苗雨升

（山東核電有限公司，山東 煙臺(tái)265116）

1 背景介紹

超聲檢測(cè)是一種可以檢測(cè)工件表面特別是表面層下缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法。其通過(guò)超聲探頭發(fā)射的超聲波在缺陷處產(chǎn)生的反射回波來(lái)檢測(cè)缺陷的位置和大小。根據(jù)AMSE XI卷的要求，采用超聲檢測(cè)方法測(cè)量缺陷的大小是通過(guò)確定缺陷的長(zhǎng)度（沿焊縫方向的長(zhǎng)度）和缺陷的深度（垂直工件表面或沿壁厚方向的長(zhǎng)度）形成的截面積來(lái)判定缺陷的大小。根據(jù)ASME XI卷IWA3000[1]的規(guī)定，以近表面缺陷的大小測(cè)量為例如下，圖中a為缺陷的深度，l為缺陷的長(zhǎng)度。

圖1 ASME XI卷IWA-3310-1表面的平面缺陷大小測(cè)量[1]

ASME XI卷關(guān)于運(yùn)行階段缺陷的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)就是通過(guò)缺陷的長(zhǎng)度l和缺陷的深度a以及工件的厚度t來(lái)制定的。由于超聲檢測(cè)方法是通過(guò)聲壓的回波來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的檢測(cè)的，因此工件的表面粗糙度、表面的清潔度、工件的材質(zhì)、探頭的K值（探頭的入射角度）、甚至是操作人員按壓探頭的力度等因素都可能對(duì)聲壓的回波產(chǎn)生影響，換句話來(lái)說(shuō)超聲檢測(cè)方法的重復(fù)性不好。因此即使是驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)確定了，如何獲得缺陷的真實(shí)尺寸是一個(gè)難題。目前美國(guó)以及歐洲在超聲檢測(cè)方面的技術(shù)處于世界領(lǐng)先，其也已經(jīng)建立了成熟的超聲檢測(cè)能力驗(yàn)證機(jī)構(gòu)，對(duì)檢測(cè)單位進(jìn)行真實(shí)缺陷的檢測(cè)考試的方式，認(rèn)證檢測(cè)機(jī)構(gòu)的缺陷檢出能力以及缺陷大小測(cè)量能力。國(guó)內(nèi)目前能力驗(yàn)證尚處于起步階段，核安全局華北站負(fù)責(zé)建立國(guó)內(nèi)的能力驗(yàn)證機(jī)構(gòu)，目前已經(jīng)建立，并且已經(jīng)對(duì)廣核和秦山二期的RPV超聲檢測(cè)設(shè)備實(shí)施了能力驗(yàn)證，對(duì)于AP1000項(xiàng)目，核安全局華北站也提出了能力驗(yàn)證的要求，包括反應(yīng)堆壓力容器的筒體焊縫、接管焊縫、安全端異種金屬焊縫、蒸發(fā)器傳熱管、核級(jí)管道焊縫等。下面重點(diǎn)介紹一下目前核行業(yè)的超聲檢測(cè)方法中對(duì)于缺陷的定量的方法。

2 基本內(nèi)容

目前，核行業(yè)超聲檢測(cè)缺陷的定量的方法很多，但是都有一定的局限性。常用的定量方法有當(dāng)量法、底波高度法和測(cè)長(zhǎng)法三種。其中測(cè)長(zhǎng)法適用于缺陷尺寸大于超聲波聲束截面的情況，而當(dāng)量法和底波高度法適用于缺陷尺寸小于超聲波聲束截面的情況。

2.1 當(dāng)量法

當(dāng)量法確定的缺陷尺寸是缺陷的當(dāng)量尺寸。常用的當(dāng)量法主要包括當(dāng)量試塊比較法和當(dāng)量計(jì)算法。當(dāng)量試塊比較法是將工件中自然缺陷回波與試塊上的人工缺陷回波進(jìn)行比較來(lái)對(duì)缺陷定量的方法。加工制作一系列含有不同聲程不同尺寸的人工缺陷（如平底孔）試塊，探傷中發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，將工件中自然缺陷回波與試塊上人工缺陷回波進(jìn)行比較。當(dāng)同聲程處的自然缺陷回波與某人工缺陷回波高度相等時(shí)，該人工缺陷的尺寸就是此自然缺陷的當(dāng)量大小。對(duì)于缺陷距離超聲波聲源的距離大于等于3倍的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度（由于聲波的干涉效應(yīng)，超聲波在近場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)時(shí)而相互疊加出現(xiàn)峰值，時(shí)而相互疊加出現(xiàn)波谷，從而對(duì)于檢測(cè)結(jié)果有非常大的影響，因此超聲波檢測(cè)時(shí)對(duì)于近場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)的顯示無(wú)法進(jìn)行測(cè)量的），規(guī)則反射體的回波聲壓變化規(guī)律基本滿足球面波擴(kuò)散的變化規(guī)律，因此可以使用回波聲壓公式。當(dāng)量計(jì)算法就是根據(jù)探傷中測(cè)得的缺陷波高的dB值（分貝），利用各種規(guī)則反射體的理論回波聲壓公式進(jìn)行計(jì)算來(lái)確定缺陷當(dāng)量尺寸的定量方法。由于應(yīng)用當(dāng)量計(jì)算法對(duì)于缺陷定量不需要任何試塊，是目前廣泛應(yīng)用的一種當(dāng)量法。它只需要通過(guò)測(cè)定工件地面的底波聲壓，然后測(cè)得缺陷的聲壓，然后通過(guò)公式進(jìn)行計(jì)算，即可得到缺陷的當(dāng)量尺寸，即缺陷的當(dāng)量平底孔尺寸。

2.2 底波高度法

對(duì)于缺陷尺寸小于波束截面的情況，另一個(gè)測(cè)量缺陷的大小的方法為底波高度法。底波高度法是利用缺陷波與底波的相對(duì)波高來(lái)衡量缺陷的相對(duì)大小。換言之，當(dāng)工件中存在缺陷時(shí)，由于缺陷反射，使工件底波下降，缺陷越大，缺陷波越高，底波就越低，缺陷波高與底波高之比就越大。底波高度法包括缺陷波高與缺陷處底波高之比，缺陷波高與無(wú)缺陷處底波高之比以及無(wú)缺陷處底波高與缺陷處底波高之比來(lái)衡量缺陷的大小。底波高度法不用試塊，可以直接利用底波調(diào)節(jié)靈敏度和比較缺陷的相對(duì)大小，操作簡(jiǎn)便。但不能給出缺陷的當(dāng)量尺寸。此外，底波高度法只適用于具有平行底面的工件。

2.3 測(cè)長(zhǎng)法

當(dāng)工件中缺陷尺寸大于聲束截面時(shí)，一般采用側(cè)長(zhǎng)法來(lái)確定缺陷的長(zhǎng)度。測(cè)長(zhǎng)法是根據(jù)缺陷波高與超聲探頭移動(dòng)的距離來(lái)確定缺陷的尺寸的。由于實(shí)際工件中的缺陷的取向、工件的表面狀態(tài)、工件材質(zhì)等都會(huì)影響到缺陷回波的波高，因此缺陷的測(cè)量長(zhǎng)度一般要小于或等于實(shí)際缺陷的長(zhǎng)度。根據(jù)測(cè)定缺陷長(zhǎng)度時(shí)的靈敏度基準(zhǔn)不同將測(cè)長(zhǎng)法分為相對(duì)靈敏度法、絕對(duì)靈敏度法和端點(diǎn)峰值法。

2.3.1 相對(duì)靈敏度測(cè)長(zhǎng)法

相對(duì)靈敏度測(cè)長(zhǎng)法是以缺陷最高回波作為基準(zhǔn)，沿缺陷的長(zhǎng)度方向移動(dòng)探頭，降低一定的dB值來(lái)測(cè)定缺陷的長(zhǎng)度。一般常用的是6dB法和端點(diǎn)6dB法，其中端點(diǎn)6dB法適用于當(dāng)缺陷的各部分反射波高有很大變化時(shí)，測(cè)量缺陷長(zhǎng)度時(shí)使用。

2.3.2 絕對(duì)靈敏度測(cè)長(zhǎng)法

絕對(duì)靈敏度測(cè)長(zhǎng)法是規(guī)定一個(gè)具體的回波聲壓，當(dāng)儀器的在規(guī)定的靈敏度下，波高降到規(guī)定的位置時(shí)，就認(rèn)為是是缺陷的邊界，從而確定缺陷的長(zhǎng)度。在自動(dòng)探傷中常用絕對(duì)靈敏度法測(cè)長(zhǎng)。

2.3.3 端點(diǎn)峰值法

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，端點(diǎn)峰值法就是找到缺陷兩端的最高波峰的位置，從而確定缺陷的長(zhǎng)度。因此端點(diǎn)峰值法測(cè)得的缺陷長(zhǎng)度比端點(diǎn)6dB法測(cè)得的指示長(zhǎng)度要小一些。端點(diǎn)峰值法也只適用于側(cè)長(zhǎng)掃查過(guò)程中，缺陷反射波有多個(gè)高點(diǎn)的情況。

3 缺陷深度的測(cè)量

對(duì)于缺陷的深度測(cè)量，目前尚處于研究階段，下面介紹幾個(gè)目前國(guó)內(nèi)常用的缺陷深度測(cè)量的方法。

3.1 端部回波峰值法

端部回波峰值法顧名思義，就是通過(guò)橫波測(cè)定缺陷端部的最高峰值的位置，并通過(guò)探頭的角度計(jì)算來(lái)確定缺陷的深度。橫波端部回波峰值法是目前應(yīng)用較廣的一種方法，其測(cè)試誤差較小。特別是采用聚焦探頭后，波高變化明顯，效果更佳。

對(duì)于表面開口型缺陷，只需要測(cè)量缺陷的端部的位置。如圖2所示：

圖2 橫波端部回波峰值法測(cè)量表面開口缺陷[2]

對(duì)不非表面開口缺陷，當(dāng)探頭前后移動(dòng)到缺陷的深度方向的上、下端點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生了較強(qiáng)的回波波峰F1和F2。由此可確定缺陷的深度，如圖3所示。

圖3 橫波端部回波峰值法測(cè)量非表面開口缺陷[2]

3.2 6dB法

基本原理同上述測(cè)長(zhǎng)法中端點(diǎn)6dB一樣，只是測(cè)深度時(shí)探頭垂直于缺陷長(zhǎng)度方向，前后移動(dòng)探頭，側(cè)等波高相對(duì)于峰值下降一半時(shí)作為深度測(cè)量的上、下端點(diǎn)，從而確定缺陷的深度。

［1］ASME,Rules For Inservice Inspection of Nuclear Power Plant Components,ASME BPVC SECTION XI 1998[Z].

［2］鄭暉,林樹青.超聲檢測(cè)[M].2版.北京∶中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,2008∶203.