的聲學性能，以及如何根據這些參數來判定聲學性能的相近似是很必要的。筆者在從事超聲檢測工作中，有機會涉及按文中所述的國內外標準進行超聲檢測的產品，通過對國內外標準關于對比試塊聲學材料性能規(guī)定的比較分析，并測試鋼板軋制方向和垂直于軋制方向的聲速、衰減系數，并結合超聲檢測實踐經驗，提出用于判定對比試塊與被檢件聲學性能相近似的方法。

1 各主要標準對超聲檢測用對比試塊材料聲學性能的規(guī)定

1.1 ASEM 第Ⅱ卷《材料》，第Ⅴ卷《無損檢測》（2013版）

（1）第V 卷第4章《焊縫超聲檢測》規(guī)定：對比試塊的材料應與被檢材料的加工方式和材料技術條件相同，或與受檢材料之一的P－No.（標準中材料的分組）相當，就此章來說產品標號為P－Nos.1，3，4，5A 到5C，15A 到15F 的材料被認為是相當的。對比試塊至少應進行材料技術條件中對該類型和等級材料所要求的最低溫度的熱處理。若對比試塊含有除堆焊以外的焊縫，且部件焊縫在檢驗時已經熱處理，則對比試塊應作同樣的熱處理。

（2）第V 卷第5章《材料超聲檢測》規(guī)定：對比試塊的材料應與被檢材料的加工方式和材料技術條件相同，或與受檢材料之一的P－No.相當，就此章來說產品標號為P－Nos.1，3，4，5A 到5C，15A 到15F的材料被認為是相當的。

（3）SA－508／SA－508M《壓力容器用經真空處理的淬火加回火碳鋼和合金鋼鍛件》補充要求S2.1.1規(guī)定：聲學性能相近似是指，在不改變探傷儀設置的前提下，比較等厚度對比試塊和被檢鍛件的底面反射波，兩者相差不大于25%。

（4）SA－788／SA－788M《鋼鍛件通用要求》補充要求S20.2.4.1規(guī)定：聲學性能相近似是指，在不改變探傷儀設置的前提下，比較等厚度對比試塊和被檢鍛件的底面反射波，兩者相差不大于25%。

（5）SA－578／SA－578M《特殊用途的普通鋼板和復合鋼板直射波超聲檢驗標準》補充要求S8.3中規(guī)定：聲學性能相近似是指，在不改變探傷儀設置的前提下，對比試塊和被檢鋼板的底波相差不大于25%。

1.2 歐洲規(guī)范、標準

（1）RCC－M 規(guī)范（2000版＋2002補遺）《壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則》、NF A 04—308《鋼鍛件超聲檢測》規(guī)定對比試塊應取自：被檢工件的延長部分；與被檢工件的材料和熱處理狀態(tài)相同的余料；聲學性能與被檢工件相近似的材料。

（2）EN 1714《焊縫的無損檢測－焊接接頭的超聲檢測（包括補充附件A1）》中對材料的超聲波特性值的規(guī)定：其基礎為超聲波在鋼材中的速度，縱波（5 920±50）mm／s，橫波（3 255±30）mm／s，以此作為檢測不同聲速材料的計算依據。

1.3 日本標準

JIS 3060《鐵素體鋼焊縫的超聲波檢驗方法》規(guī)定：被檢工件和對比試塊的聲速差異在±2%以內。

1.4 JB／T 4730.3—2005《承壓設備無損檢測》第3部分：超聲檢測

該標準的一般要求中規(guī)定：試塊應采用與被檢工件聲學性能相同或近似的材料制成，該材料用直探頭檢測時，不得有大于等于φ2平底孔當量直徑的缺陷。

在規(guī)范性附錄F 中規(guī)定，焊縫超聲檢測時，對碳鋼和低合金鋼板材的材質衰減，在頻率低于3MHz、聲程不超過300mm 時，或者衰減系數小于0.01dB／mm 時可以不計；聲程較大或材質衰減系數超過0.01dB／mm，在確定缺陷反射波幅時，應考慮材質衰減修正，規(guī)定了橫波超聲材質衰減的測量和傳輸損失差的測定。

1.5 NB／T 20003.2—2010《核電廠核島機械設備無損檢測》第2部分：超聲檢測

制作對比試塊的材料應取自：被檢件延長段或自被檢件中割下的余料；與被檢件具有相同材料和熱處理狀態(tài)的部件割下的余料；與被檢件具有相近聲學特性的材料。除另有規(guī)定外，對比試塊和被檢件間的聲學性能差異在下述范圍內，則認為具有相似的聲學特性：聲速±5%，聲阻抗±5%，衰減系數±20%或厚度相同底波信號差異小于4dB。

2 對比分析

2.1 關于聲學性能相近似的規(guī)定

國內外超聲檢測規(guī)范、標準關于對比試塊與被檢件聲學性能相近似的規(guī)定可以分為：

（1）規(guī)定對比試塊與被檢件所用材料的技術條件和加工方式相同，保證其聲學性能與被檢件相同或相近似，所有法規(guī)、標準都有此規(guī)定。

（2）規(guī)定對比試塊與被檢件的P－No.相當，保證其聲學性能與被檢件相同或相近似，這是ASME第V 卷第4，5章的專門規(guī)定。

（3）規(guī)定了用于判定聲學性能相近似的參數及其指標，但不同標準如NB／T 20003.2—2010、SA－508／SA－508M、SA－578／SA－578M、SA－788／SA－788M、EN 1714、JIS 3060、JB／T 4730.3等，規(guī)定的參數及指標各不相同。

（4）對如何判定聲學性能相同或相近似未作明確規(guī)定，如RCC－M 規(guī)范、NF A 04－308等。

上述四種規(guī)定中：

第一種規(guī)定明確，容易理解和執(zhí)行，只要對比試塊和被檢件材料的技術條件和加工方式相同，其聲學性能就相同或相近似；從另一個方面來說，制造產品的材料種類越多，試塊的數量也就越多，會增加成本和試塊管理難度。而承壓設備的焊接結構中，常常有板材和鍛件、板材和鋼管、鍛件和鋼管焊接的情況，這時就必須使用和被檢件聲學性能相近似的對比試塊，以滿足被檢工件檢測的實際需要。

第二種規(guī)定明確、容易理解和執(zhí)行，ASME 第IX 卷有每種材料的P－No.號，但只適用于ASME材料，對其他國家（如中國、歐洲、日本等）材料不適用。

第三種規(guī)定有具體的參數及指標，容易理解和執(zhí)行，但各標準間，材料聲學性能的參數不同、指標不同，寬嚴不一，如SA－508／SA－508M、SA－578／SA－578M、SA－788／SA－788M 只規(guī)定 了底波 高度的 差別，指標較合理；EN1714、JIS3060只規(guī)定了聲速的差別，指標較嚴；JB／T4730.3只適用板材焊縫；NB／T 20003.2—2010標準的參數全面，但指標較低。

第四種規(guī)定不明確，沒有具體的參數和指標，不同的人有不同的理解，而且差異很大，實際執(zhí)行中偏差幅度大，甚至難以執(zhí)行。

2.2 表征材料聲學性能的聲學參數

材料聲學性能是個物理概念，必須用可量化的聲學參數描述，才可以判斷兩種材料的聲學性能是否相同或相近似。超聲檢測對比試塊所有用途可以歸結為對反射體的定位和定量，影響定位準確性的是材料的聲速，影響定量準確性的是材料的超聲衰減；因此，筆者認為在超聲檢測中，用聲速和超聲衰減表征材料的聲學性能是比較合適的。對文中所列舉的國內外超聲檢測標準關于判定對比試塊和被檢件聲學性能相近似的規(guī)定，筆者認為NB／T 20003.2—2010標準中第3 條采用聲速、聲阻抗和衰減系數的相差值作為判據是比較合理的。但是，NB／T 20003.2—2010標準中沒有規(guī)定聲速、聲阻抗和衰減系數三參數具體測試方法和評價方法。

3 聲速、材質衰減系數的測定和評價

圖2 橫波聲速測定

準確測定鋼材聲速和材質衰減系數要用專門儀器，在工廠條件下可以采用以下方法測定聲速和材質衰減系數，測定結果可以用于判定對比試塊和被檢工件聲學性能是否相近似。

3.1 鋼材聲速的測定

儀器：時間軸可以顯示時標和聲程的數字型脈沖反射式超聲波探傷儀。

3.1.1 縱波聲速測定

將單晶片直探頭置于對比試塊或被檢工件表面上（圖1），讀取底面脈沖回波的聲程Le和傳播時間t，則縱波聲速vL為：

圖1 縱波聲速測定示意

3.1.2 橫波聲速測定

用單晶斜探頭掃查對比試塊或被檢工件中的反射體，找到該反射體的脈沖回波，從儀器上讀取橫波聲程Ls和傳播時間t，則橫波聲速vs為：

由圖2可知，反射體可以是對比試塊上人工孔、刻槽等人工缺陷，也可以是對比試塊或被檢工件直角部位的尖角，被檢工件內部細小的點狀缺陷。

橫波聲速也可以根據圖1測定的縱波聲速按式（3）計算：

3.2 材質衰減系數的測定

對比試塊和被檢工件材質衰減系數α，一般可采用二次（或多次）底波與一次底波高度分貝差值ΔN進行計算：

式中：ΔNg為材質衰減引起的分貝差值；ΔNe為聲束擴散引起的分貝差值；ΔNd為檢測面曲率半徑和粗糙度的分貝差值，即傳輸損失。

3.2.1 單晶直探頭縱波材質衰減系數測定

單晶直探頭縱波材質衰減系數α可以按JB／T 4730—2005《承壓設備無損檢測》規(guī)定的方法測定。

將單晶直探頭置于對比試塊或被檢工件與底面平行的檢測面上，調節(jié)儀器使第一次底面回波幅度（B1或Bn）為滿刻度的50%，記錄此時衰減器的讀數；再調節(jié)衰減器，使第二次底面回波幅度（B2或Bm）為滿刻度的50%，兩次衰減器讀數之差即為（B1、B2）或（Bn、Bm）的dB差值（不考慮底面反射損失）。

衰減系數（T＜3N，且滿足n＞3N／T，m＝2n）按式（5）計算：

式中：α為衰減系數，dB／m（單程）；（Bn－Bm）為兩次衰減器的讀數之差，dB；T為工件檢測厚度，mm；N為單直探頭近場區(qū)長度，mm；m、n為底波反射次數。

衰減系數（T≥3N）按式（6）計算：

式中：（B1－B2）為兩次衰減器的讀數之差，dB；其余符號意義同式（5）。

3.2.2 單晶斜探頭橫波材質衰減系數測定

采用一發(fā)一收兩個斜探頭進行測定，兩個斜探頭規(guī)格（頻率、晶片尺寸、角度等）應相同。探頭按圖3（a）放置，兩者間的透過回波可看作為底面回波。通過對儀器的調節(jié)，使該回波高度等于基準高度。然后，兩只探頭按圖3（b）放置（兩者間距應準確地等于二個跨距），獲得第二次底面回波的透過回波，讀取回波的高度與基準高度的dB差值ΔNg。

圖3 斜探頭測量材質衰減系數的示意圖

對比試塊或被檢工件的橫波材質衰減系數α可按式（7）計算：

式中：ΔL為兩個回波聲程差，2a（圖3）；

ΔNe為聲速擴散產生的衰減分貝值，一般取理論值：可從根據反射體波高與反射體距離和當量大小之間關系的理論計算公式繪制的AVG 曲線上求得。

按上述步驟測定對比試塊或被檢工件材質衰減系數α時，要求兩者的曲率半徑和表面粗糙度相同，否則應對式（4）中的傳輸損失ΔNd進行實測，測定方法可按EN583－2：2001《無損檢測 超聲檢驗 第2部分：時基線和靈敏度調整》第6.5條“傳輸修正值的測定”的要求。

3.3 參數評價

各種鋼材，如鋼板、鋼管、鍛件和圓鋼等，生產過程可能形成各向異性，導致不同方向聲速和衰減系數α存在差異。如果被檢工件的檢測方向的聲速和衰減系數α與對比試塊的聲速和衰減系數α的差別不超過標準規(guī)定范圍，對缺陷定位和定量的影響可以略去不計，否則應判定對比試塊和被檢工件聲學性能是否相近似。

鋼材各向異性大小，取決于鋼材材質生產工藝和鋼材供貨熱處理狀態(tài)。鋼材各向異性導致的不同方向的聲速和材質衰減系數α的不同，在判定對比試塊和被檢工件聲學性能是否相近似時必須考慮。有些鋼材，各向異性不嚴重，有些鋼材各向異性較嚴重，筆者采用規(guī)格為2.5P13×13K1的探頭，對一塊材質為Q245R，板厚為40mm 的鋼板的軋制方向和垂直于軋制方向的橫波聲速和衰減系數α分別進行測試。其橫波聲速結果分別為3 264，3 286m／s；衰減系數α分別為0.003 4，0.003 8dB／mm。

由測試數據可知：鋼板軋制方向和與之垂直方向的聲速相差0.7%，兩個方向材質衰減系數α相差11.8%，均小于NB／T 2003.2—2010的規(guī)定值；按該標準可以判定為該鋼板軋制方向和垂直于軋制方向的聲學性能相近似。在這兩個方向上進行探傷，鋼板各向異性導致聲速、衰減系數的差異，不會影響缺陷定位和缺陷定量。

鋼板供貨狀態(tài)是退火（薄板）或正火（中厚板）狀態(tài)，其晶粒細化，組織較均勻，但仍存在軋制方向和垂直于軋制方向的晶粒排列方式的不同，這種各向異性導致兩個方向的聲速和衰減系數略有差別；如上所述，這種差別對缺陷定位和定量影響可以忽略不計，常用鋼板的情況都是如此。某些特殊鋼板，軋制方向和垂直于軋制方向的各向異性可能較大，導致聲速、衰減系數相差較大，可能會影響缺陷的定位和定量。

4 結語

為保證超聲檢測定位定量準確性符合相應標準的要求，國內外超聲檢測標準都規(guī)定了對比試塊聲學性能應與被檢件相近似。如何判定其相似性，國外很多標準給出了可以量化的參數指標作為判據，國內很多超聲檢測標準沒有或不全面，建議標準修訂時，增加這方面的內容。