國(guó)外的工業(yè)相控陣檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

工業(yè)超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是近年來(lái)倍受關(guān)注的新型無(wú)損檢測(cè)技

術(shù)，其主要特點(diǎn)是采用多晶片探頭，各晶片的激勵(lì)（振幅和延時(shí)）

均由計(jì)算機(jī)控制，能產(chǎn)生聚焦波束實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的掃描，并能實(shí)現(xiàn)檢

測(cè)結(jié)果的成像。經(jīng)過(guò)多年的持續(xù)改進(jìn)，目前的相控陣技術(shù)和設(shè)備己

經(jīng)達(dá)到很高水平：超聲波束的各項(xiàng)參數(shù)，例如角度、掃查方向、聚

焦范圍和焦點(diǎn)尺寸等，都可以通過(guò)軟件設(shè)定；在不移動(dòng)探頭的情況

下，僅通過(guò)改變軟件設(shè)置就可以快速改變聲束的偏轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)

工件的焊縫截面的掃查；可以通過(guò)聚焦功能提高檢測(cè)分辨力、靈敏

度和信噪比；相控陣儀器能夠記錄和保存檢測(cè)過(guò)程的所有信息數(shù)據(jù),

還可以從不同投影方向生成S,B,C,D等多種圖形。

超聲相控陣技術(shù)應(yīng)用于壓力容器焊縫的檢測(cè)具有十分重要的意

義和良好的前景，因?yàn)榕c常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)相比，相控陣技術(shù)具有

以下明顯優(yōu)勢(shì)：更好的檢測(cè)條件適應(yīng)性、更快的檢測(cè)速度、海量的

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力、超強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和成像能力。這些優(yōu)勢(shì)使相控

陣技術(shù)比常規(guī)超聲技術(shù)有更高的缺陷檢出率，更高的測(cè)量精度，以

及更高的檢測(cè)可靠性。

雖然對(duì)工業(yè)相控陣技術(shù)的研究已近20年，但由于該技術(shù)的超新

穎性和超復(fù)雜性，導(dǎo)致其成熟相對(duì)遲緩，推廣應(yīng)用相對(duì)滯后。在國(guó)

外（特別是北美）一些重要規(guī)范已認(rèn)可超聲相控陣技術(shù)的應(yīng)用，但

有關(guān)內(nèi)容僅列在附錄中或案例中，相應(yīng)的檢測(cè)方法和工藝需要經(jīng)過(guò)

驗(yàn)證才能使用?，F(xiàn)有相控陣標(biāo)準(zhǔn)對(duì)具體技術(shù)和工藝的規(guī)定也并不詳

細(xì)。

現(xiàn)將些主要的相控陣標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范介紹如下。

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一、ASME及其案例

在ASME標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)的案例中，相控陣掃查分為于工相控陣掃查

和編碼器相控陣掃查。

強(qiáng)制性附錄IV要求掃查中使用的所有聲束都進(jìn)行校準(zhǔn)，另外模

塊聲程上變化和模塊衰減效應(yīng)也要補(bǔ)償。該附錄還特別提到了掃查

計(jì)劃，要求掃查計(jì)劃提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的和可重復(fù)的檢驗(yàn)方法。該標(biāo)

準(zhǔn)還對(duì)編碼器校準(zhǔn)以及聲束的覆蓋做了說(shuō)明。在掃查方式上，該標(biāo)

準(zhǔn)規(guī)定要保證聲束垂直于焊縫中心線(xiàn)，保證聲束的覆蓋，并且要做

雙側(cè)掃查。在缺陷的定量上，一般采用6dB法。

ASME關(guān)于相控陣檢測(cè)的案例有以下5個(gè)：cc2541手工相控陣超

聲檢測(cè)的使用，針對(duì)的是單角度手工柵格掃查，使用范圍有限；

cc2557于工相控陣S掃查超聲檢測(cè)的使用，cc2557案例指出在相控

陣柵格掃查時(shí)，當(dāng)有關(guān)案例允許時(shí)，校準(zhǔn)也可以在除橫孔外的其他

反射體上進(jìn)行，例如槽，如果在檢測(cè)儀器的屏幕上能夠顯示多個(gè)掃

查視圖，那么這些掃查必須同時(shí)進(jìn)行，在手工扇掃時(shí)，一般使用線(xiàn)

型陣列，但是其他陣列類(lèi)型也是允許的；cc2558手工相控陣E掃查

超聲檢測(cè)的使用，該案例針對(duì)焊縫進(jìn)行固定角度的柵格相控陣線(xiàn)掃

提出了要求，這些要求與cc2557的要求相同；“2599線(xiàn)性相控陣E

掃查超聲檢測(cè)的使用，該案例要求對(duì)掃查方案進(jìn)行繪制或者計(jì)算機(jī)

仿真，從而保證掃查角度適合待檢工件的外形，并且焊筵和鄰近母

材區(qū)域能夠被體積覆蓋到，掃查要用帶編碼器的線(xiàn)掃來(lái)完成，并且

每個(gè)線(xiàn)掃探頭和焊縫中心線(xiàn)要保持一個(gè)固定的距離，掃查聲柬要垂

直于焊縫中心線(xiàn)，當(dāng)需要利用多個(gè)線(xiàn)性?huà)卟閬?lái)覆蓋焊縫及鄰近母材

的體積時(shí)，必須保證每個(gè)線(xiàn)性?huà)卟橹g要有相當(dāng)于整體陣列長(zhǎng)度的

10%的重疊，掃查數(shù)據(jù)要能夠以A+R+D的視圖顯示；cc2600線(xiàn)性相

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控陣S掃查超聲檢測(cè)的使用，該案例要求和CC2599類(lèi)似，只是在掃

查視圖上要求以A+3+S的視圖顯示。

ASME標(biāo)準(zhǔn)及其案例主要涉及的內(nèi)容包括：相控陣的定義、掃查

方式介紹、掃查計(jì)劃的內(nèi)容、聲束覆蓋的說(shuō)明、編碼器的校準(zhǔn)、數(shù)

據(jù)的記錄等方面，涉及儀器性能評(píng)價(jià)以及檢測(cè)工藝的內(nèi)容非常有限。

二、ASTM

ASTM關(guān)于相控陣有兩個(gè)規(guī)范：ASTME2491-08《超聲相控陣檢測(cè)

儀及系統(tǒng)性能特點(diǎn)評(píng)價(jià)規(guī)范》和ASTME2700-09《使用相控陣的接觸

法焊縫超聲檢測(cè)的規(guī)范》。

ASTME2491-08規(guī)范用來(lái)評(píng)定探頭和儀器組合的整體性能，并不

用來(lái)決定系統(tǒng)具體的性能指標(biāo)或者驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，不適用于在役校準(zhǔn)，

但可以為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供參考數(shù)據(jù)。該規(guī)范的附錄中包括相控陣系統(tǒng)

中幾個(gè)重要參數(shù)的評(píng)定方法：

(I)相控陣系統(tǒng)聲束輪廓的確定方法；

(2)相控陣系統(tǒng)聲束控制范圍的評(píng)定；

(3)相控陣系統(tǒng)晶片有效性的評(píng)定；

(4)相控陣系統(tǒng)聚焦能力的評(píng)定：

(5)關(guān)于參數(shù)前數(shù)據(jù)顯示的相控陣系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制的評(píng)定；

(6)相控陣系統(tǒng)模塊衰減和延時(shí)補(bǔ)償?shù)脑u(píng)定：

(7)相控陣系統(tǒng)線(xiàn)性度的評(píng)定。

ASTME2700-09規(guī)范適用于采用扇掃和線(xiàn)掃的方法，對(duì)對(duì)接焊縫

和T型焊縫進(jìn)行檢測(cè)。該規(guī)范適用的厚度范圍9~200mm,當(dāng)然如果

證明檢測(cè)方法對(duì)相同厚度的模擬試塊有效，也能夠用于更薄或者更

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厚工件的檢測(cè)。

ASTME2700-09指出，焊縫相控陣掃查時(shí)，要制定相應(yīng)的掃查方

案，這個(gè)掃查方案要保證聲束覆蓋，最好焊縫兩側(cè)都要檢測(cè)，如果

碰到橫向裂紋，要采用補(bǔ)充的掃查方式，在掃查的方式上可以采用

于動(dòng)、自動(dòng)或者半自動(dòng)掃查。

對(duì)于不同類(lèi)型焊縫的掃查方法，ASTME2700-09規(guī)范做了如下說(shuō)

明：對(duì)于薄板對(duì)接焊縫的掃查應(yīng)該從兩側(cè)進(jìn)行，當(dāng)允許接近時(shí)，最

好從坡口處開(kāi)始，如果滿(mǎn)足體積覆蓋的要求，可以采用單線(xiàn)線(xiàn)性?huà)?/p>

查；對(duì)于厚板對(duì)接焊縫，掃查應(yīng)該從焊縫兩側(cè)進(jìn)行，當(dāng)允許接近時(shí),

從坡口處開(kāi)始，需要采用多線(xiàn)線(xiàn)性?huà)卟榛蛘叨嘟M聚焦法則，來(lái)確保

體積覆蓋；對(duì)于角焊縫，應(yīng)該采用斜射波和直射波的組合來(lái)進(jìn)行掃

查，斜射波探頭最好放置在焊縫坡口表面，對(duì)于雙面V形坡口焊縫,

斜射波掃查應(yīng)該從兩個(gè)表面進(jìn)行，在大多數(shù)情況下，使用直射波檢

測(cè)過(guò)的表面，無(wú)需再用斜射波檢測(cè)。T型焊縫的掃查方式和對(duì)接焊

縫的掃查方式類(lèi)似，對(duì)于薄壁部件，可以采用單線(xiàn)線(xiàn)掃或者扇掃，

當(dāng)允許接近時(shí)，可以從腹板兩個(gè)表面進(jìn)行檢測(cè)。

在缺陷的評(píng)定章節(jié)，規(guī)范指出，對(duì)于缺陷的評(píng)定，如果使用編

碼器相控陣掃查，可以利用多種視圖分析檢測(cè)結(jié)果，而不像手工相

控陣掃查那樣僅僅用到扇掃視圖和B顯示視圖。利用編碼器技術(shù)，

可以對(duì)焊縫進(jìn)行分段掃查，只要保證掃查段:之間有重疊，并且能夠

確定重疊位置和掃查起始位置之間的相對(duì)距離。在測(cè)長(zhǎng)上采用6dB

法，在缺陷高度的定量方面，如果缺陷的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聲束的寬度,

可以利用扇掃視圖和B掃視圖使峰值信號(hào)的幅度下降6dB來(lái)確定，

對(duì)于尺寸小于波束寬度的缺陷，需要使用聲束擴(kuò)散角來(lái)修正定量值。

ASTME2700-09中的測(cè)高方法見(jiàn)圖1。幅度定量技術(shù)無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確定

量的缺陷，這時(shí)可以參考ASTME2192-08中的方法來(lái)定量。

圖1ASTME2700—09中的測(cè)高方法

ASTME2491-08的內(nèi)容比較詳盡，為相控陣設(shè)備性能的評(píng)價(jià)提

供了指導(dǎo)性的規(guī)定，其強(qiáng)制性附錄中提供了比較詳細(xì)的測(cè)試方法。

ASTME2700-09的內(nèi)容主要涉及對(duì)檢測(cè)人員、機(jī)構(gòu)和設(shè)備的要求、藕

合條件、距離波幅曲線(xiàn)，并對(duì)薄板、厚板、角焊縫以及T型焊縫的

檢測(cè)給出聲線(xiàn)追蹤示意圖。另外，在缺陷定量方面也做了一定的說(shuō)

明?？傮w來(lái)說(shuō)，該規(guī)范較為粗糙，它并沒(méi)有涉及到檢測(cè)等級(jí)和質(zhì)量

分級(jí)，對(duì)于儀器校準(zhǔn)以及典型工件的檢測(cè)工藝，也敘述得不夠具體。

在定量上，該標(biāo)準(zhǔn)主要采用6dB法，在6dB法不適用時(shí)參照

ASTME2192-08中的方法，對(duì)于相控陣定量中常用的利用衍射波的相

對(duì)時(shí)差法等定量方法并沒(méi)有做出一定的說(shuō)明。

三、AWS

在2010版的AWSDL1/DL1M中,相控陣和多探頭、多通道系統(tǒng)、

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、TOFD一起被列入高級(jí)超聲系統(tǒng)中。相控陣的檢測(cè)規(guī)

程按照非強(qiáng)制性附錄S：利用可替代性技術(shù)進(jìn)行超聲焊縫檢測(cè)。用

控陣屬于被認(rèn)可的，但是沒(méi)有案例作詳細(xì)說(shuō)明的技術(shù)，因此需要批

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準(zhǔn)使用。

在掃查上，DL1/DL1M要保證焊筵區(qū)域的全覆蓋。在掃查角度

上，AWSD1.1/DL1M要求探頭的偏轉(zhuǎn)角度為45°,60?；蛘?0。0

另外根據(jù)文獻(xiàn)［11J,帶編碼器的掃查是不符合AWSD1.1/DLIM案例

的。

四、API

2011年1月，API推出了超聲相控陣檢測(cè)認(rèn)證考試，這個(gè)考試

基于于工超聲相控陣檢測(cè)。一些現(xiàn)有的超聲相控陣?yán)鏞mniScan

MX,符合API的1104和RP2X規(guī)范。

五、英國(guó)國(guó)防部

英國(guó)國(guó)防部標(biāo)準(zhǔn)Defencestandard02-729part5issue2,該標(biāo)

準(zhǔn)對(duì)相控陣的使用儂了說(shuō)明。在該標(biāo)準(zhǔn)中，相控陣作為一種補(bǔ)償技

術(shù)和TOFD技術(shù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行對(duì)接焊縫和T型，焊縫的檢測(cè)，相控陣

的檢測(cè)規(guī)程要得到批準(zhǔn)。

該標(biāo)準(zhǔn)特別提到要注意檢測(cè)面的搞合問(wèn)題。在相控陣設(shè)備方面,

標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)備能夠支持128個(gè)晶片，并且必須符合BSEM2668的第

一、二、三部分。

標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)接焊縫檢測(cè)部分適用于對(duì)接焊縫上作為T(mén)OFD技術(shù)補(bǔ)充

的從而提供表面和底面盲區(qū)覆蓋的自動(dòng)或者半自動(dòng)相控陣掃查。表

面盲區(qū)使用一個(gè)相控陣的45°二次波來(lái)覆蓋，底面盲區(qū)使用一個(gè)60°

的次波來(lái)覆蓋。上面兩個(gè)角度的聲束都要在焊縫兩側(cè)做線(xiàn)性?huà)卟椤?/p>

每個(gè)探頭都同時(shí)產(chǎn)生的45。和60°聲束。探頭的放置如圖2所示，

掃查沿焊縫長(zhǎng)度方向進(jìn)行。

關(guān)于T型焊縫的檢測(cè)，該標(biāo)準(zhǔn)指出，可以采用全自動(dòng)或者半自

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動(dòng)的方式，從而取代常規(guī)探頭的45°和60。橫波檢測(cè)。探頭的放置

位置如圖3所示。

該標(biāo)準(zhǔn)要求在探頭放置時(shí)要保證對(duì)焊健有個(gè)完整的覆蓋。在掃

查時(shí)可能需要先使用一個(gè)角度掃查，然后使用另一個(gè)角度掃查二另

外，編碼器按照要所用儀器的相應(yīng)說(shuō)明校準(zhǔn)。

圖2TOFD結(jié)合相控陣做對(duì)接焊縫掃查

60。由次覆.蓋45。聲束番青

圖3T型焊縫檢測(cè)

該標(biāo)準(zhǔn)于2006年發(fā)布，時(shí)間較早，因此，在該標(biāo)準(zhǔn)中，相控陣

主要作為一種補(bǔ)充技術(shù)，并且掃查方式上也只涉及線(xiàn)性?huà)卟?。該?biāo)

準(zhǔn)介紹了相控陣的基本原理，也涉及到儀器性能、靈敏度校準(zhǔn)、聲

束覆蓋等內(nèi)容，但是很多地方都是照搬常規(guī)超聲的方法，該標(biāo)準(zhǔn)也

沒(méi)涉及檢測(cè)等級(jí)和質(zhì)量分級(jí)。

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六、ISO

IS0/DIS13588-2010《焊縫無(wú)損檢測(cè)-超聲檢測(cè)-利用自動(dòng)/半自

動(dòng)相控陣技術(shù)》草案應(yīng)屬現(xiàn)有最為先進(jìn)的相控陣檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)。該

標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)TOFD技術(shù)與相控陣技術(shù)的結(jié)合，并參照IS017635-2010o

ISO/DIS13588-2010標(biāo)準(zhǔn)草案對(duì)利用目動(dòng)（半自動(dòng)）相控陣技

術(shù)對(duì)厚度6mm的金屬全熔化焊接接頭進(jìn)行半自動(dòng)或全自動(dòng)的檢測(cè)做

了規(guī)定，它的適用范圍包括具有簡(jiǎn)單幾何外形的板材、管材及容器

的全焊透焊縫，且焊縫兩側(cè)母材均為低合金鋼或低碳鋼。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)

相控陣技術(shù)在缺陷檢測(cè)、定位、定量及定性上的能力及局限給出了

指導(dǎo).在制造檢測(cè)、運(yùn)行前檢測(cè)及在役檢測(cè)時(shí)，相控陣技術(shù)可以作

為單獨(dú)的技術(shù)應(yīng)用，也可與其他NDT方法配合使用。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了

4個(gè)檢測(cè)等級(jí)，每個(gè)檢測(cè)等級(jí)對(duì)應(yīng)著不同的缺陷檢出率。該標(biāo)準(zhǔn)允

許使用波幅法或者長(zhǎng)度法（或者長(zhǎng)度+高度）對(duì)缺陷進(jìn)行驗(yàn)收評(píng)估。

但是，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并不包括缺陷驗(yàn)收等級(jí)。

該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的A,B,C三個(gè)檢測(cè)等級(jí)按照ISOEN17635-2010附

錄A的規(guī)定，檢測(cè)等級(jí)D僅在特殊要求時(shí)使用，例如鐵素體鋼之外

的材料檢測(cè)，不完全焊透的焊縫檢測(cè)，以及當(dāng)利用自動(dòng)設(shè)備檢測(cè)時(shí),

被檢工件溫度超出規(guī)定范圍的檢測(cè)。在檢測(cè)區(qū)域方面，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,

制造階段的檢測(cè)，檢測(cè)區(qū)域應(yīng)包含焊縫+兩側(cè)至少10mm的母材或?qū)?/p>

際的熱影響區(qū)的寬度（取較大值）。在掃查增量的設(shè)置上，該標(biāo)準(zhǔn)

規(guī)定：掃查增量的設(shè)置取決于被檢工件厚度。當(dāng)工件厚度時(shí),

掃查增量設(shè)置不應(yīng)大于1mm；當(dāng)三工件厚度＜150mni時(shí)，掃查

增量設(shè)置不應(yīng)大于2mm；當(dāng)工件厚度＞150mm時(shí)，掃查增量可設(shè)置為

3mmo

對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊縫要使用等級(jí)D,對(duì)于檢驗(yàn)等級(jí)D的掃查計(jì)

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劃要準(zhǔn)備典型的參考試塊并做操作演示。在掃查面方面，如果涂層、

噴漆層、覆蓋層等不能被去除時(shí)，應(yīng)采用檢測(cè)等級(jí)D。該標(biāo)準(zhǔn)也同

樣規(guī)定，在焊縫檢測(cè)前，需要確定聲束覆蓋情況。

IS013588-2010作為當(dāng)今最先進(jìn)的相控陣檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，超聲相控

陣技術(shù)可以作為單獨(dú)的技術(shù)使用。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了4種檢測(cè)等級(jí)，并

且允許使用波幅法和長(zhǎng)度法對(duì)缺陷進(jìn)行驗(yàn)收評(píng)估，這是其他標(biāo)準(zhǔn)中

并不包括的，但是該標(biāo)準(zhǔn)并不包括缺陷的臉收等級(jí)。該標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)檢

測(cè)人員和設(shè)備做了要求，在掃查增量設(shè)置、靈敏度設(shè)置以及參考試

塊的規(guī)定等方面的內(nèi)容比其他標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)，但是在掃查方式、數(shù)據(jù)分

析、缺陷定量等方面的內(nèi)容并不多。

18010893-10:2011《鋼管的無(wú)損檢測(cè)-第10部分：用于縱向和

/或橫向缺陷探測(cè)的無(wú)縫和焊接鋼管（埋弧焊除外）自動(dòng)全周邊超

聲波檢測(cè)》和ISO10893—11:2011《鋼管的無(wú)損檢測(cè)一一第11部

分：用于縱向和/或橫向缺陷探測(cè)的焊接鋼管的焊縫自動(dòng)超聲波檢

測(cè)》的使用范圍包括了常規(guī)超聲和超聲相控陣。IS010893-10：2010

規(guī)定：在使用蘭姆波或者超聲相控陣的情況下，超聲換能器或者激

發(fā)孔徑在平行于管子主軸方向能夠測(cè)得的最大寬度，必須限制在

35mmoIS010893T1：2011規(guī)定:在使用蘭姆波或者超聲相控陣的情

況下，超聲換能器或者激發(fā)孔徑的最大長(zhǎng)度，必須限制在35nl明

七、歐洲

EN16018-2011《無(wú)損檢測(cè)-術(shù)語(yǔ)-超聲相控陣檢測(cè)中使用的術(shù)語(yǔ)》

定義了超聲相控陣中使用的術(shù)語(yǔ)，并且指出EN1330-4中所定義的通

用術(shù)語(yǔ)在相控陣中依然有效。該標(biāo)準(zhǔn)草案由五大部分組成