超声波检测试块真实缺陷的精度验证

杨涛，边春华，李嘉渊，张国丰，俞照辉

超声波检测试块真实缺陷的精度验证

杨涛1，边春华2，李嘉渊3，张国丰1，俞照辉1

（1.国核电站运行服务技术有限公司，上海 200233；2.中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314000；3.海盐县科技服务中心，浙江 嘉兴 314000）

研究超声波检测试块中真实缺陷的形态、精度及其偏差产生原因，为进一步提高试块精度提供技术支持。采用射线检测、超声检测及解剖测量方法，对自主研发的超声检测试块中植入的真实缺陷进行了检测，分析了缺陷的几何尺寸及位置坐标参数与设计值之间的偏差及其产生原因。经表面打磨后，缺陷植入痕迹已完全消除，植入的裂纹形态自然，闭合度较好，且端点清晰，无二次扩展现象。经植入焊接后，缺陷载体与试件母体形成完全冶金结合，植入缺陷与自然缺陷在超声波检测信号上无区别，且在探头到缺陷之间的声束路径上，没有显示异常的反射界面或次生缺陷信号。由射线和超声检测可知，缺陷的几何尺寸及位置坐标的偏差为±2.2 mm。由解剖测量可知，平均偏差绝对值小于0.7 mm。缺陷植入前设定的熔化余量与植入过程中焊接所产生的端部熔化量之间的差异造成了植入缺陷尺寸和位置与设计值之间的偏差。

超声检测；试块；精度验证；缺陷植入；真实缺陷

超声波检测是一种应用广泛、使用频率极高的无损检测方法，是一种能有效发现金属结构内部缺陷的主要手段，广泛应用于能源电力、石油化工、航空航天及轨道交通等领域[1-4]。在检测之前，通常需要利用带有人工缺陷的试块验证检测设备的精度、人员的能力及规程的有效性，以保障检测结果的准确性和置信度[5-6]。因而，验证试块中的缺陷对检修目标的材质、结构及其包含自然缺陷的模拟程度至关重要，其几何尺寸、位置坐标的精度及信号的真实性直接关系到检测结果评定。然而，在试块内部制作定量真实缺陷[7-10]的难度非常大，尤其是裂纹[11-14]。国内现有制作缺陷的方法主要有原位生成法和机加工方法[15-16]。这2种制作方法均存在很大的不足：原位生成法主要利用改变局部合金成分或凝固条件来促使缺陷产生[17]，很难对缺陷的尺寸和位置进行精确控制；机加工法制作的缺陷与真实缺陷所产生的检查信号有很大的区别[18]，对检测结果的参考价值较低。针对这些问题，国外学者开发了真实缺陷植入工艺来制作高精度无损检测试块。目前，有关真实缺陷试块尺寸精度验证方法的公开报道极少。本文依托自主研发的缺陷植入工艺，根据相关标准，设计并制作了包含真实缺陷的成套超声检测试块。为了检验试块中的缺陷是否满足要求，采用超声、射线无损检测及解剖测量方法对其精度和信号仿真度进行了验证[19-21]，以期为该类产品的国产化和核心技术自主化提供依据。

1 试验

采用自主开发的缺陷植入技术制作板状试块，所有缺陷均为真实裂纹。试块规格为300 mm×280 mm× 30 mm，材质为316L奥氏体不锈钢。用于精度验证的板状试块共5件，每件试块均植入2～3处不等的缺陷，共计13处。试块中缺陷的设计参数如表1所示。可见，13处缺陷的长度、高度、上端距、偏移量、左端距和倾角等几何尺寸均不相同。其中，偏离量为植入裂纹偏离焊缝中心线的距离，A/B分别为试块的上侧和下侧，上端距为裂纹上端点距离试块表面的距离，左端距为缺陷长度的左沿与试块左侧壁的距离，WD为焊接方向。

2 检测方法

无损检测有超声检测和射线检测2种方法。按照NB/T 47013.3—2015执行超声检测和验收，按照ASME第V卷标准执行射线检测，按照ASME第Ⅲ卷标准执行验收。

试块的解剖测量流程如下：首先，利用超声、射线检测对缺陷位置进行标定，利用线切割法取出试块缺陷及其四周各10 mm的母材；其次，按照图1所示的方式进行切片，测量每片上的裂纹长度和高度，对包含缺陷的最外侧切片进行磨削，直至裂纹完全消失，测量剩余切片的厚度；最后，通过计算确定缺陷的实际长度、宽度及位置参数。

表1 试块的缺陷设计参数

Tab.1 Flaw design parameters of testing plates

图1 缺陷的解剖切片示意图

3 检测结果

3.1 试块的形貌

植入缺陷后，经表面修整的试块典型形貌如图2所示，可见，试块保留了焊缝正反面余高，其表面无植入焊接痕迹，且无法通过肉眼辨别缺陷植入区域的位置。

3.2 射线检测

植入缺陷的射线成像典型形态如图3所示[22-23]。可见，焊缝区域呈亮色，裂纹四周与试块母体形成了冶金结合，完全融为一体。除植入缺陷外，无明显的植入焊接边界，且未产生气孔、未熔合或微裂纹等次生缺陷。植入缺陷形态曲折，端点清晰，无张口现象，与机加工切割的常规试块的缝隙有明显区别。

在射线检测条件下，裂纹植入后的长度、左端距（横向）及偏移量（纵向）位置偏差如图4所示。从图4a可以看出，植入后裂纹长度参数的偏差为−0.5～+1.7 mm，除个别缺陷（MB002-F1）外，均为正偏差，所有裂纹长度偏差的平均值约为0.6 mm。由图4b可见，裂纹左端距偏差为−1.0～+0.8 mm，平均值仅为−0.1 mm。裂纹的纵向偏差为−0.4～+0.5 mm，平均值为−0.1 mm，如图4c所示。

图2 试块外观的典型形貌

图3 植入缺陷的射线成像形态

图4 射线检测下缺陷的几何尺寸和位置坐标偏差

3.3 超声检测

2种不同角度探头超声检测信号的典型图谱如图5所示。可以清晰看到同一缺陷、不同角度探头所产生的超声波反射信号（短横线标记）。缺陷峰侧壁呈现锯齿状折线形态，展示了与实际缺陷类似的信号特征[24-26]。这与常规试块中的机加工孔、槽及缝隙等信号有着明显的区别。

图5 植入缺陷的超声信号显示典型图谱

植入缺陷几何尺寸的超声检测复验精度偏差如图6所示。可见，植入后裂纹的长度偏差为−1.0～+ 1.0 mm，高度偏差为−2.2～+1.2 mm，它们的偏差平均值分别为0.4 mm和0.1 mm。超声检测受分辨率、探头角度、试块表面状况及焊缝晶粒形态变化等诸多因素影响，所得到的检测数据与实际值会出现小量偏差[27-28]。

图6 植入缺陷的超声检测尺寸与设计值之间的偏差

3.4 解剖测量

植入裂纹解剖测量的取样方法及其切片形貌如图7所示。由图7a可见，为了避免取样对缺陷造成破坏，线切割路径应远离植入区，且不与植入缺陷相交。取样后，沿垂直裂纹长度方向进行切片，如图7b所示。由图7c可见，裂纹已与试块母体熔为一体，闭合度较好，且端点清晰，与射线及超声检测结果一致。宏观上，裂纹面存在特征明显的疲劳沟线。对裂纹面样品进行扫描电镜观察，可以清晰看到疲劳辉纹，如图7d所示。

通过对切片进行测量，可精确地确定裂纹几何尺寸和位置坐标，解剖测量结果如表2所示。可见，一套试块中13个缺陷的长度和高度参数的最大偏差值分别为1.6 mm和0.9 mm，平均值分别为0.7mm和0.4 mm；上端距和左端距的最大偏差分别为1.7 mm和0.8 mm，平均值偏差分别为0.6 mm和0.4 mm。偏离量和倾角参数最大偏差分别为1.2 mm和1.2°，平均值分别为0.7 mm和0.3°。这说明缺陷植入孔位开制精确，且在植入过程中未出现横向或纵向位移。

图7 板状试块植入缺陷的解剖取样位置及切片形貌

表2 试块缺陷的解剖测量精度

Tab.2 Precision validation of implanted flaws by anatomical measurement

4 验证结果及分析

从试块的外观（见图2）来看，缺陷植入痕迹已完全消除，仅通过外观的目视检查无法判断缺陷的位置和几何尺寸，这符合超声试块的外观要求。由射线成像图片（见图3）可见，植入裂纹与机加工的切割缝隙有着明显的不同，与服役过程中形成的裂纹缺陷有着高度的相似性。这样可保证在超声检测时产生与实际裂纹极度类似的信号特征（见图5）[18]。另外，缺陷信号左侧除背底草波外，无其他信号显示，这说明在超声波探头到缺陷之间的声束路径上，无任何异常的信号反射界面或次生缺陷。由此可见，植入缺陷的焊缝不影响超声波通过，也不对缺陷检测造成干扰。这种缺陷信号可为实际的检测工作提供更为逼真的参照，采用该类型试块进行标定，对提高信号的置信度和正确判定缺陷有重要作用[5]。

在射线检测中，植入的裂纹呈现投影形态，通过底片可直接测出缺陷的长度、横向和纵向位置3个参数。由检测结果（见图4）可知，试块中部缺陷的几何尺寸更接近解剖验证值，而试块两侧缺陷的偏差则相对较大，这与射线源位于试块中部的正上方有关，两侧位置上的缺陷存在一定的角度，从而小量地放大了缺陷尺寸[27]。

理论上，超声检测可以测出缺陷所有的几何尺寸和定位坐标参数，但是，受声束分辨率、探头角度、试块表面状况及焊缝晶粒度等因素的影响，难以得到1.0 mm以下的精度。另外，从检测结果（见图6）中还可以发现，在高度方向上，直裂纹的检测结果与解剖值较为接近，而斜裂纹的检测值变化较大，这就要求选择合适角度的探头。

解剖测量是直观反映植入缺陷尺寸和位置精度的唯一手段。在本研究中，由解剖测量结果（见表2）可知，绝大数缺陷的几何尺寸和位置参数与设计值之间的偏差为±2.2 mm，平均值小于1.0 mm。这说明在试板制作时，缺陷的尺寸预留量和植入焊接的端部熔化量高度匹配，满足高精度真实缺陷超声检测试块的制作要求。

5 结论

1）自主研发的高精度真实缺陷试块中的缺陷与母材融为一体，无法通过外观分辨缺陷的植入痕迹。植入后缺陷形态真实，端点清晰，无焊接应力引起的张口及尺寸变化现象。

2）缺陷超声波检测信号真实，且在探头到缺陷之间的声束路径上，无异常的反射界面或次生缺陷的信号显示。

3）试块中植入缺陷的几何尺寸及位置坐标精度较高。经射线和超声检测，其平均偏差为±2.2 mm，经解剖测量，其平均绝对值偏差小于1.0 mm，在裂纹面上可明显观测到疲劳辉纹。

4）植入后的缺陷展现了真实形态，缺陷植入前设定的熔化余量与植入过程中焊接所产生的端部熔化量之间的差异造成了植入缺陷尺寸和位置与设计值之间的偏差。

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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

国家重点研发计划（2020YFB1901505）

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

杨涛, 边春华, 李嘉渊, 等. 超声波检测试块真实缺陷的精度验证[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.

责任编辑：蒋红晨