国内外超声检测标准关于对比试块声学性能规定的比较

许金才

（中广核工程有限公司，深圳 518124）

被检工件进行超声检测时，为了保证超声检测结果的准确性、可重复性和可靠性，必须使用含有人工反射体（长横孔、短横孔、横通孔、平底孔、槽等）的对比试块来确定检测灵敏度，测试仪器和探头性能，调整仪器时基线扫描速度，评定缺陷大小，并根据验收标准以确定产品质量等级。对比试块和被检工件声学性能的差异，对检测结果的准确性有很大的影响；因此，国内外超声检测标准都规定用于制作对比试块材料的声学性能必须与被检件的声学性能相同或相近似。但如何判定，很多标准没有作规定，有些标准虽然作了规定，但判定方法各不相同，导致判定结论互相矛盾。因此，用哪些参数表征材料的声学性能，以及如何根据这些参数来判定声学性能的相近似是很必要的。笔者在从事超声检测工作中，有机会涉及按文中所述的国内外标准进行超声检测的产品，通过对国内外标准关于对比试块声学材料性能规定的比较分析，并测试钢板轧制方向和垂直于轧制方向的声速、衰减系数，并结合超声检测实践经验，提出用于判定对比试块与被检件声学性能相近似的方法。

1 各主要标准对超声检测用对比试块材料声学性能的规定

1.1 ASEM 第Ⅱ卷《材料》，第Ⅴ卷《无损检测》（2013版）

（1）第V 卷第4章《焊缝超声检测》规定：对比试块的材料应与被检材料的加工方式和材料技术条件相同，或与受检材料之一的P－No.（标准中材料的分组）相当，就此章来说产品标号为P－Nos.1，3，4，5A 到5C，15A 到15F 的材料被认为是相当的。对比试块至少应进行材料技术条件中对该类型和等级材料所要求的最低温度的热处理。若对比试块含有除堆焊以外的焊缝，且部件焊缝在检验时已经热处理，则对比试块应作同样的热处理。

（2）第V 卷第5章《材料超声检测》规定：对比试块的材料应与被检材料的加工方式和材料技术条件相同，或与受检材料之一的P－No.相当，就此章来说产品标号为P－Nos.1，3，4，5A 到5C，15A 到15F的材料被认为是相当的。

（3）SA－508／SA－508M《压力容器用经真空处理的淬火加回火碳钢和合金钢锻件》补充要求S2.1.1规定：声学性能相近似是指，在不改变探伤仪设置的前提下，比较等厚度对比试块和被检锻件的底面反射波，两者相差不大于25%。

（4）SA－788／SA－788M《钢锻件通用要求》补充要求S20.2.4.1规定：声学性能相近似是指，在不改变探伤仪设置的前提下，比较等厚度对比试块和被检锻件的底面反射波，两者相差不大于25%。

（5）SA－578／SA－578M《特殊用途的普通钢板和复合钢板直射波超声检验标准》补充要求S8.3中规定：声学性能相近似是指，在不改变探伤仪设置的前提下，对比试块和被检钢板的底波相差不大于25%。

1.2 欧洲规范、标准

（1）RCC－M 规范（2000版＋2002补遗）《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》、NF A 04—308《钢锻件超声检测》规定对比试块应取自：被检工件的延长部分；与被检工件的材料和热处理状态相同的余料；声学性能与被检工件相近似的材料。

（2）EN 1714《焊缝的无损检测－焊接接头的超声检测（包括补充附件A1）》中对材料的超声波特性值的规定：其基础为超声波在钢材中的速度，纵波（5 920±50）mm／s，横波（3 255±30）mm／s，以此作为检测不同声速材料的计算依据。

1.3 日本标准

JIS 3060《铁素体钢焊缝的超声波检验方法》规定：被检工件和对比试块的声速差异在±2%以内。

1.4 JB／T 4730.3—2005《承压设备无损检测》第3部分：超声检测

该标准的一般要求中规定：试块应采用与被检工件声学性能相同或近似的材料制成，该材料用直探头检测时，不得有大于等于φ2平底孔当量直径的缺陷。

在规范性附录F 中规定，焊缝超声检测时，对碳钢和低合金钢板材的材质衰减，在频率低于3MHz、声程不超过300mm 时，或者衰减系数小于0.01dB／mm 时可以不计；声程较大或材质衰减系数超过0.01dB／mm，在确定缺陷反射波幅时，应考虑材质衰减修正，规定了横波超声材质衰减的测量和传输损失差的测定。

1.5 NB／T 20003.2—2010《核电厂核岛机械设备无损检测》第2部分：超声检测

制作对比试块的材料应取自：被检件延长段或自被检件中割下的余料；与被检件具有相同材料和热处理状态的部件割下的余料；与被检件具有相近声学特性的材料。除另有规定外，对比试块和被检件间的声学性能差异在下述范围内，则认为具有相似的声学特性：声速±5%，声阻抗±5%，衰减系数±20%或厚度相同底波信号差异小于4dB。

2 对比分析

2.1 关于声学性能相近似的规定

国内外超声检测规范、标准关于对比试块与被检件声学性能相近似的规定可以分为：

（1）规定对比试块与被检件所用材料的技术条件和加工方式相同，保证其声学性能与被检件相同或相近似，所有法规、标准都有此规定。

（2）规定对比试块与被检件的P－No.相当，保证其声学性能与被检件相同或相近似，这是ASME第V 卷第4，5章的专门规定。

（3）规定了用于判定声学性能相近似的参数及其指标，但不同标准如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，规定的参数及指标各不相同。

（4）对如何判定声学性能相同或相近似未作明确规定，如RCC－M 规范、NF A 04－308等。

上述四种规定中：

第一种规定明确，容易理解和执行，只要对比试块和被检件材料的技术条件和加工方式相同，其声学性能就相同或相近似；从另一个方面来说，制造产品的材料种类越多，试块的数量也就越多，会增加成本和试块管理难度。而承压设备的焊接结构中，常常有板材和锻件、板材和钢管、锻件和钢管焊接的情况，这时就必须使用和被检件声学性能相近似的对比试块，以满足被检工件检测的实际需要。

第二种规定明确、容易理解和执行，ASME 第IX 卷有每种材料的P－No.号，但只适用于ASME材料，对其他国家（如中国、欧洲、日本等）材料不适用。

第三种规定有具体的参数及指标，容易理解和执行，但各标准间，材料声学性能的参数不同、指标不同，宽严不一，如SA－508／SA－508M、SA－578／SA－578M、SA－788／SA－788M 只规定 了底波 高度的 差别，指标较合理；EN1714、JIS3060只规定了声速的差别，指标较严；JB／T4730.3只适用板材焊缝；NB／T 20003.2—2010标准的参数全面，但指标较低。

第四种规定不明确，没有具体的参数和指标，不同的人有不同的理解，而且差异很大，实际执行中偏差幅度大，甚至难以执行。

2.2 表征材料声学性能的声学参数

材料声学性能是个物理概念，必须用可量化的声学参数描述，才可以判断两种材料的声学性能是否相同或相近似。超声检测对比试块所有用途可以归结为对反射体的定位和定量，影响定位准确性的是材料的声速，影响定量准确性的是材料的超声衰减；因此，笔者认为在超声检测中，用声速和超声衰减表征材料的声学性能是比较合适的。对文中所列举的国内外超声检测标准关于判定对比试块和被检件声学性能相近似的规定，笔者认为NB／T 20003.2—2010标准中第3 条采用声速、声阻抗和衰减系数的相差值作为判据是比较合理的。但是，NB／T 20003.2—2010标准中没有规定声速、声阻抗和衰减系数三参数具体测试方法和评价方法。

3 声速、材质衰减系数的测定和评价

图2 横波声速测定

准确测定钢材声速和材质衰减系数要用专门仪器，在工厂条件下可以采用以下方法测定声速和材质衰减系数，测定结果可以用于判定对比试块和被检工件声学性能是否相近似。

3.1 钢材声速的测定

仪器：时间轴可以显示时标和声程的数字型脉冲反射式超声波探伤仪。

3.1.1 纵波声速测定

将单晶片直探头置于对比试块或被检工件表面上（图1），读取底面脉冲回波的声程Le和传播时间t，则纵波声速vL为：

图1 纵波声速测定示意

3.1.2 横波声速测定

用单晶斜探头扫查对比试块或被检工件中的反射体，找到该反射体的脉冲回波，从仪器上读取横波声程Ls和传播时间t，则横波声速vs为：

由图2可知，反射体可以是对比试块上人工孔、刻槽等人工缺陷，也可以是对比试块或被检工件直角部位的尖角，被检工件内部细小的点状缺陷。

横波声速也可以根据图1测定的纵波声速按式（3）计算：

3.2 材质衰减系数的测定

对比试块和被检工件材质衰减系数α，一般可采用二次（或多次）底波与一次底波高度分贝差值ΔN进行计算：

式中：ΔNg为材质衰减引起的分贝差值；ΔNe为声束扩散引起的分贝差值；ΔNd为检测面曲率半径和粗糙度的分贝差值，即传输损失。

3.2.1 单晶直探头纵波材质衰减系数测定

单晶直探头纵波材质衰减系数α可以按JB／T 4730—2005《承压设备无损检测》规定的方法测定。

将单晶直探头置于对比试块或被检工件与底面平行的检测面上，调节仪器使第一次底面回波幅度（B1或Bn）为满刻度的50%，记录此时衰减器的读数；再调节衰减器，使第二次底面回波幅度（B2或Bm）为满刻度的50%，两次衰减器读数之差即为（B1、B2）或（Bn、Bm）的dB差值（不考虑底面反射损失）。

衰减系数（T＜3N，且满足n＞3N／T，m＝2n）按式（5）计算：

式中：α为衰减系数，dB／m（单程）；（Bn－Bm）为两次衰减器的读数之差，dB；T为工件检测厚度，mm；N为单直探头近场区长度，mm；m、n为底波反射次数。

衰减系数（T≥3N）按式（6）计算：

式中：（B1－B2）为两次衰减器的读数之差，dB；其余符号意义同式（5）。

3.2.2 单晶斜探头横波材质衰减系数测定

采用一发一收两个斜探头进行测定，两个斜探头规格（频率、晶片尺寸、角度等）应相同。探头按图3（a）放置，两者间的透过回波可看作为底面回波。通过对仪器的调节，使该回波高度等于基准高度。然后，两只探头按图3（b）放置（两者间距应准确地等于二个跨距），获得第二次底面回波的透过回波，读取回波的高度与基准高度的dB差值ΔNg。

图3 斜探头测量材质衰减系数的示意图

对比试块或被检工件的横波材质衰减系数α可按式（7）计算：

式中：ΔL为两个回波声程差，2a（图3）；

ΔNe为声速扩散产生的衰减分贝值，一般取理论值：可从根据反射体波高与反射体距离和当量大小之间关系的理论计算公式绘制的AVG 曲线上求得。

按上述步骤测定对比试块或被检工件材质衰减系数α时，要求两者的曲率半径和表面粗糙度相同，否则应对式（4）中的传输损失ΔNd进行实测，测定方法可按EN583－2：2001《无损检测 超声检验 第2部分：时基线和灵敏度调整》第6.5条“传输修正值的测定”的要求。

3.3 参数评价

各种钢材，如钢板、钢管、锻件和圆钢等，生产过程可能形成各向异性，导致不同方向声速和衰减系数α存在差异。如果被检工件的检测方向的声速和衰减系数α与对比试块的声速和衰减系数α的差别不超过标准规定范围，对缺陷定位和定量的影响可以略去不计，否则应判定对比试块和被检工件声学性能是否相近似。

钢材各向异性大小，取决于钢材材质生产工艺和钢材供货热处理状态。钢材各向异性导致的不同方向的声速和材质衰减系数α的不同，在判定对比试块和被检工件声学性能是否相近似时必须考虑。有些钢材，各向异性不严重，有些钢材各向异性较严重，笔者采用规格为2.5P13×13K1的探头，对一块材质为Q245R，板厚为40mm 的钢板的轧制方向和垂直于轧制方向的横波声速和衰减系数α分别进行测试。其横波声速结果分别为3 264，3 286m／s；衰减系数α分别为0.003 4，0.003 8dB／mm。

由测试数据可知：钢板轧制方向和与之垂直方向的声速相差0.7%，两个方向材质衰减系数α相差11.8%，均小于NB／T 2003.2—2010的规定值；按该标准可以判定为该钢板轧制方向和垂直于轧制方向的声学性能相近似。在这两个方向上进行探伤，钢板各向异性导致声速、衰减系数的差异，不会影响缺陷定位和缺陷定量。

钢板供货状态是退火（薄板）或正火（中厚板）状态，其晶粒细化，组织较均匀，但仍存在轧制方向和垂直于轧制方向的晶粒排列方式的不同，这种各向异性导致两个方向的声速和衰减系数略有差别；如上所述，这种差别对缺陷定位和定量影响可以忽略不计，常用钢板的情况都是如此。某些特殊钢板，轧制方向和垂直于轧制方向的各向异性可能较大，导致声速、衰减系数相差较大，可能会影响缺陷的定位和定量。

4 结语

为保证超声检测定位定量准确性符合相应标准的要求，国内外超声检测标准都规定了对比试块声学性能应与被检件相近似。如何判定其相似性，国外很多标准给出了可以量化的参数指标作为判据，国内很多超声检测标准没有或不全面，建议标准修订时，增加这方面的内容。