焊缝超声相控阵检测ISO13588:2012标准评述

李 衍

（无锡市锅炉压力容器学会无损检测专委会 无锡 214026）

2014 年10 月中旬在无锡召开的《承压设备NDE最新国际法规研讨会》上，有代表提出要求了解ISO（国际标准化组织）有关焊缝超声相控阵检测（PAUT）的方法标准和验收标准。这里针对此问题，对最新版ISO 13588:2012《焊缝超声相控阵自动检测》标准试作全面评述。

该标准是由CEN/TC 121“焊接”技委会（秘书处设在德国）会同ISO/TC 44“焊接与相关工艺”技委会联合制定的。作为欧标，在标准篇目ISO 前冠以EN；作为成员国国标，则再在EN 前冠以国家缩写字母，如BS 和DIN 分别表示英、德。该标准已于2013年4 月份，作为所有欧共体成员国（共33 国）或ISO成员国的国家标准发布。

该标准是一份内容较完整、系统、检测方法与结果评定合在一起的PAUT 标准，应该说符合我国习惯，有助于操作应用。与之相比，ASME 新版（2013）中PAUT 标准较分散（共8 个），使用者须视具体情况，将需用标准和相关附录串珠成链。

以下对ISO 新标择要介绍和评析。

1 适用范围

1）规定用相控阵（PA）技术对厚度6mm 以上金属材料熔化焊焊接接头作半自动或全自动UT的方法。可用于检测板、管、容器中简单几何形状的全焊透焊接接头，被检焊缝和母材为低合金碳钢。

2）规定的相关材料的超声参数：钢的纵波声速为(5920±50)m/s，横波声速为(3255±30)m/s。检测不同声速的材料时，应考虑声速修正。

3）对PA 技术在熔化焊焊接接头缺陷检测、定位、定量和定性方面的特殊性能和局限性，提出指导性意见。

4）PA 技术可作为独立应用的技术，也可与其它无损检测（NDT）方法或技术联用；可用于在制检测，或安装检测及在用检测。

5）规定四种检测等级，每种等级对应于不同的缺陷检测率。

6）允许按波幅（当量反射体大小）和显示长度，或显示测高和测长值，对显示进行验收评定。

7）不包括缺陷的验收等级（合格与否的评定标准由相应制造规范界定）。

8）不适用于：粗晶金属和奥氏体焊缝检测，钢管焊缝在线自动检测（其检测方法由以下三标准规定，即：ISO 10893—8[1]、 ISO 10893—11[2]、ISO 3183[3]）。

2 检测等级

焊接接头的质量要求主要与材料、焊接方法及在用条件有关。为适应这些要求，规定了A、B、C、D四种检测等级。

检测等级由A 到C，检测覆盖率（涉及入射数、组合法）由小到大，缺陷检出率也由低到高。检测等级D 可按特殊应用，签约定规，并兼容标准通则。适用对象包括：非铁素体钢材料和部分焊透焊缝的检测、用自动设备检测，以及温度超越范围的工件检测。

通常，检测等级相关于质量等级（如ISO 5817[4]）、 产 品 标 准 或 其 它 文 件。 当 规 定 按ISO 17635—2010《金属熔化焊焊接接头NDT 通则》执行时，推荐的检测等级见表1。

表1 推荐的检测等级

各种检测等级的扫查方式、探测布置和声线示踪，见表2。在所有情况下，探测布置特性应使用参考试块校验。若探头单面扫查（包括TOFD 法），应使用0.5s 和1.0s（即一次波和二次波），并将数据存储；若探头两面扫查，用0.5s（即一次波）即可。

信号显示评定仅按波幅时，声束偏离焊缝轴线正交方向不应大于6°。

表2 不同检测等级的扫查方式和探测布置

（续表）

此表图例，可谓ISO 标准表述PAUT 探测布置特性不同于ASME 规范的一大亮点，值得吸收应用。

3 前期信息

检测前需掌握的前期信息有以下三方面：

1）编规程前：应悉知：（1）检测目的和范围；（2） 检测等级；（3）验收标准；（4）参考试块型号和规格；（5）检测时机；（6）焊接细节和热影响区尺寸；（7）可接近性、表面状态及温度；（8）人员资格；（9）检测报告要求。

2）施探前：焊缝施探前，操作者除需明了上述1）有关信息外，还应掌握下列资料：（1）检测规程；（2）母材材质和产品型式（铸件、锻件、轧制件）；（3）坡口形状和尺寸；（4）焊接工艺卡；（5）相关于焊后热处理的检测时机；（6）焊前或焊后母材检测结果。

3）检测规程：执行各种检测等级，均需编制检测规程。规程应为书面文件，至少包括以下内容：（1）检测目的和范围；（2）检测方法；（3）检测等级；（4）人员培训和资格要求；（5）设备要求（包括频率、采样率、阵元芯距、阵元尺寸等）；（6）标准试块和对比试块；（7）设备调整；（8）表面状态及可接近性；（9）母材检测；（10）信号显示评定；（11）验收等级、记录报告下限；（12）报告要求；（13）环境、安全问题。

检测规程应包括检测方案或扫查布图（Scan plan），图中应示有探头布置、移动方向及声束覆盖范围，以为焊缝检测提供标准化的、有重复性方法。此扫查布图还应标出超声声束角度、相对于焊缝中心线的声束方向，以及每条焊缝的受检体积。

4 检测设备

选用系统组件（包括硬件和软件）时，还应参照CEN/TR 15134 给出的要求[5]。

1）超声仪器： PAUT 仪器，应按EN 16392—1、EN 16392—2 和 EN 16392—3 之要求。仪器应能选择A 扫描数字化的相应时基部分。建议：所用A 扫描的取样频率至少为探头标称频率的6 倍。

2）超声探头：纵波、横波波型均可使用。探头接触面对试件曲表面的匹配，应按ISO 17640 之要求（即探头与曲面接触面最大间隙≤0.5mm）。使用底面修整的探头时，应考虑对声束的影响。

3）扫查器械：为保持图像（采集数据）的一致性，应使用导向机构和扫查编码器。

4）参考试块：见表3，按检测等级，使用相应参考试块确定检测参数（如覆盖范围、灵敏度调整）。推荐的参考试块图样及细节要求见本文第9 章。

（1）试块材料。制作参考试块的材料应与被检试件相似（即材料声速、晶粒结构和表面状态相似）。

（2）尺寸和形状。试块厚度宜为0.8 ～1.5T（T——试件厚度）；与试件相比，最大厚度差为20mm。试块长度和宽度的选定，应使所有人工缺陷均能被声束适当扫查到。检测圆筒形或管型试件纵焊缝时，应使用曲面试块，试块曲面直径应为试件直径的0.9 ～1.5 倍。试件直径≥300mm 时，可使用平面参考试块。

（3）参考反射体。试块厚度t=6 ～25mm 时，至少要有3 个反射体；t ＞25mm 时，至少要有5 个反射体。典型的参考反射体为横孔、线槽和平底孔。

表3 检测等级和参考试块

5 检测准备

1）待检体积：检测目的应由规范规定。待检体积即据此界定。在制阶段，检测体积的宽度应包括焊缝加上焊缝两侧至少10mm 的母材区域（若为激光焊和电子束焊，此值应为5mm），或加上热影响区宽度（依据制造工艺数据），取两者中较大值。

应提供扫查布图，图中示有声束覆盖范围、焊缝厚度和形状尺寸。应确保声束覆盖待检体积。

2）设置校验：检测设置的性能应使用参考试块校验。

3）扫查增量调整：对焊缝扫查增量ΔX 的设置，取决于被检焊缝厚度t。t ＜10mm 时，ΔX ≤1mm；t=10mm ～150mm 时，ΔX ≤2mm ；t ＞150mm 时，推荐ΔX ≤3mm。

为确保声束覆盖检测体积，应选定合适的垂直于焊缝的扫查增量设置值。使用TOFD 法时，扫查增量应按ISO 10863 给出的要求。

4）几何条件：检测几何条件复杂的焊缝，如连接不等厚材料的焊缝，或焊缝连接的材料有倾角时，或管接头管座焊缝等，应格外注意。这些检测应仔细策划，对声传播要有深层面知识，且总得按检测等级D 进行。D 级检测的扫查布图、典型参考试块及性能验证，均为强制执行事项。注意，在某些情况下，使用建模仿真编程，可减少参考试块数。

5）表面制备：试件扫查表面应清理，其宽度应能满足体积全覆盖要求。扫查表面应平滑，不得有妨碍探头耦合的杂质（如铁锈、松散氧化皮、焊接飞溅、沟槽等）。探测面的波形度不得使探头与探测面之间的间隙大于0.5mm。必要时，探测面应作适当修磨，以满足上述要求。

若机加工表面的表面粗糙度Ra≤6.3μm，或喷砂处理表面的表面粗糙度Ra≤12.5μm，扫查表面可视为满足要求。表面有涂层、油漆或电镀层时，若不清理，则选用D 级检测。

6）温度：除非使用特殊的高温PA 探头和高温耦合剂，被检试件的表面温度应在0℃～50℃范围内。若温度不在此范围内，应通过操作演示，验证系统的可用性。

7）耦合剂：为能产生适当的检测图像，应使用耦合剂，以确保探头与试件材料之间超声传送正常。校验用的耦合剂应与随后检测及过后校验用的耦合剂 相同。

8）母材检测：按该标准进行检测时，应作母材分层检测。标准指出：母材检测可作为焊缝检测的一部分，或作为单独的材料检测。

9）规程评定：对检测等级B、C、D 均需作检测规程评定。检测规程应在参考试块上通过操作演示评定合格。首次检验前，规程评定应达标。所谓达标是指：(1)检出所有要求检出的反射体；(2)定量能力符合规范要求；(3)确认声束对检测深度和宽度的覆盖范围。

6 仪器调整

每次检测前，检测范围和灵敏度的调整，应按标准进行。PA 布置的任何变化，如探头位置（PP）、转向参数的变化等，都要求对时基范围和灵敏度重新调整。

信噪比（S/N）应最佳化：对参考信号来说，当用A 扫法时，务使S/N ≥12dB；用图像法时，务使S/N ≥6dB。

1）脉冲回波时间窗：脉冲回波信号所用时间窗，应包括每一检测区段相关体积，并在检测规程中注明。应确保扫查声束能覆盖相关区域。

2）脉冲回波灵敏度调整：选定扫查模式（定角式、E 扫式、S 扫式）后，灵敏度应如下调整：(1)由PA探头产生的每一声束（相关于声束角度、聚焦点等），其灵敏度均应调整；(2)使用有斜楔的探头时，应在斜楔就位时调整灵敏度。

3）聚焦方式：PA 探头可使用不同聚焦方式，如静态聚焦、动态深度聚焦（DDF）等。使用聚焦时，应对每一声束调整灵敏度。

4）增益校准：使用角度校准增益（ACG）和时间校准增益（TCG），能使所有声束角度和所有距离的信号，显示相同波幅。

5）系统校准：焊缝检测可使用不同检测模式，如定角式、E 扫式、S 扫式等。模式界定后，所产生的每一声束，其参考灵敏度应按ISO 17640 校准（包括传输修正）。系统校准时，应验证所有相关通道、探头和电缆功能正常。此校验应每天在检测前后进行。若系统任意项失效，应作修正动作，系统应重检。

6）定时校核：仪器调整值应至少每4h 及检测完毕后进行校核。若单次检测超过4h，调整值应在检测完毕后校核。校核时用的参考试块，应与初始调整相同。也可使用有已知传输特性的小型试块校核。上述校核过程中，若发现有偏离初始调整值的偏差，应按表4 要求进行修正。

表4 灵敏度和检测范围的校核

7 焊缝检测

初始检测前，应由扫查布图确认声束覆盖范围，并在适当的参考试块上作验证。

探头相对于焊缝中心线容许的位置偏差，应在检测规程中说明，并标注在扫查布图中、标绘在参考试块上。

初始扫查中检出的信号显示，可能需要作附加评定，作偏移扫查，作方向垂直于缺陷的扫查，作相控阵补充配置等。

扫查速度应能产生符合要求的图像。扫查速度的选定应根据诸多因素：如延时法则数、扫查分辨力、信号平均值、脉冲重复频率、数据采集频率、及受检体积等。

缺失扫描线就表明用了过高的扫查速度。缺失扫描线所占比率，最多可为单次扫查中收集的扫描线总数的5%，但相邻扫描线不应缺失。

若焊缝长度作分区扫查时，相邻扫查区域之间至少应有20mm 重叠长度。扫查环焊缝时，扫查区终端与扫查区始端，也应有相同重叠长度。

有条件时，建议对耦合效率进行管控。

8 数据评析

1）数据储存：UT 应使用有基于计算机数据采集能力的装置进行。所有覆盖检测区域的A 扫描数据，均应储存；所有涉及仪器调整参数的数据组，均应列入数据记录。所有数据储存年限按规范规定。

2）数据评析：PA 数据的解读和分析程序如下：(1)评定PA 数据质量；(2)识别相关显示；(3)将相关显示分类；(4)对相关显示进行定位定量；(5)对照验收标准评定合格与否。

3）质量评定：PAUT 必须获得满意的、可予评定的图像。所谓满意的图像，是指满足下列条件：(1) 耦合良好；(2)时基调整准确；(3)灵敏度调整准确；(4)信噪比适当；(5)信号幅度适当；(6)数据采集适当。评定PA 图像质量，要求操作者熟练、有经验。操作者必须确定：质量不满意的图像，要否重新采集数据（即重新扫查）。

4）显示识别：PA 技术获取的图像有可能是焊缝中的不连续产生的，也可能是由试件几何特征引起的。为识别几何特征引起的信号显示，需了解试件结构特征。要确定信号是否是由不连续产生的相关显示，需根据形状和相对于一般噪声水平的信号幅度，评判真假信号图像特征。

5）显示分类：相关显示的波幅、位置和图形会含有不连续类型信息。相关显示的分类应按规范规定，一分为二，判定：是面型显示（裂纹、未熔合、未焊透类），还是体型显示（夹渣、气孔类）。

6）显示定位和测长：（1）定位：根据探到的数据，测定信号显示X、Y、Z 三向位置（X：焊缝轴线平行方向；Y：焊缝轴线垂直方向；Z：壁厚方向）；（2） 测长：信号显示长度是指沿焊缝长度方向的尺寸。测长方法应按验收等级选定。

7）显示评定：可按规范规定，依据信号波幅、等效反射体大小、或高度、长度测量值进行。

（1）依据波幅。每一信号显示的最大波幅，应按规定的验收等级评定。波幅降落法可用于测定信号显示长度。

（2）依据高度。信号显示高度是指壁厚方向的尺寸。对高度在长度方向上有变化的信号显示，应在最大值扫查位置测高定值。若要求测高值更精确，可采用重建算法，如合成孔径聚焦法（SAFT）。

8）最终评定：相关显示分类后，再定位、测长，随后揽标对照，按既定验收条件，对其评定。最后，判定其“验收”或“拒收”（即“合格”或“不合格”）。

9 试块细节

PAUT 仪器、系统设置调整、校验、校核均需用参考试块进行。试块中设有形状、尺寸、位置已知的人工缺陷。PAUT 仪器、探头、试块三结合测特性参数，就是由已知数求未知数的解方程全过程。

1）参考反射体：厚度t=6mm ～25mm 时，建议至少有3 个参考反射体。反射体可加工在1 个或多个试块中。t ＞5mm 时，建议至少有5 个参考反射体。反射体可加工在1 个或多个试块中。参考反射体的尺寸容差如下：直径：±0.2mm；长度：±2mm；角度：±2°。

表5、表6、表7 分别表示不同壁厚中加工的不同反射体的类型和尺寸。使用TOFD 法时，参考线槽的细节要求见ISO 10863。

表5 参考试块中的线槽尺寸 mm

表6 横孔直径φ mm

表7 厚度t ＞25mm 时的横孔和表面线槽长度 mm

2）典型参考试块：按检测等级选用。

(1) PA-Ⅰ型试块（孔型）适用于检测等级A（见图1）。

图1 检测等级A 适用的PA-Ⅰ型试块

（2）PA-Ⅱ型试块（孔槽型）适用于检测等级B（见图2）。

图2 检测等级B 适用的PA-Ⅱ型试块

(3）PA-Ⅲ型试块（孔槽型） 适用于检测等级C（见图3）。

图3 检测等级C 适用的PA-Ⅲ型试块

(4）对检测等级D，应制作专用试块，其结构、基材性能、焊接材料性能、焊接工艺应与被检试件相同，此试块附加于检测等级B 和C 所用检测试块，并应添加反射体。

10 小结

1）ISO 将PAUT 分成A、B、C、D 四种检测等级。A ～C 级，缺陷检出率由低到高。D 级适用于特殊应用，由合同双方商定细节要求。

2）与各种检测等级相应的扫查方式、探测布置和声线示踪有图表示例，应在检测规程和检测报告中示出。读图、用图、出图、解图、评图，是PAUT 人员必备基本功。

3）三个型号的参考试块应按检测等级选用，结合IIW 试块，完成检测范围和灵敏度的调整、校验。

4）检测灵敏度的调整，包括角度校准增益（ACG）和时间校准增益（TCG）调整，务使PAUT 所有声束角度和所有距离信号，均显示同波幅。

5）不同壁厚、不同型式的焊缝PAUT,其探测布置和扫查方式细节还可参照ISO 17640 给出的具体 图样。

6）PAUT 数据显示评析过程有六步：评像质→辨真假→定型→定位→定量→终评。

7）ISO PAUT 标准尽管方法、评定合二为一，但有些细节（如扫查布图、扫查模式等）仍需借助于其它ISO 标准补充。引用ISO 标准时，笔者建议最好还能参照ASME 相关标准

（特别是ASME SE-2491 和SE-2700），取长补短，相得益彰。

[1] ISO 10893—8 Non-destructive testing of steel tubes—Part 8: Automated ultrasonic testing of seamless and welded steel tubes for the detection of laminar imperfections[S].

[2] ISO 10893—11 Non-destructive testing of steel tubes—Part 11: Automated ultrasonic testing of the weld seam of welded steel tubes for the detection of longitudinal and/or transverse imperfections[S].

[3] ISO 3183 Petroleum and natural gas industries— Steel pipe for pipeline transportation systems[S].

[4] ISO 5817 Welding—Fusion-welded joints in steel, nickel, titanium and their alloys (beam welding excluded) —Quality levels for imperfections[S].

[5] CEN/TR 15134 Non-destructive testing— Automated ultrasonic examination—Selection and application of systems[S].

[6] EN 583-1 Non-destructive testing—Ultrasonic examination—Part 1: General principles[S].

[7]李衍. 管座焊缝内侧的相控阵超声自动检测[J]. 中国特种设备安全,2014,03:43-47.

[8]李衍. 管焊缝相控阵超声工程临界评定[J]. 中国特种设备安全,2015,01:23-27.