鑄鋼件超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的比較

張 晶

(中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司重裝技術(shù)質(zhì)量部，黑龍江161042)

在軋鋼、鍛壓、礦山、起重運(yùn)輸、發(fā)電、冶煉等設(shè)備中，鑄鋼件約占設(shè)備總重的40%。近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)健發(fā)展，對(duì)大型鑄件的需求量不斷增加。因此，保證大型鑄件的質(zhì)量尤為重要。

無損檢測(cè)是保證材料與工件質(zhì)量的重要手段之一。大型鑄件尺寸較大，射線檢測(cè)透射困難，同時(shí)，工作場(chǎng)地、工件移動(dòng)、檢驗(yàn)速度等各種因素均會(huì)影響射線檢測(cè)的操作效果。而超聲檢測(cè)效率高，成本低，對(duì)重大缺陷的檢出率高，因此超聲檢測(cè)是評(píng)價(jià)大型鑄鋼件內(nèi)部質(zhì)量的重要檢測(cè)方法之一。

目前，我公司外方合作項(xiàng)目較多，均采用國(guó)外超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。正確理解和應(yīng)用各種無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，制定合理的檢測(cè)工藝，對(duì)控制產(chǎn)品質(zhì)量和維護(hù)供需雙方各自權(quán)益極其重要。常用的國(guó)內(nèi)外超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)有EN 12680—1、ASTM A 609、JB/T5000.14—2007和GB 7233.1—2010。EN 12680—1是SEP—1922超聲檢驗(yàn)方法和DIN 1690—2中的超聲驗(yàn)收等級(jí)結(jié)合后的修訂標(biāo)準(zhǔn)，二者具有一定的延續(xù)性。JB/T5000.14—2007中超聲檢測(cè)部分的檢驗(yàn)方法和驗(yàn)收級(jí)別與SEP—1922和DIN 1690—2標(biāo)準(zhǔn)基本相同，沒有重大改動(dòng)。GB 7233.1—2010與EN 12680—1內(nèi)容基本相同，下文不再單獨(dú)敘述。

1 適用范圍

各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)適用的材質(zhì)基本相同，均不適用于奧氏體不銹鋼鑄件。ASTM與EN標(biāo)準(zhǔn)對(duì)適用厚度無下限要求。在ASTM標(biāo)準(zhǔn)方法中，?2.4 mm平底孔雙晶試塊的覆蓋范圍為3 mm～44 mm，即對(duì)于厚度≤50 mm的鑄件應(yīng)使用雙晶探頭。EN標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定雙晶探頭探測(cè)范圍不超過50 mm。各標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍如表1所示。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍

2 探頭的選擇與靈敏度的設(shè)定

2.1 探頭的選擇

探頭的主要參數(shù)有探頭種類、探頭頻率和晶片尺寸。通常鑄鋼件超聲檢測(cè)均以縱波單晶直探頭為主，雙晶探頭與斜探頭只用于特殊區(qū)域或特殊取向缺陷的檢測(cè)。

超聲波可探性要求在目標(biāo)探測(cè)距離處噪聲與設(shè)定靈敏度下信號(hào)的dB差超過規(guī)定值。探頭頻率、工件厚度與靈敏度高低是影響超聲波可探性的重要因素。各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鑄件的縱波直探頭超聲波可探性均有規(guī)定。EN規(guī)定信噪比要大于6 dB，ASTM規(guī)定信噪比大于12 dB，JB規(guī)定為8 dB。若選擇1MHz探頭進(jìn)行探測(cè)仍不滿足可探性要求，EN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定報(bào)告中應(yīng)記錄滿足可探性要求的靈敏度后，與用戶或相關(guān)部門協(xié)商另外的檢測(cè)方法；JB要求重新熱處理以達(dá)到可探性要求，與SEP—1922中規(guī)定不同。

雙晶探頭探測(cè)深度范圍有限，只適用于小尺寸鑄件或鑄件近表面深度范圍內(nèi)缺陷的探測(cè)。EN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：當(dāng)僅能在鑄件單面進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)使用雙晶探頭覆蓋近表面盲區(qū)。

EN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一些關(guān)鍵區(qū)域如圓角、截面變化區(qū)、外冷鐵區(qū)、補(bǔ)焊區(qū)域和合同中規(guī)定的特殊邊緣區(qū)使用雙晶直探頭和(或)斜探頭檢測(cè)50 mm深度范圍。通常，鑄件檢測(cè)技術(shù)規(guī)格書會(huì)根據(jù)鑄件和其局部區(qū)域的重要性規(guī)定所使用的探頭類型。例如：軋機(jī)牌坊窗口內(nèi)側(cè)圓角及壓下孔處容易產(chǎn)生鑄造缺陷，服役過程中內(nèi)窗口與圓角處承受較大應(yīng)力，因此為了檢測(cè)裂紋和一些較大缺陷，均有斜探頭和雙晶探頭的檢測(cè)要求，驗(yàn)收級(jí)別相對(duì)其它區(qū)域也會(huì)有所不同。雙晶探頭和斜探頭檢測(cè)深度范圍小，為了改善探測(cè)缺陷的準(zhǔn)確度，在衰減和雜波等不影響探測(cè)的情況下，可以適當(dāng)提高探頭頻率。

ASTM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：由于鑄件外形設(shè)計(jì)或缺陷取向的原因用直探頭無法進(jìn)行有效檢驗(yàn)的重要部位，使用斜探頭進(jìn)行補(bǔ)充檢驗(yàn)，需要檢驗(yàn)的部位由供需雙方協(xié)商確定。EN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定探頭的選擇取決于鑄件的幾何形狀和可能存在缺陷的種類，鑄件生產(chǎn)方應(yīng)根據(jù)鑄件形狀、可能存在的鑄造缺陷或補(bǔ)焊缺陷制定合適的檢測(cè)工藝，例如選擇合適的斜探頭。

EN和JB標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定對(duì)于記錄缺陷要進(jìn)行進(jìn)一步分析以確定其類型、形狀、尺寸和位置，改變探頭入射角度是其中的一種方法。

2.2 靈敏度的設(shè)定

設(shè)定靈敏度的方法通常有DAC法、DGS法、底波法等。各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的靈敏度設(shè)定方法不盡相同。

ASTM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了平底孔校驗(yàn)法和底波校驗(yàn)法兩種方法。平底孔校驗(yàn)法是使用與鑄件聲學(xué)特性相似的?6 mm和?2.4 mm平底孔試塊制作DAC曲線。底波校驗(yàn)法(Back-wall Reflection Calibration Procedure)與通常所用的底波法不同，它根據(jù)材料厚度選擇需要使用的3個(gè)平底面試塊，運(yùn)用儀器的增益修正時(shí)基(TCG)功能，使不同時(shí)基處的信號(hào)值趨于等高，調(diào)整工件底波后提高一定的增益設(shè)定檢測(cè)靈敏度。通常我們所說的底波法是將底波調(diào)整至某百分比屏高，根據(jù)缺陷波與底波的高度值評(píng)價(jià)缺陷，此時(shí)，缺陷波靠近始脈沖或靠近底波對(duì)評(píng)定結(jié)果影響很大，這與底波校驗(yàn)法的區(qū)別應(yīng)引起檢驗(yàn)人員注意。

EN標(biāo)準(zhǔn)可以選擇使用DAC法或DGS法。DAC法運(yùn)用一組平底孔或側(cè)橫孔試塊制作距離幅度曲線。當(dāng)使用試塊DAC法時(shí)，需要進(jìn)行傳輸修正。通常使用的進(jìn)口探頭(如GE公司的探頭)均配備衰減系數(shù)為零的DGS曲線表，當(dāng)用工件平行處底波調(diào)整好靈敏度后，發(fā)現(xiàn)缺陷后查表確定缺陷當(dāng)量。EN標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)DGS法是否需要傳輸修正無明確規(guī)定，但其引用的EN 583—2中強(qiáng)調(diào)：必要時(shí)，應(yīng)進(jìn)行傳輸修正以補(bǔ)償耦合損失和材質(zhì)不同引起的衰減變化。GB標(biāo)準(zhǔn)將EN 583—2中傳輸修正的一些規(guī)定列入附錄。調(diào)整靈敏度的方法及是否傳輸修正對(duì)檢測(cè)結(jié)果有較大影響，因此，檢驗(yàn)前供需雙方應(yīng)就這些問題協(xié)商一致，避免產(chǎn)生爭(zhēng)議。

SEP—1922標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)間早，當(dāng)時(shí)歐洲超聲檢測(cè)理論發(fā)展成熟，習(xí)慣用DGS方法。標(biāo)準(zhǔn)推薦使用鑄件本體調(diào)節(jié)靈敏度，若不能用本體進(jìn)行調(diào)節(jié)，則用標(biāo)準(zhǔn)試塊如IIW或IIW2試塊調(diào)節(jié)。直探頭用標(biāo)準(zhǔn)試塊根據(jù)DGS曲線調(diào)節(jié)靈敏度誤差會(huì)很大，因此EN標(biāo)準(zhǔn)將標(biāo)準(zhǔn)試塊DGS法修改為DAC法，JB標(biāo)準(zhǔn)中只保留了鑄件本體調(diào)整方法。

斜探頭靈敏度的設(shè)定應(yīng)引起檢驗(yàn)人員注意。ASTM標(biāo)準(zhǔn)使用側(cè)橫孔試塊設(shè)定斜探頭靈敏度，試塊的橫孔直徑隨探測(cè)厚度的增加而增大。探測(cè)厚度增大，發(fā)現(xiàn)缺陷的能力降低，增大橫孔直徑相當(dāng)于降低了探測(cè)靈敏度。EN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定斜探頭靈敏度的設(shè)定要確保在屏幕上看到信號(hào)的動(dòng)態(tài)波形。對(duì)比可見，ASTM標(biāo)準(zhǔn)將缺陷信號(hào)量化，只對(duì)等于或超過DAC曲線的信號(hào)進(jìn)行評(píng)定。EN和JB標(biāo)準(zhǔn)的宗旨是相同的，即發(fā)現(xiàn)任何具有動(dòng)態(tài)回波特性的信號(hào)。而且明確提出：使用橫波斜探頭檢測(cè)時(shí)，不考慮信號(hào)幅度，只要信號(hào)具有移動(dòng)特性或在壁厚方向具有明顯尺寸，均應(yīng)記錄并進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)價(jià)，同時(shí)也給出了斜探頭檢測(cè)面積型缺陷的驗(yàn)收等級(jí)。

3 缺陷驗(yàn)收的規(guī)定

3.1 缺陷的分類

缺陷驗(yàn)收的規(guī)定體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)制定者對(duì)缺陷性質(zhì)的理解和對(duì)缺陷某些特征參數(shù)的重視程度。ASTM標(biāo)準(zhǔn)底波校驗(yàn)法中將缺陷分為線狀缺陷和非線狀缺陷(見表2)。非線狀缺陷又分為單個(gè)缺陷和密集缺陷，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)缺陷的面積、缺陷分布位置、單位面積內(nèi)密集缺陷的累計(jì)面積等進(jìn)行了限定，一旦發(fā)現(xiàn)線狀缺陷必須返修。而在平底孔校驗(yàn)法驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中，僅對(duì)缺陷的面積和最大尺寸進(jìn)行限定，未對(duì)缺陷進(jìn)行進(jìn)一步劃分。

表2 各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)缺陷的分類

通過比較最高波降6dB測(cè)得的缺陷尺寸與6 dB聲束寬度，EN標(biāo)準(zhǔn)又將體積型缺陷分為不具有可測(cè)量尺寸的缺陷和具有可測(cè)量尺寸的缺陷。操作者首先要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)缺陷進(jìn)行分類，然后依照不同類型缺陷的驗(yàn)收等級(jí)進(jìn)一步判定合格與否。例如，EN標(biāo)準(zhǔn)中面積型缺陷與體積型缺陷的驗(yàn)收是分開的，若對(duì)缺陷類型判定錯(cuò)誤，則可能得到不同結(jié)論。這種分類方法看似簡(jiǎn)單，實(shí)際上要求檢驗(yàn)人員要有大量的工作經(jīng)驗(yàn)。相比之下，ASTM標(biāo)準(zhǔn)方法B對(duì)缺陷的劃分比較簡(jiǎn)潔，根據(jù)缺陷的長(zhǎng)寬比值將缺陷劃分為線狀和非線狀缺陷，長(zhǎng)寬比大于3的則為線狀缺陷。

ASTM標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定缺陷時(shí)著重考慮缺陷在投影面上的面積，屬于平面型思維。而EN標(biāo)準(zhǔn)不僅考慮缺陷的投影面積，還要考慮其在壁厚方向的尺寸，屬于立體型思維。

3.2 缺陷的評(píng)定

ASTM標(biāo)準(zhǔn)平底孔校驗(yàn)法規(guī)定，對(duì)超過100%DAC曲線的顯示，不管其信號(hào)幅度高低，均應(yīng)畫出缺陷的面積進(jìn)行評(píng)定，未提及缺陷當(dāng)量的概念，即根據(jù)超過DAC曲線的缺陷面積判定合格與否。EN標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)探測(cè)壁厚規(guī)定了非平面型缺陷的記錄限當(dāng)量大小。在驗(yàn)收級(jí)別1～4中，對(duì)當(dāng)量大小的規(guī)定為：壁厚小于50 mm時(shí)，大于?8 mm當(dāng)量缺陷不合格；壁厚大于50 mm時(shí)，邊緣區(qū)域大于?8 mm當(dāng)量的缺陷合格與否需要與用戶協(xié)商。其它區(qū)域的缺陷，則用不可測(cè)量寬度缺陷的最大長(zhǎng)度、單個(gè)缺陷最大面積、壁厚方向最大尺寸、單位面積內(nèi)的最大累計(jì)缺陷面積等參數(shù)加以限制。二者相比，ASTM的操作性強(qiáng)，缺陷判定簡(jiǎn)便快捷；EN標(biāo)準(zhǔn)考慮各種缺陷的不同狀況，雖然評(píng)判復(fù)雜缺陷時(shí)程序繁瑣，但應(yīng)用空間思維評(píng)價(jià)缺陷更加合理。

ASTM底波校驗(yàn)法中，若需要評(píng)定的缺陷面積無法劃定，則計(jì)做1 cm2，而在平底孔校驗(yàn)法中卻無類似規(guī)定。EN標(biāo)準(zhǔn)附錄中雖對(duì)成組的可分辨缺陷、成組的不可分辨缺陷、多個(gè)分散的單個(gè)缺陷進(jìn)行了圖示說明，但對(duì)具體的區(qū)分方法卻無明確規(guī)定，操作人員只能憑經(jīng)驗(yàn)主觀判別。這種未詳細(xì)敘述或敘述含糊的地方無疑會(huì)給缺陷判定帶來一些干擾。ASTM標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定則比較明確，如：25 mm的立方體內(nèi)有兩個(gè)或兩個(gè)以上缺陷時(shí)定義為密集缺陷；一個(gè)密集區(qū)內(nèi)缺陷間距小于該群缺陷中最大缺陷的最小尺寸時(shí)，該密集區(qū)應(yīng)補(bǔ)焊；兩個(gè)密集區(qū)的距離必須大于其中最大缺陷的最小尺寸，否則，含最大缺陷的密集區(qū)應(yīng)補(bǔ)焊。

3.3 對(duì)底波衰減的規(guī)定

底波嚴(yán)重衰減或消失可能是由以下情況造成的：(1)底面傾斜。(2)耦合不良。(3)探測(cè)區(qū)域晶粒粗大。(4)存在重大缺陷，缺陷波可見(如存在密集缺陷疏松)或不可見(如存在傾斜的面積型缺陷)。當(dāng)檢驗(yàn)壁面平行鑄件部位時(shí)，各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)底波降低量均有規(guī)定，當(dāng)發(fā)現(xiàn)底波降低量超過規(guī)定值時(shí)，應(yīng)確定底波降低的原因，例如接觸不良、耦合劑不足或存在缺陷等。EN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定記錄底波衰減超過規(guī)定值的區(qū)域，通過進(jìn)一步研究確定缺陷類型、形狀、尺寸和位置。如果確定底波衰減是由傾斜的面積型缺陷導(dǎo)致，應(yīng)確定傾斜缺陷的面積；若由于存在體積型缺陷所導(dǎo)致，則根據(jù)底波降低6dB的位置確定缺陷面積。同樣導(dǎo)致底波量降低，但兩種情況下缺陷的判定標(biāo)準(zhǔn)截然不同，一個(gè)按面積型缺陷判定，另一個(gè)則按體積型缺陷判定。ASTM標(biāo)準(zhǔn)方法A中按底波降低12 dB確定缺陷邊界，方法B中的規(guī)定有所不同：不管缺陷波幅高低，若底波降低≥12 dB(由缺陷的存在導(dǎo)致)的區(qū)域面積超過相應(yīng)的質(zhì)量等級(jí)，提高增益使底波達(dá)到100%底波高度后，若缺陷波幅度超過判廢線，則此缺陷拒收。

由于鑄造工藝原因或鑄件熱處理過程中加熱不均勻，會(huì)使鑄件晶粒粗大導(dǎo)致局部底波衰減，這種情況應(yīng)與需方或相關(guān)工藝部門商定處理辦法。細(xì)化晶粒熱處理可改善晶粒粗大問題，若仍按常規(guī)缺陷導(dǎo)致底波衰減的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定，通過去除缺陷后進(jìn)行補(bǔ)焊的修補(bǔ)方法則有失穩(wěn)妥。

表3 JB標(biāo)準(zhǔn)中易產(chǎn)生歧義的內(nèi)容

4 結(jié)語

EN標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)缺陷的性質(zhì)、形狀、尺寸等多種特征來制定缺陷的評(píng)定方法與驗(yàn)收準(zhǔn)則，檢測(cè)人員需要有熔煉、鑄造等相關(guān)專業(yè)的工藝知識(shí)，深刻理解常見缺陷的種類及波形特性，才能準(zhǔn)確地執(zhí)行EN標(biāo)準(zhǔn)，這無疑對(duì)檢測(cè)人員的素質(zhì)提出了很高的要求。ASTM標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)潔概括，發(fā)現(xiàn)缺陷后判定迅速，操作起來相對(duì)容易，不同檢測(cè)人員的檢驗(yàn)結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生很大差異。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)借鑒或直接翻譯使用歐洲標(biāo)準(zhǔn)，但個(gè)別地方翻譯后敘述不符合漢語閱讀習(xí)慣，檢測(cè)人員讀起來容易困惑或曲解，如表3所示。

標(biāo)準(zhǔn)是制定檢測(cè)工藝和執(zhí)行檢測(cè)的基礎(chǔ)。筆者認(rèn)為應(yīng)通過分析熔煉、鑄造、熱處理等相關(guān)工藝，或通過先進(jìn)的數(shù)值模擬手段得到容易產(chǎn)生缺陷的位置、種類、尺寸等信息，制定合理的檢測(cè)工藝和驗(yàn)收等級(jí)，使檢測(cè)更具針對(duì)性。

[1] 中國(guó)特種設(shè)備檢驗(yàn)協(xié)會(huì)組織編寫.超聲檢測(cè)[M].中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2007.

[2] 全國(guó)鍋爐壓力容器無損檢測(cè)人員資格考核委員會(huì)組織編寫.超聲檢測(cè)[M].中國(guó)鍋爐壓力容器安全雜志社，1995.