承压设备管子和管道环向对接接头的超声检测用对比试块

马 伟

(四川正吉油气田工程建设检测有限责任公司，成都 610000)

NB/T 47013.3-2015标准正文6.4条规定了承压设备Ⅱ型焊接接头的超声检测方法，但对厚度为4～6 mm且曲率半径在80 mm以上的锅炉、压力容器等设备的管子和压力管道的环向对接接头超声检测用对比试块未作出明确规定。该标准附录K(包括其1号修改单)对于壁厚不小于6 mm，曲率半径为80～250 mm的环向对接接头超声检测用对比试块的曲率半径只给出了原则性规定，未进行细化。NB/T 47013.3-2015标准要求对比试块与被检件具有相同或相似的声学性能，但未给出声学性能相似性的具体衡量指标和判断依据。

上述两类管道经常出现在石油化工行业的工程检测中，由于制造、安装、检测机构及在用检验机构检测对象的不确定性，在遇到此类管道时，就需要根据被检对象来制作不同规格的对比试块，这样就会造成制作的对比试块数量繁多，不同机构制作的对比试块质量参差不齐，有的甚至达不到标准的最低要求，进而影响检测结果的准确性，增加不必要的检测成本。笔者根据多年的工程实践，结合NB/T 47013.3-2015标准最新要求，就如何解决此类管道检测用试块的问题提出了改进建议。

1 RB-C系列对比试块的要求和分析

1.1 试块曲率要求

NB/T 47013.3-2015标准附录K(规范性附录)规定了壁厚不小于6 mm，曲率半径为80～250 mm的环向对接接头的超声检测要求，对比试块RB-C尺寸见标准中表K.1，横孔位置分布及制作尺寸、精度要求见标准中1号修改单。

标准中K2.5条款规定，工件检测面曲率半径为对比试块曲率半径的0.9～1.5倍。

因此将对比试块曲率半径控制在工件检测面曲率半径的0.67～1.11倍内，为满足工件检测面曲率半径为80～250 mm的要求，至少需要3种不同曲率的对比试块。为便于取材和加工，选择工程上常见的公称直径为168，273，406 mm等3种规格的管道作为对比试块进行送料加工，将RB-C系列对比试块曲率半径控制在工件检测面曲率半径的0.67～1.09倍内，使其完全满足NB/T 47013.3-2015标准中K2.5条的规定，经增加曲率后的RB-C系列对比试块尺寸如表1所示。

表1 RB-C系列对比试块尺寸(增加曲率) mm

在使用该系列对比试块时，还应考虑标准正文6.3.10.1条的规定，确保检测面曲率半径R>W2/4(W为探头接触面宽度，环缝检测时为探头宽度，纵缝检测时为探头长度)。否则，应采用与检测面曲率相同的对比试块。

1.2 试块厚度要求

NB/T 47013.3-2015标准中K2.6条款规定,试块厚度与工件厚度相差不应超过工件厚度的20%。

该类环向焊接接头通常采用单面焊双面成形的焊接技术，超声检测时仅能从外壁进行单面双侧扫查，按平板对接接头的B级技术等级要求执行。对于壁厚为6～40 mm的工件需要采用一种K值的斜探头进行单面双侧检测，对于壁厚为40～100 mm的工件则需要采用两种K值的斜探头进行单面双侧检测。经常遇到的管径小于500 mm的管道公称壁厚通常都小于50 mm，应按标准附录K“表K.1 RB-C系列对比试块尺寸(推荐)”确定试块的壁厚和横孔深度位置分布。

1.3 对比试块宽度的确定

在NB/T 47013.3-2015标准1号修改单对应的图示中，规定编号为RB-C-1，RB-C-2，RB-C-3的试块宽度为20 mm，规定编号为RB-C-4，RB-C-5的试块宽度不小于20 mm。笔者认为，在确定编号为RB-C-4，RB-C-5的试块宽度时还应考虑标准正文6.3.10.1条的规定。标准正文6.3.10.1条规定了检测曲面工件(曲率半径小于250 mm)时，所采用对比试块曲率半径、宽度的原则性要求，并给出了试块宽度b的计算公式。

b≥2λS/D0

(1)

式中：b为试块宽度；λ为超声波波长；S为声程；D0为声源有效直径。

也就是说，对于RB-C系列试块中厚度不小于30 mm的试块，其宽度应结合实施检测时所采用的检测工艺参数(如波的类型、探头频率、晶片尺寸、最大声程等)进行综合考虑。笔者认为,在确定该系列对比试块宽度时，不宜将其数值设计得过大，满足式(1)要求即可。随着试块宽度的增加和试块曲率的减小，深度位置较浅的横孔(如深度位于4，5 mm等)贯穿位置出现在试块两侧弧面(曲面)上的概率增加，会造成加工困难且不易控制横孔深度的加工精度。同时，由于试块宽度的增加，在实际操作过程中探头容易走偏，不易测得所测横孔的准确深度，造成扫描量程误差变大。笔者认为，在采用横波斜探头检测厚度为6～50 mm的工件时，将试块宽度控制在20～25 mm之间比较适宜。

1.4 分析

将该类超声检测用对比试块按试块曲率半径分成3组，每组需要5个试块以覆盖厚度为6～50 mm，曲率半径为80～250 mm的环向对接接头共计15块。

从表1可看出, 覆盖厚度为6～50 mm，外径为160～500 mm的工件所需试块数量较多,且该类对比试块只能用来制作距离-波幅曲线，无法直接准确地测量所用探头和仪器的延迟时间及斜探头入射点前沿值，无法测量所用仪器和斜探头的远场分辨力、灵敏度余量和组合频率等指标，且不便操作。

2 GS系列对比试块的要求和分析

标准NB/T 47013.3-2015中6.4条规定GS系列对比试块(GS-1～GS-4)共有8种曲率半径，其适用范围按试块曲率半径的0.9～1.1倍选取，同时允许添加不同曲率和厚度的其他试块。为解决厚度为4～6 mm且曲率半径大于80 mm的环向焊接接头的检测用对比试块的需求，建议参照标准K2.5条款规定，在原GS系列试块的基础上增加两块试块。由于一块GS试块可加工成两种不同的曲率半径，参照RB-C系列对比试块曲率半径要求进行适当的优化，将对比试块曲率半径确定为88，118，178 mm和平面4种，可满足壁厚为4～50 mm且曲率半径大于80 mm的环向焊接接头超声检测用试块要求。

随着材料制造工艺水平的提高，工件会向薄壁化、轻量化的方向发展，增加平面试块是为了满足可能出现的壁厚为4～6 mm且直径大于500 mm管道环向对接接头超声检测用对比试块的需求，保持对比试块尺寸在一定时期内的稳定性和较长的寿命周期。GS系列对比试块参数如表2所示。

表2 GS试块参数 mm

GS系列对比试块体型轻巧，便于携带，且用途广泛，可用于斜探头入射点、折射角的测量和仪器-斜探头检测系统的远场分辨力、灵敏度余量、组合频率的测试以及仪器-斜探头检测系统的检测校准。在壁厚为6～50 mm时，GS-5(暂定)、GS-6(暂定)对比试块的横孔分布位置已全部覆盖RB-C系列试块的横孔深度位置，也可将其作为RB-C系列的替代试块。在使用GS-5(暂定)、GS-6(暂定)对比试块进行检测时，应注意其与被检材料(包括RB-C系列试块)之间的声学性能差异，尽量确保两者的声学性能相似。GS对比试块结构如图1所示。

图1 GS对比试块结构示意

3 被检材料与对比试块的声学性能要求

NB/T 47013.3-2015标准第4.2.3.2条规定,对比试块应与被检件化学成分相似，含有意义明确的参考反射体，其外形尺寸应能代表被检工件的特征，与被检件具有相同或相似的声学性能。采用被检工件的余料加工对比试块，可确保两者的声学性能相同，但这需要耗费较长的准备时间并付出一定的经济费用，而利用声学性能相似且具有必要功能的对比试块进行替代更为经济、高效。如何衡量对比试块与被检件间声学性能相似这一问题，NB/T 47013.3-2015标准并未给出具体答案，而国内外相关标准规定各不相同，表述内容差异大，给实际检测带来了很大困难。材料的超声表征指标中有两个涉及声传播的可测参量可以利用，即超声波在材料中的传播速度和衰减[1]。此前也有作者发表过相关内容的论文，认为用声速和超声衰减来表征材料的声学性能是比较合适的[2]。但笔者认为，除上述两个指标外，声阻抗也是表征材料声学性质的重要物理量，声阻抗的大小等于材料的密度与波速的乘积。声阻抗是一个衡量声学性质的综合指标，不仅与材料的密度和声速有关，还与材料的温度有关，一般材料的声阻抗随温度升高而降低[3]。

NB/T 20003.2-2010标准第5.4.2条规定,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性能：声速差异为±5%;声阻抗差异为±5%;衰减系数差异为±20%或厚度相同，底波信号差异小于4 dB。笔者认为，该标准关于对比试块和被检工件声学性能相似的认定指标比较合理，值得NB/T 47013.3-2015标准借鉴和参考。在测试对比试块和被检工件的声速、声阻抗、衰减系数时，应将两者间的温度差异控制在20 ℃之内，尽量避免温度差异对测量结果的影响。

声速的测量方法相对简单，使用带有显示声程和时间参数的数字式超声波探伤仪，对已知尺寸的各种规则反射体进行测量，利用声速等于声程除以时间(应扣除声波在探头内所耗时间)进行计算得出。

材料衰减的测定方法在NB/T 47013.3-2015标准附录P(规范性附录)中有详细的描述。该标准附录同时规定，对于碳钢或低合金钢板材的材料衰减，在频率低于2.5 MHz、声程不超过200 mm时，或者衰减系数小于0.01 dB·mm-1时，可以不考虑材料衰减对缺陷(缺欠)定量的影响。

4 结语

相比RB-C系列试块，在GS系列试块基础上增加两块试块(GS-5，GS-6)，则可解决厚度为4～6 mm且曲率半径大于80 mm的环向焊接接头超声检测用对比试块需求。同时GS系列试块(共6块)满足壁厚为4～50 mm且曲率半径大于32 mm的所有环向焊接接头的超声检测要求，在确保与被检材料(包括RB-C系列试块)声学性能相似的前提下，也可作为RB-C系列试块的替代试块，减少不必要的试块制作成本。将曲面环向对接接头所用对比试块标准化、统一化，保证检测数据的准确性和一致性，可为制造、安装、检测机构节约检测成本。