焊縫超聲檢測(cè)靈敏度與檢出缺陷的數(shù)字定量分析

(廣州市特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣州 510663)

1 問(wèn)題的提出

采用斜探頭對(duì)焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí),相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定用探頭對(duì)對(duì)比試塊中不同深度的一定直徑和長(zhǎng)度的橫孔(基準(zhǔn)反射體)進(jìn)行測(cè)定，并制作距離-波幅曲線(DAC)，在此基準(zhǔn)線的基礎(chǔ)上, 再提高或降低一定的靈敏度dB值，以作為檢測(cè)掃查靈敏度和缺陷評(píng)定靈敏度[1-2]。在對(duì)檢出缺陷進(jìn)行定量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)要求首先確定缺陷波幅在距離-波幅曲線族上的區(qū)域，然后再測(cè)定缺陷的指示長(zhǎng)度。然而，在這兩個(gè)缺陷定量的參數(shù)中，只有反映缺陷長(zhǎng)短的缺陷指示長(zhǎng)度可用數(shù)字表示，而反映缺陷直徑當(dāng)量大小的缺陷波幅卻未轉(zhuǎn)換成用缺陷尺寸數(shù)字表示，因而檢測(cè)、焊接、質(zhì)量監(jiān)督人員難以對(duì)缺陷情況有直接和全面的了解；此外，對(duì)不同尺寸對(duì)比試塊如何等效代用，也是值得探討的問(wèn)題。

筆者擬在用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的靈敏度進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，對(duì)檢出的缺陷作數(shù)字定量分析，并在缺陷定量分析的基礎(chǔ)上，探討不同尺寸對(duì)比試塊的等效代用方法，從而為檢測(cè)人員對(duì)檢測(cè)靈敏度的確定、對(duì)缺陷的處理和對(duì)不同尺寸對(duì)比試塊的等效代用等提供參考。

2 根據(jù)探頭聲束寬度確定焊縫超聲檢測(cè)反射體類型的計(jì)算

2.1 計(jì)算過(guò)程

(1) 用2 MHzφ12 mm (β=60°)的斜探頭對(duì)CSK-ⅡA-1試塊中深度為35 mm的φ2 mm×40 mm(直徑×橫孔長(zhǎng)度,下同)橫孔進(jìn)行反射體類型的計(jì)算。

斜探頭對(duì)試塊中橫孔檢測(cè)示意的正視圖如圖1所示，在ΔOAB中,AB=35 mm,cos60°=0.5,得OB=70 mm。

圖1 斜探頭對(duì)試塊中橫孔的檢測(cè)示意(正視圖)

圖2 斜探頭對(duì)φ2 mm×40 mm橫孔檢測(cè)示意(俯視圖)

(2) 用2 MHzφ12 mm (β=60°)的斜探頭對(duì)CSK-IIA-2試塊中深度為90 mm的φ2 mm×60 mm橫孔進(jìn)行反射體類型的計(jì)算。

如圖1所示,在ΔOAB中,AB=90 mm,則OB=180 mm。

橫孔檢測(cè)示意的俯視圖如圖3所示，在ΔOBC中,θ0=9°25′,則BC=29.85 mm，探頭聲束寬度DC=59.70 mm<60 mm(橫孔長(zhǎng)度)，所以φ2 mm×60 mm的橫孔屬于長(zhǎng)橫孔反射。

圖3 斜探頭對(duì)φ2 mm×60 mm橫孔檢測(cè)示意(俯視圖)

圖4 斜探頭對(duì)φ6 mm×80 mm橫孔檢測(cè)示意(俯視圖)

(3) 用2 MHzφ12 mm(β=60°)的斜探頭對(duì)CSK-ⅣA-1試塊中深度為110 mm的φ6 mm×80 mm橫孔進(jìn)行反射體類型計(jì)算。

如圖1所示，在ΔOAB中,AB=110 mm,得OB=220 mm。

橫孔檢測(cè)示意的俯視圖如圖4所示，在ΔOBC中,θ0=9°25′,BC=36.49 mm,探頭聲束寬度DC=72.98 mm<80 mm(橫孔長(zhǎng)度),所以φ6 mm×80 mm橫孔屬于長(zhǎng)橫孔反射。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

(1) NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分 超聲檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)中,I型焊接接頭使用的對(duì)比試塊CSK-IIA-1,CSK-IIA-2,CSK-IIA-3中的φ2 mm×40 mm,φ2 mm×60 mm橫孔屬于長(zhǎng)橫孔反射；對(duì)比試塊CSK-IVA-1,CSK-IVA-2,CSK-IVA-3中的φ6 mm×80 mm,φ6 mm×100 mm,φ6 mm×120 mm橫孔屬于長(zhǎng)橫孔反射。I型焊接接頭使用的對(duì)比試塊CSK-IIIA中的φ1 mm×6 mm橫孔屬于短橫孔反射。II型焊接接頭檢測(cè)使用的GS-1,2,3,4對(duì)比試塊中的φ2 mm×20 mm橫孔屬于長(zhǎng)橫孔反射。

(2) GB/T 11345-2013《焊縫無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)中,技術(shù)1選用的RB-1,RB-2,RB-3對(duì)比試塊的φ3 mm×40 mm橫孔屬于長(zhǎng)橫孔反射[3]。

用回波聲壓公式進(jìn)行相關(guān)計(jì)算時(shí)，屬于長(zhǎng)橫孔反射的，采用長(zhǎng)橫孔公式計(jì)算；屬于短橫孔反射的，采用短橫孔公式計(jì)算。

考慮到CSK-IIIA試塊中的φ1 mm×6 mm橫孔屬于短橫孔反射，由于試塊寬度較小(只有30 mm)，容易使發(fā)射到試塊兩側(cè)的超聲波束發(fā)生側(cè)壁反射而干擾聲場(chǎng)，因而該試塊已不屬主流試塊，目前也只在標(biāo)準(zhǔn)附錄中推薦使用,故文章不對(duì)該試塊在使用時(shí)作缺陷定量分析。筆者只對(duì)基準(zhǔn)反射體屬于長(zhǎng)橫孔的試塊在使用時(shí)作缺陷定量分析。

3 不同檢測(cè)靈敏度檢出缺陷直徑當(dāng)量的計(jì)算公式

(1) 長(zhǎng)橫孔反射回波聲壓計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中：Pf為長(zhǎng)橫孔回波聲壓；P0為探頭波源起始聲壓；Fs為探頭波源面積；λ為波長(zhǎng)；x為長(zhǎng)橫孔至波源距離；Df為長(zhǎng)橫孔直徑。

(2) 兩個(gè)不同直徑,不同距離的長(zhǎng)橫孔(用下標(biāo)1，2區(qū)分)反射回波聲壓分貝差為

(2)

(3) 兩個(gè)不同直徑,相同距離的長(zhǎng)橫孔反射回波聲壓分貝差為

(3)

式(3)中，當(dāng)知道長(zhǎng)橫孔直徑Df 1及Df 1、Df 2兩個(gè)長(zhǎng)橫孔間的反射回波聲壓分貝差Δ12，就可求得長(zhǎng)橫孔直徑Df2。

具體到焊縫超聲波檢測(cè)，當(dāng)知道基準(zhǔn)反射體的直徑Df1和在基準(zhǔn)線基礎(chǔ)上提高的靈敏度Δ12，就可求得在此靈敏度時(shí)檢出的缺陷直徑當(dāng)量Df2。

4 計(jì)算實(shí)例與結(jié)果

4.1 計(jì)算實(shí)例

4.1.1 實(shí)例1

用CSK-IIA-1對(duì)比試塊的φ2 mm×40 mm長(zhǎng)橫孔作為基準(zhǔn)反射體檢測(cè)厚度20 mm的對(duì)接焊縫，NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)定線靈敏度是φ2 mm×40 mm-18 dB，則該靈敏度檢出的缺陷直徑當(dāng)量可按式(3)求出為0.032 mm。(這時(shí)的評(píng)定線就相當(dāng)于以φ0.032 mm×40 mm長(zhǎng)橫孔作為基準(zhǔn)反射體的距離-波幅曲線)。

4.1.2 實(shí)例2

用CSK-IIA-1對(duì)比試塊的φ2 mm×40 mm長(zhǎng)橫孔作為基準(zhǔn)反射體檢測(cè)厚度20 mm的對(duì)接焊縫，NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)定線靈敏度是φ2 mm×40 mm-18 dB。在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一個(gè)深度為10 mm的缺陷，其波幅比同深度評(píng)定線高6 dB，也就是缺陷波幅位于φ2 mm×40 mm-12 dB的位置上, 可按公式(3)計(jì)算檢出的缺陷直徑當(dāng)量Df2= 0.126 mm。

4.2 計(jì)算結(jié)果匯總

根據(jù)公式(3)計(jì)算得到的在不同檢測(cè)靈敏度時(shí)檢出的缺陷直徑當(dāng)量,見表1～4。

表1 NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)中I型焊接接頭在不同檢測(cè)靈敏度時(shí)檢出的缺陷直徑當(dāng)量 mm

4.3 不同直徑橫孔對(duì)比試塊的等效代用

(1) 大直徑長(zhǎng)橫孔試塊代用小直徑長(zhǎng)橫孔試塊的步驟和方法

① 計(jì)算大、小直徑兩橫孔的反射回波聲壓分貝差；② 在大直徑橫孔DAC曲線基礎(chǔ)上，提高由①計(jì)算得到的反射回波聲壓分貝差(這時(shí)的大直徑橫孔DAC曲線就相當(dāng)于小直徑橫孔的DAC曲線)；③ 在小直徑橫孔DAC曲線基礎(chǔ)上，按標(biāo)準(zhǔn)的要求分別提高評(píng)定、定量、判廢線要求提高的靈敏度dB值，這樣就得到大直徑橫孔確定的評(píng)定線、定量線和判廢線。

(2) 小直徑長(zhǎng)橫孔試塊代用大直徑長(zhǎng)橫孔試塊的步驟和方法

① 計(jì)算大、小直徑兩橫孔的反射回波聲壓分貝差；② 在小直徑橫孔DAC曲線基礎(chǔ)上，降低由①計(jì)算得到的反射回波聲壓分貝差(這時(shí)的小直徑橫孔DAC曲線就相當(dāng)于大直徑橫孔的DAC曲線)；③ 在大直徑橫孔DAC曲線基礎(chǔ)上，按標(biāo)準(zhǔn)的要求分別提高評(píng)定、定量、判廢線要求提高的靈敏度dB數(shù)，這樣就得到小直徑橫孔確定的評(píng)定線、定量線和判廢線。

表2 NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)中I型焊接接頭在檢測(cè)和評(píng)定橫向缺陷時(shí)的檢測(cè)靈敏度(表1中各線靈敏度提高6 dB)與檢出的缺陷直徑當(dāng)量 mm

表3 NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)中II型焊接接頭在不同檢測(cè)靈敏度時(shí)檢出的缺陷直徑當(dāng)量 mm

表4 GB/T 11345-2013,GB/T 29712-2013標(biāo)準(zhǔn)中不同檢測(cè)靈敏度檢出的缺陷直徑當(dāng)量 mm

注：t為板厚；L為缺陷顯示長(zhǎng)度；H0為參考靈敏度 (基準(zhǔn)靈敏度) 。檢測(cè)技術(shù)1規(guī)定以直徑3 mm橫孔作為基準(zhǔn)反射體制作DAC曲線,并以此作為參考靈敏度 (基準(zhǔn)靈敏度)

(3) 雖然可以用提高或降低靈敏度的方法使不同直徑的長(zhǎng)橫孔試塊等效代用，但由于計(jì)算公式較為復(fù)雜, 在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算更不容易, 因而這種代用方法雖然可行，但也是不宜提倡的，還是應(yīng)該多從試塊的設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定上考慮。

5 計(jì)算結(jié)果的應(yīng)用

(1) 通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，得到在不同檢測(cè)靈敏度時(shí)檢出的用數(shù)字表示的缺陷直徑當(dāng)量，通過(guò)數(shù)字的比較，檢測(cè)人員對(duì)檢測(cè)靈敏度的高低就更容易判別，選擇檢測(cè)靈敏度也更有依據(jù)。

如表1所示，用CSK-IIA-1試塊檢測(cè)厚度在6～40 mm間的焊縫，評(píng)定線、定量線、判廢線靈敏度分別是φ2 mm×40 mm-18 dB,φ2 mm×40 mm-12 dB和φ2 mm×40 mm-4 dB，這時(shí)檢出的缺陷直徑當(dāng)量分別是0.032,0.126,0.796 mm，定量線檢出的缺陷直徑當(dāng)量是評(píng)定線的3.94倍，判廢線檢出的缺陷直徑當(dāng)量是評(píng)定線的24.88倍。這就使得檢測(cè)人員更易了解檢測(cè)靈敏度的高低。

(2) 由計(jì)算得到缺陷的尺寸數(shù)據(jù)，可對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)靈敏度高低作出比較。

如表1所示，用NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)的CSK-IIA-1試塊檢測(cè)40 mm厚的焊縫，評(píng)定線、定量線、判廢線靈敏度檢出的缺陷直徑當(dāng)量分別是0.032,0.126,0.796 mm；如表4所示，用GB/T 11345-2013標(biāo)準(zhǔn)選用的RB-3試塊檢測(cè)同樣厚度的焊縫，驗(yàn)收等級(jí)2級(jí)評(píng)定線、定量線、判廢線檢出的缺陷直徑當(dāng)量分別是0.119,0.119(L>t),0.300 mm(L>t)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，檢測(cè)人員就能對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)靈敏度高低加以比較，有助于對(duì)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的選擇。

(3) 根據(jù)要求檢出的缺陷尺寸確定最低檢測(cè)靈敏度，可以有目的地確定檢測(cè)靈敏度，從而使檢測(cè)靈敏度不致過(guò)高或過(guò)低，更有合理性。

(4) 在檢測(cè)過(guò)程中，根據(jù)缺陷反射波的波幅確定缺陷的尺寸，有助于對(duì)缺陷的了解、定性和處理。

(5) 通過(guò)試算得到檢出缺陷的尺寸數(shù)字，為不同直徑橫孔對(duì)比試塊的等效代用提供了依據(jù)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，得到在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測(cè)靈敏度時(shí)檢出的缺陷直徑當(dāng)量尺寸，以及在檢測(cè)過(guò)程中根據(jù)缺陷反射波波幅確定的缺陷直徑當(dāng)量尺寸。在數(shù)字定量分析的基礎(chǔ)上，探討了在不同檢測(cè)靈敏度時(shí)檢出的缺陷直徑當(dāng)量的變化，以及不同尺寸對(duì)比試塊的等效代用方法。為檢測(cè)人員確定合適的檢測(cè)靈敏度、等效選用檢測(cè)對(duì)比試塊和更直接了解缺陷情況提供參考，也為制定科學(xué)合理的檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)提供幫助。

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