超聲波檢測試塊真實缺陷的精度驗證

楊濤，邊春華，李嘉淵，張國豐，俞照輝

超聲波檢測試塊真實缺陷的精度驗證

楊濤1，邊春華2，李嘉淵3，張國豐1，俞照輝1

（1.國核電站運行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233；2.中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314000；3.海鹽縣科技服務(wù)中心，浙江 嘉興 314000）

研究超聲波檢測試塊中真實缺陷的形態(tài)、精度及其偏差產(chǎn)生原因，為進(jìn)一步提高試塊精度提供技術(shù)支持。采用射線檢測、超聲檢測及解剖測量方法，對自主研發(fā)的超聲檢測試塊中植入的真實缺陷進(jìn)行了檢測，分析了缺陷的幾何尺寸及位置坐標(biāo)參數(shù)與設(shè)計值之間的偏差及其產(chǎn)生原因。經(jīng)表面打磨后，缺陷植入痕跡已完全消除，植入的裂紋形態(tài)自然，閉合度較好，且端點清晰，無二次擴(kuò)展現(xiàn)象。經(jīng)植入焊接后，缺陷載體與試件母體形成完全冶金結(jié)合，植入缺陷與自然缺陷在超聲波檢測信號上無區(qū)別，且在探頭到缺陷之間的聲束路徑上，沒有顯示異常的反射界面或次生缺陷信號。由射線和超聲檢測可知，缺陷的幾何尺寸及位置坐標(biāo)的偏差為±2.2 mm。由解剖測量可知，平均偏差絕對值小于0.7 mm。缺陷植入前設(shè)定的熔化余量與植入過程中焊接所產(chǎn)生的端部熔化量之間的差異造成了植入缺陷尺寸和位置與設(shè)計值之間的偏差。

超聲檢測；試塊；精度驗證；缺陷植入；真實缺陷

超聲波檢測是一種應(yīng)用廣泛、使用頻率極高的無損檢測方法，是一種能有效發(fā)現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的主要手段，廣泛應(yīng)用于能源電力、石油化工、航空航天及軌道交通等領(lǐng)域[1-4]。在檢測之前，通常需要利用帶有人工缺陷的試塊驗證檢測設(shè)備的精度、人員的能力及規(guī)程的有效性，以保障檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和置信度[5-6]。因而，驗證試塊中的缺陷對檢修目標(biāo)的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及其包含自然缺陷的模擬程度至關(guān)重要，其幾何尺寸、位置坐標(biāo)的精度及信號的真實性直接關(guān)系到檢測結(jié)果評定。然而，在試塊內(nèi)部制作定量真實缺陷[7-10]的難度非常大，尤其是裂紋[11-14]。國內(nèi)現(xiàn)有制作缺陷的方法主要有原位生成法和機(jī)加工方法[15-16]。這2種制作方法均存在很大的不足：原位生成法主要利用改變局部合金成分或凝固條件來促使缺陷產(chǎn)生[17]，很難對缺陷的尺寸和位置進(jìn)行精確控制；機(jī)加工法制作的缺陷與真實缺陷所產(chǎn)生的檢查信號有很大的區(qū)別[18]，對檢測結(jié)果的參考價值較低。針對這些問題，國外學(xué)者開發(fā)了真實缺陷植入工藝來制作高精度無損檢測試塊。目前，有關(guān)真實缺陷試塊尺寸精度驗證方法的公開報道極少。本文依托自主研發(fā)的缺陷植入工藝，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計并制作了包含真實缺陷的成套超聲檢測試塊。為了檢驗試塊中的缺陷是否滿足要求，采用超聲、射線無損檢測及解剖測量方法對其精度和信號仿真度進(jìn)行了驗證[19-21]，以期為該類產(chǎn)品的國產(chǎn)化和核心技術(shù)自主化提供依據(jù)。

1 試驗

采用自主開發(fā)的缺陷植入技術(shù)制作板狀試塊，所有缺陷均為真實裂紋。試塊規(guī)格為300 mm×280 mm× 30 mm，材質(zhì)為316L奧氏體不銹鋼。用于精度驗證的板狀試塊共5件，每件試塊均植入2～3處不等的缺陷，共計13處。試塊中缺陷的設(shè)計參數(shù)如表1所示?？梢?，13處缺陷的長度、高度、上端距、偏移量、左端距和傾角等幾何尺寸均不相同。其中，偏離量為植入裂紋偏離焊縫中心線的距離，A/B分別為試塊的上側(cè)和下側(cè)，上端距為裂紋上端點距離試塊表面的距離，左端距為缺陷長度的左沿與試塊左側(cè)壁的距離，WD為焊接方向。

2 檢測方法

無損檢測有超聲檢測和射線檢測2種方法。按照NB/T 47013.3—2015執(zhí)行超聲檢測和驗收，按照ASME第V卷標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行射線檢測，按照ASME第Ⅲ卷標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行驗收。

試塊的解剖測量流程如下：首先，利用超聲、射線檢測對缺陷位置進(jìn)行標(biāo)定，利用線切割法取出試塊缺陷及其四周各10 mm的母材；其次，按照圖1所示的方式進(jìn)行切片，測量每片上的裂紋長度和高度，對包含缺陷的最外側(cè)切片進(jìn)行磨削，直至裂紋完全消失，測量剩余切片的厚度；最后，通過計算確定缺陷的實際長度、寬度及位置參數(shù)。

表1 試塊的缺陷設(shè)計參數(shù)

Tab.1 Flaw design parameters of testing plates

圖1 缺陷的解剖切片示意圖

3 檢測結(jié)果

3.1 試塊的形貌

植入缺陷后，經(jīng)表面修整的試塊典型形貌如圖2所示，可見，試塊保留了焊縫正反面余高，其表面無植入焊接痕跡，且無法通過肉眼辨別缺陷植入?yún)^(qū)域的位置。

3.2 射線檢測

植入缺陷的射線成像典型形態(tài)如圖3所示[22-23]?？梢?，焊縫區(qū)域呈亮色，裂紋四周與試塊母體形成了冶金結(jié)合，完全融為一體。除植入缺陷外，無明顯的植入焊接邊界，且未產(chǎn)生氣孔、未熔合或微裂紋等次生缺陷。植入缺陷形態(tài)曲折，端點清晰，無張口現(xiàn)象，與機(jī)加工切割的常規(guī)試塊的縫隙有明顯區(qū)別。

在射線檢測條件下，裂紋植入后的長度、左端距（橫向）及偏移量（縱向）位置偏差如圖4所示。從圖4a可以看出，植入后裂紋長度參數(shù)的偏差為?0.5～+1.7 mm，除個別缺陷（MB002-F1）外，均為正偏差，所有裂紋長度偏差的平均值約為0.6 mm。由圖4b可見，裂紋左端距偏差為?1.0～+0.8 mm，平均值僅為?0.1 mm。裂紋的縱向偏差為?0.4～+0.5 mm，平均值為?0.1 mm，如圖4c所示。

圖2 試塊外觀的典型形貌

圖3 植入缺陷的射線成像形態(tài)

圖4 射線檢測下缺陷的幾何尺寸和位置坐標(biāo)偏差

3.3 超聲檢測

2種不同角度探頭超聲檢測信號的典型圖譜如圖5所示?？梢郧逦吹酵蝗毕?、不同角度探頭所產(chǎn)生的超聲波反射信號（短橫線標(biāo)記）。缺陷峰側(cè)壁呈現(xiàn)鋸齒狀折線形態(tài)，展示了與實際缺陷類似的信號特征[24-26]。這與常規(guī)試塊中的機(jī)加工孔、槽及縫隙等信號有著明顯的區(qū)別。

圖5 植入缺陷的超聲信號顯示典型圖譜

植入缺陷幾何尺寸的超聲檢測復(fù)驗精度偏差如圖6所示?？梢?，植入后裂紋的長度偏差為?1.0～+ 1.0 mm，高度偏差為?2.2～+1.2 mm，它們的偏差平均值分別為0.4 mm和0.1 mm。超聲檢測受分辨率、探頭角度、試塊表面狀況及焊縫晶粒形態(tài)變化等諸多因素影響，所得到的檢測數(shù)據(jù)與實際值會出現(xiàn)小量偏差[27-28]。

圖6 植入缺陷的超聲檢測尺寸與設(shè)計值之間的偏差

3.4 解剖測量

植入裂紋解剖測量的取樣方法及其切片形貌如圖7所示。由圖7a可見，為了避免取樣對缺陷造成破壞，線切割路徑應(yīng)遠(yuǎn)離植入?yún)^(qū)，且不與植入缺陷相交。取樣后，沿垂直裂紋長度方向進(jìn)行切片，如圖7b所示。由圖7c可見，裂紋已與試塊母體熔為一體，閉合度較好，且端點清晰，與射線及超聲檢測結(jié)果一致。宏觀上，裂紋面存在特征明顯的疲勞溝線。對裂紋面樣品進(jìn)行掃描電鏡觀察，可以清晰看到疲勞輝紋，如圖7d所示。

通過對切片進(jìn)行測量，可精確地確定裂紋幾何尺寸和位置坐標(biāo)，解剖測量結(jié)果如表2所示?？梢?，一套試塊中13個缺陷的長度和高度參數(shù)的最大偏差值分別為1.6 mm和0.9 mm，平均值分別為0.7mm和0.4 mm；上端距和左端距的最大偏差分別為1.7 mm和0.8 mm，平均值偏差分別為0.6 mm和0.4 mm。偏離量和傾角參數(shù)最大偏差分別為1.2 mm和1.2°，平均值分別為0.7 mm和0.3°。這說明缺陷植入孔位開制精確，且在植入過程中未出現(xiàn)橫向或縱向位移。

圖7 板狀試塊植入缺陷的解剖取樣位置及切片形貌

表2 試塊缺陷的解剖測量精度

Tab.2 Precision validation of implanted flaws by anatomical measurement

4 驗證結(jié)果及分析

從試塊的外觀（見圖2）來看，缺陷植入痕跡已完全消除，僅通過外觀的目視檢查無法判斷缺陷的位置和幾何尺寸，這符合超聲試塊的外觀要求。由射線成像圖片（見圖3）可見，植入裂紋與機(jī)加工的切割縫隙有著明顯的不同，與服役過程中形成的裂紋缺陷有著高度的相似性。這樣可保證在超聲檢測時產(chǎn)生與實際裂紋極度類似的信號特征（見圖5）[18]。另外，缺陷信號左側(cè)除背底草波外，無其他信號顯示，這說明在超聲波探頭到缺陷之間的聲束路徑上，無任何異常的信號反射界面或次生缺陷。由此可見，植入缺陷的焊縫不影響超聲波通過，也不對缺陷檢測造成干擾。這種缺陷信號可為實際的檢測工作提供更為逼真的參照，采用該類型試塊進(jìn)行標(biāo)定，對提高信號的置信度和正確判定缺陷有重要作用[5]。

在射線檢測中，植入的裂紋呈現(xiàn)投影形態(tài)，通過底片可直接測出缺陷的長度、橫向和縱向位置3個參數(shù)。由檢測結(jié)果（見圖4）可知，試塊中部缺陷的幾何尺寸更接近解剖驗證值，而試塊兩側(cè)缺陷的偏差則相對較大，這與射線源位于試塊中部的正上方有關(guān)，兩側(cè)位置上的缺陷存在一定的角度，從而小量地放大了缺陷尺寸[27]。

理論上，超聲檢測可以測出缺陷所有的幾何尺寸和定位坐標(biāo)參數(shù)，但是，受聲束分辨率、探頭角度、試塊表面狀況及焊縫晶粒度等因素的影響，難以得到1.0 mm以下的精度。另外，從檢測結(jié)果（見圖6）中還可以發(fā)現(xiàn)，在高度方向上，直裂紋的檢測結(jié)果與解剖值較為接近，而斜裂紋的檢測值變化較大，這就要求選擇合適角度的探頭。

解剖測量是直觀反映植入缺陷尺寸和位置精度的唯一手段。在本研究中，由解剖測量結(jié)果（見表2）可知，絕大數(shù)缺陷的幾何尺寸和位置參數(shù)與設(shè)計值之間的偏差為±2.2 mm，平均值小于1.0 mm。這說明在試板制作時，缺陷的尺寸預(yù)留量和植入焊接的端部熔化量高度匹配，滿足高精度真實缺陷超聲檢測試塊的制作要求。

5 結(jié)論

1）自主研發(fā)的高精度真實缺陷試塊中的缺陷與母材融為一體，無法通過外觀分辨缺陷的植入痕跡。植入后缺陷形態(tài)真實，端點清晰，無焊接應(yīng)力引起的張口及尺寸變化現(xiàn)象。

2）缺陷超聲波檢測信號真實，且在探頭到缺陷之間的聲束路徑上，無異常的反射界面或次生缺陷的信號顯示。

3）試塊中植入缺陷的幾何尺寸及位置坐標(biāo)精度較高。經(jīng)射線和超聲檢測，其平均偏差為±2.2 mm，經(jīng)解剖測量，其平均絕對值偏差小于1.0 mm，在裂紋面上可明顯觀測到疲勞輝紋。

4）植入后的缺陷展現(xiàn)了真實形態(tài)，缺陷植入前設(shè)定的熔化余量與植入過程中焊接所產(chǎn)生的端部熔化量之間的差異造成了植入缺陷尺寸和位置與設(shè)計值之間的偏差。

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Precision Validation of Real Flaws in Ultrasonic Testing Plates

YANG Tao1, BIAN Chun-hua2, LI Jia-yuan3, ZHANG Guo-feng1, YU Zhao-hui1

(1. State Nuclear Power Plant Service Company, Shanghai 200233, China; 2. CNNC Nuclear Power Operation Management Co., Ltd., Zhejiang Jiaxing 314000, China; 3. Haiyan County Science and Technology Service Center, Zhejiang Jiaxing 314000, China)

The work aims to study the morphology, precision and deviation causes of the real flaws in ultrasonic testing plates, so as to provide technical support for further improving the precision of testing plates. The ultrasonic testing (UT), radiographic testing (RT) and anatomical measurement were employed to measure the implanted real flaws in self-developed ultrasonic testing plates, and the deviation between the geometric size and coordinate parameters of the flaws and the designed values as well as the causes were analyzed. The track of implanting flaws was grounded completely after surface polishing and the cracks were natural in morphology with good closure. The tips were distinguishable without secondary propagation phenomenon. After implantation welding, the flaw carrier and the specimen matrix formed a complete metallurgical bond. The implanted flaws and natural flaws had no difference in ultrasonic testing signal and there was no abnormal reflection interface or secondary flaw signal on the sound beam path from the probe to the flaw. According to the RT and UT results, the average tolerances of the flaw size and location coordinates were ±2.2 mm and their absolute values were all less than 0.7 mm by anatomical measurement. The slight deviations of the flaw size and location are mainly caused by the difference between the melting margin sets of the flaws before implantation and the melting amount of the flaw ends during implantation welding process.

ultrasonic testing; testing plate; precision validation; flaw implanting; real flaw

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.10.025

TG457.11

A

1674-6457(2023)10-0212-07

2023-09-01

2023-09-01

國家重點研發(fā)計劃（2020YFB1901505）

National Key Research and Development Program of China (2020YFB1901505)

楊濤, 邊春華, 李嘉淵, 等. 超聲波檢測試塊真實缺陷的精度驗證[J]. 精密成形工程, 2023, 15(10): 212-218.

YANG Tao, BIAN Chun-hua, LI Jia-yuan, et al. Precision Validation of Real Flaws in Ultrasonic Testing Plates[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(10): 212-218.

責(zé)任編輯：蔣紅晨