无损检测 超声表面波检测方法 编制说明

《无损检测超声表面波检测》(征求意见稿)一、工作简况'包括任务来源、制定背景、起草过程等1.1任务来源根据国标委发[2023]58号文件，国家标准计划及相关标准外文版计划，其中，《无损检测超声表面波检测》由上海金艺检测技术有限公司、上海材料研究所有限公司、宝山钢铁股份有限公司等实施，项目计划编号：20231234-T-469，外文版计1.2制定背景制造业的发展及在役设备的状态把握及维护均需要无损检测技术的支撑。“中国智造”已经走出国门，国家标准对推进我国“一带一路”制造规范化迫切而又必要。我国有众多的技术型企业在向全世界提供技术服务，先进的技术装备也被引进应用，制定统一的技术标准是质量验证的首选方案，而大面积工件表面缺欠检测效率的提升需要依赖表面波的技术优势。本标准的修订将为表面波技术的应用推广提供规范依据，提高表面缺欠检测的灵敏度，提高检表面波也被称为瑞利波,是沿介质表面传播，有效透入深度约为一个波长的声波波型。应用超声表面波可以快速实现工件表面及近表面缺欠的检测和定位，超声表面波检测灵敏度高、操作简便、易于实现现场应用，且大面积工件的检测效率远高于常规磁粉和渗透检测方法。因超声表波技术的明显优势，目前，该技术方法已被应用于钢铁冶金、运输、电力及航空等领域的设备及工件表面缺欠的检测，如轧辊修磨质量检测、车轴及钢轨裂纹检测、汽轮GB/T23904-2009《无损检测超声表面波检测方法》标准是国内首个方法标准，该标准规定了接触式脉冲反射超声表面波检测通用方法，用以检测表面缺欠。该标准发布实施已有15年，对表面波检测技术应用和技术推广起到了规范和促进作用，在运用2、标准中只规定了一种对比试块的类型，不能适应不同检测工况条件的使用，且对比试4、对扫查覆盖率的规定不完善，没有提示基于标准存在的问题，按计划修订完善该标准，以使该表面波检测通用方法标准更加适1.3.主要工作过程——起草(草案、调研)阶段计划下达后，由上海金艺检测技术有限公司和上海材料所有限公司负责组建了标准起草工作组，起草工作组的组建充分考虑了该标准修订及标准应用所涉及机构的相关项和多样性。2023年12月，初步确定了工作方案和进度安排。2024年1月，上海金艺检测技术有限公司组织确定了标准试验验证方案，2024年3月，请标准化技术委员会对标准试验验证方案进行2024年1月至2024年4月，上海金艺检测技术有限公司、上海材料所有限公司、江苏共昌轧辊股份有限公司、上海新阵元电子科技有限公司、江苏科技大学、宝山钢铁股份有限公司、西安热工研究院有限公司、东方电气集团东方锅炉股份有限公司等单位对标准草案稿提出修改完善意见。在此期间，工作组成员多次通过电子信件、微信及电话等方式沟通讨论标准草案稿需要修改的条款、修改原因及修改方式，工作组汇总小组成员的修改意见，对标准进行了多次的修改完善，“标准起草小组对标准草案稿提出的修改意见及处理结果记录表”见2024年2月至5月初，在标准草案稿修改完善的同时，标准起草组于上海金艺检测技术有限公司、宝山钢铁股份有限公司、东方电气集团东方锅炉股份有限公司、西安热工研究院有2024年5月，结合试验结果，经过工作组成员反复讨论、多次协商，完成了标准征求意见稿初稿和编制说明。2024年5月9日，上海金艺检测技术有限公司组织召开了工作组会议，以腾讯会议形式审议标准征求意见稿初稿内容，对标准逐条进行讨论、确认修改内容，于2024年5月10日提交全国无损检测1.4.本标准起草单位1.5.本标准主要起草人二、国家标准编制原则、主要内容及及其确定依据'修订国家标准时'还包括修订前后技术内容的对比2.1.标准编制原则则》的规定起草。遵循“国际接轨、广泛参与、合理易用、服务产业”的标准编制原则，充分考虑企业、使用单位及校准机构各方面的意见和建议，在对标准规定的技术内容进行分析研在符合工业产品生产适用性的前提下，尽量降低各项要求、简化方法过程，从而达到降低生产成本的目的。例如，材料、设备厂家在制造、使用、修复等过程中采用超声表面波检测的方法控制工件表面质量，通过标准的修订，使使用方能更好的依据标准内容实施有效的本标准是基础通用标准，提供了无损检测超声表面波检测方法的相关应用要求，本次通过标准修订，完善了相关要求和具体内容，使表面波检测方法更加适应行业技术应用需要，2.2标准主要内容本标准主要章节：1范围，2规范性引用文件，3术语和定义，4人员资格，5监测系统，6检测原理，7检测准备，8检测灵敏度，9检测，10记录和评定，10检测报告，附录A（资料性规范性附录）矩形矩形槽口对比试块SWB-1，附录B（规范性附录）本文件代替GB/T23904-2009《无损检测超声表面波检测方法》，与GB/T23904-2009i)增加了平底孔对比试块灵敏度调节方法（见8l)更改了距离－波幅曲线（DAC曲线）的三、试验(或验证)的分析、综述报告'技术经济论证'预期的经济效益、社会效益和生态效益本标准的本次修订更改内容较多，涉及标准适用范围的明显变化、检测工艺、检测灵敏度相关的对比试块、调节方法、检测参数的修改内容。为验证相关技术要求修改变化后的规定是否具有合理性、适宜性及有效性，起草小组对本次标准修订涉及的条款内容进行了认真3.耦合剂的种类,增加了甘油耦合剂，对以上项目的具体实施内容及验证结论见附录《无损检测超声表面波检测方法》验证报上海金艺检测技术有限公司、宝山钢铁股份有限公司、东方电气集团东方锅炉股份有限公司、西安热工研究院有限公司四家公司参与了对标准修改内容涉及的技术条款的验证，技本次标准修订规范和完善了超声波表面波检测实施的技术要求，明显扩大了标准的适用范围，细化了检测实施的具体要求，增加了方便制作加工的平底孔试块作为灵敏度调节方法，使表面波检测方法更加适应行业技术应用本标准的实施主体包括以钢铁企业为代表的冶金产品制造企业、机械设备生产企业、在役设备及产品使用机构及有关的检测机构等。本标准的修订更加有助于超声表面波检测技术的推广，应用该技术快速的检出工件表面缺欠，相对于磁粉和渗透检测方法具有极高的检测效率和较低的检测成本，利于设备制造、维保过程的成本与风险控制，有助于充分发挥无损本标准的修订，即细化明确了应用表面技术应执行的技术要求，又优化完善了超声表面波检测技术的工艺参数，提升了表面技术作为工件表面缺陷快速检测优势技术的地位，加强了技术创新对产品质量的支撑作用，践行先进标准不断完善提升，加快推动新时代制造业高质量发展的理念。本标准发布后的相关技术应用，将会带来良四、与国际、国外同类标准技术内容的对比情况'或者与测试的国外样品、样机的有关数据对比情况五、以国际标准为基础的起草情况'以及是否合规引用或者采用国际国外标准'并说明未采用国际标准的原因六、与有关法律、行政法规及相关标准的关系本项目编制的标准是指导性标准，与我国现行的法律、法规和强制性国家标准没有冲七、重大分歧意见的处理经过和依据八、涉及专利的有关说明（1）轧辊辊身表面波检测的灵敏度调节方法，发请日：2018.05.23，公开号：CN108519435A；公开日期：2018.09.11；授权号：////，授权专利权人或者专利申请人同意免费许可任何组织或者个人在实施该国家标准时实施专九、实施国家标准的要求'以及组织措施、技术措施、过渡期和实施日期等措施建议十、其他应予说明的事项附录:《无损检测超声表面波检测方法》验证报告12证3456788基于20231234-T-469项目要求，通过试验验证本标准修订过程中更改的技术参数要求和新增技术规定内容均应符合超声表面波技术实践应用要求。2.检测系统选择原GE的USMGO+超声波探伤仪进行试验验证；探头分别选用13×131MHz90°、13×132MHz90°、8×125MHz90°三个不同频率的探头；仪器、探头及仪器和探头的组合性能满足本项目相关章节的要求。图1试验用超声波探伤仪及表面波探头3.试验过程及结果3.1表面粗糙度Ra要求从≤3.2µm放宽到≤6.3µm的检测工艺验证3.1.1试验方法采用3个不同频率的探头，在表面粗糙度为接近但不小于6.3μm的工件表面进行测试，按最大检测距离处直角棱边反射波达到20%f.s时增益24dB后检测系统灵敏度余量是否满足不少于10dB的要求，并观察信噪比。3.1.2试验记录试验数据记录见表1，相应验证记录见图2~图4。表1表面粗糙度试验数据探头频率最大声程位置（mm）对应80%f.s仪器增益值（dB）增益24dB后剩余灵敏度余量（dB）位置1位置2位置3位置1位置2位置3位置1位置2位置3950080046402MHz2004008004749485HMz2004007425图1试验工件与表面处粗糙度比较样块对比图21MHz探头分别在200、400、800直角棱边位置处20%f.s增益24dB波形图32MHz探头分别在200、400、800直角棱边位置处20%f.s增益24dB波形图45MHz探头分别在100、200、400直角棱边位置处20%f.s增益24dB波形3.1.3试验结论根据试验结果，在相应的表面粗糙度工件上，采用较低的检测频率（1MHz）可以在较远的检测范围内拥有较高的有效灵敏度余量和信噪比，当采用较高频率（5MHz在该粗糙度下至少在400mm范围内能满足有效灵敏度余量和信噪比的要求。在实际检测应用时，表面粗糙度较低时优先选择较高的频率，并可采用较大的一次检测范围，表面粗糙度较高时优先选择较低的频率，并应采用较小的一次检测范围。通过试验，可以认为在表面粗糙度Ra≤6.3µm，采用本项目的检测工艺能满足实际检测的需求。3.2增加了甘油耦合剂，对不同的耦合剂检测灵敏度差异的验证3.2.1试验方法使用相同的探头（5MHz）在平板试块200mm位置处直角棱边反射波调至80%f.s.，比较仪器的增益值，验证不同耦合剂是否可适用于表面波检测及差异值。3.2.2试验数据记录见表2，相应验证记录见图5~图8。表1表面粗糙度试验数据序号采用耦合剂仪器增益值1水48dB2化学浆糊48dB3机油47.6dB4甘油48.2dB图5采用水作为耦合剂的检测和波形图图6采用化学浆糊作为耦合剂的检测和波形图图7采用机油作为耦合剂的检测和波形图图8采用甘油作为耦合剂的检测和波形图3.2.3试验结论根据试验结果，在固定的检测条件下，水、化学浆糊、机油、甘油均有较好的耦合效果，对检测灵敏度的差异不超过1dB，实际使用时应根据检测的方便性和工件的需求选择合适的耦合剂；例如自动检测时优先选择流动性较好的水作为耦合剂，对防锈要求较高的工件或现场优先选择机油或甘油作为耦合剂；对于检测面非水平面的应优先选择粘稠度较大的化学浆糊等。3.3对探头扫查路径的确定及优先扫查方向的验证3.3.1试验方法对一固定的矩形矩形槽口（10mm×0.8mm）分别在相同距离（50mm）通过不同角度用表面波（5MHz）进行扫查，比较反射波幅差异，验证针对有目标方向性的缺欠（如表面固定相对摩擦面产生的打滑裂纹）扫查优先方向选择的作用。3.3.2当表面波声束中心线与矩形槽口缺欠方向垂直时可得到最高的反射回波，当探头沿试验路径移动时（见图9）随着角度变化反射波波幅迅速降低，当移动至夹角约为75°后，继续移动探头至0°时波幅略有较小的起伏变化，数据记录见表3，相应验证记录表3表面粗糙度试验数据序号检测声束中心线与矩形槽口缺欠的夹角反射波调制80%f.s.时仪器增益值190°57dB275°79dB345°80dB474dB图9角度变化扫查示意图图10检测声束中心线与矩形槽口缺欠的夹角呈90°反射情况图11检测声束中心线与矩形槽口缺欠的夹角呈70°反射情况图12检测声束中心线与矩形槽口缺欠的夹角呈45°反射情况图13检测声束中心线与矩形槽口缺欠的夹角呈0°反射情况3.3.3试验结果分析及结论根据试验结果并根据超声理论分析，当超声波声束中心线与光滑平面缺欠垂直时反射最为强烈，当倾斜时逐步形成倾斜反射反射波将不能有效的被探头接收到，随着角度增大反射波幅快速降低；当移动一定角度后（如本试验从90°移动到70°)实际上探头接收到的矩形槽口侧面的反射已几乎没有，在后续的检测中（从90°移动到0°)实际接收到的反射波主要为矩形槽口端部的边角反射，从反射波的位置变化也可侧面验证，实际检测中反射情况会受到反射面平直度、粗糙度等多方面的影响；通过以上试验，可以验证为发现各个方向的缺欠，扫查路径一般需沿被检工件表面两个相互垂直方向进行且扫查过程应呈10°~15°转动探头是必须的。当实际检测中被检工件由于使用或加工的原因可能产生的缺欠具有相对固定的方向性（如轧辊的磨削裂纹、打滑裂纹也可以仅采用声束传播方向应尽可能与拟发现的缺欠延伸方向垂直的一个方向扫查。3.4直角棱边、矩形槽口试块、平底孔试块的灵敏度调节方法的验证3.4.1试验方法使用不同频率的探头分别在距100mm处的直角棱边、矩形槽口、平底孔将反射波调至80%f.s.，记录仪器增益值，同一个频率探头选择实际检测需要仪器增益最高的反射体进行DAC曲线绘制并调至检测灵敏度。3.4.2试验数据记录见表4，相应验证记录见图14~图20。表4100mm直角棱边、矩形槽口、平底孔反射情况2MHz探头5MHZ探头反射体仪器增益反射体仪器增益反射体仪器增益直角棱边37dB直角棱边26dB直角棱边51dB10x0.8mm44dB10x0.4mm32dB10x0.2mm55dBΦ2x2mm56dBΦ2x1mm47dBΦ2x0.5mm73dB用Φ2x2mm平底孔测试绘制灵敏度曲线（增益6dB）用Φ2x1mm平底孔测试绘制灵敏度曲线（增益6dB）用Φ2x0.5mm平底孔测试绘制灵敏度曲线（增益6dB）图图155M探头平底孔和矩形槽口试块试验图165M探头直角棱边试验及采用平底孔绘制DAC并调节灵敏度图172M探头平底孔和矩形槽口试块试验图182M探头直角棱边试验及采用矩形槽口绘制DAC并调节灵敏度图191M探头平底孔和矩形槽口试块试验图201M探头直角棱边试验及采用矩形槽口绘制DAC并调节灵敏度3.4.3试验结论根据试验结果，由于存在探头制造厂家不同、规格不同、试块反射体加工精度的问题造成不同条件下不同频率、不同反射体波幅差异较大，但总体情况符合理论实际，同等条件下直角棱边反射波幅明显高于矩形槽口和平底孔反射体，矩形槽口和平底孔反射体在不同频率下反射波幅比较各有差异，一定程度上也受反射体的加工精度影响；通过对仪器增益需求最高的灵敏度调节方法测试绘制DAC曲线并调至相应灵敏度，在调节灵敏度试件上测试，均有较好的信噪比，噪声远低于灵敏度曲线，本项目制定的灵敏度调节方法可以有效进行。3.5对于圆柱体工件的周向扫查180°回波的验证3.5.1试验方法分别采用1MHz和2MHz探头在直径580的铸钢圆柱形工件上进行周向扫查，将180°回波调至80%f.s.，记录此时的距离位置及增益值，采用直角棱边法在相同位置将反射波调至80f.s.，记录此时的增益值，进行比较（工件较大）。3.5.2试验数据记录见表5，相应验证记录见图21~图22。表5180°回波反射对比记录1MHz探头（位置880mm）2MHz探头（位置880mm）180°回波增益70dB180°回波增益78dB直角棱边回波增益57dB直角棱边回波增益62dB差值差值图211M探头180°回波和直角棱边回波图221M探头180°回波和直角棱边回波3.5.3试验结论根据试验结果，1M探头和2M探头180°回波和直角棱边回波差异分别为13dB和16dB，由于工件较大，5MHz反射小于采用直角棱边法调节灵敏度时24dB的增益值，180°回波高度在检测灵敏度以上，对恰巧在该位置的缺陷回波有直接影响，对圆柱体周向实际检测时必须考虑该回波的影响，采用增加扫查线或适当错开180°位置的方式来避免漏检风险。3.6对表面波检测有效深度的简单验证3.6.1试验方法对开有长横孔的试块进行检测，横孔直径2mm，横孔内壁距表面位置分别为1mm和5mm，检测距离为100mm，检测灵敏度采用本项目规定的直角棱边法调节。3.6.2试验数据记录见表6，相应验证记录见图23~图25。表6埋藏长横孔检测2MHz探头可检出可检出距表面5mm可检出距表面5mm不可检出图23长横孔试块实际图(φ2mm孔内壁分别距两侧表面1mm和5mm）图252M探头距表面1mm和5mm检测试验3.6.3试验结果分析及结论根据试验结果，在规定灵敏度下1M探头能有效检测出距表面1mm和5mm的长横孔内壁反射，距表面1mm反射较高；2M探头仅能有效检测出距表面1mm的长横孔内壁反射，距表面5mm的长横孔内壁有不明显的反射波但明显低于检测灵敏度要求；与GB/T11343关于在表面传播的瑞利波的描述的“在厚度大于两个波长的材料中,瑞利波的能量大约穿透到一个波长的深度。”基本符合，实际穿透能力基本能达到接近2个波长的深度区域，所以表面波检测的时候不同的频率还对检测的深度有较大的影响，表面波具有检测近表面缺陷的能力，实际检测时可以更加需求选择合适的检测频率。3.7对表面波检测能量深度方向分布的简单验证3.7.1试验方法对开有贯穿矩形槽口的试块进行检测，槽深5mm，距边部为100mm，分别在端部向矩形槽口进行检测和在矩形槽口位置向端部进行检测，将反射回波调至80%f.s.，比较仪器增益值。3.6.2试验数据记录见表5，相应验证记录见图26~图27。表7埋藏长横孔检测探头从端部向矩形槽口检测43dB探头从矩形槽口向端部直角棱边检测43dB图26贯穿矩形槽口试块实际图（仅对5mm深矩形槽口进行试验）图271M探头位于直角棱边端部和矩形槽口端部检测试验3.7.3试验结果分析及结论根据试验结果，采用1MHz探头在相同距离采用直角棱边反射和5mm深矩形槽口反射波幅几乎是一样的，与GB/T11343关于在表面传播的瑞利波的描述的“在厚度大于两个波长的材料中,瑞利波的能量大约穿透到一个波长的深度。但由于能量以指数式分布,半数能量集中在离表面1/4波长的深度范围内。”符合，结合3.6的试验，1MHz探头形成的表面波在5mm深度的位置还有一定的能量，但是能量距表面成指数下降，在总体能量中的占比非常低，故在本次试验中对反射波幅的影响可以忽略。3.8检测圆柱体等曲面工件的曲率半径不小于22.5mm的验证3.8.1试验方法分别对φ57×7mm、φ45×7mm的管子进行外表面表面波检测，测试表面波检测的可行性。3.8.2试验数据记录见表8、表9，相应验证记录见图28~图29。表8φ57×7mm低合金钢小径管表面波测试数据反射体方向：横向探头参数：5MHz6*6BM反射体方向：横向探头参数：2.5MHz6*6BM测试对象级别直段碳钢碳钢外弯头反射体方向：纵向探头参数：5MHz6*6BM反射体方向：纵向探头参数：2.5MHz6*6BM测试对象级别直段碳钢表9φ45×7mm不锈钢小径管表面波测试数据反射体方向：横向探头参数：5MHz6*6BM反射体方向：横向探头参数：2.5MHz6*6BM测试对象级别直段不锈钢反射体方向：纵向探头参数：5MHz6*6BM反射体方向：纵向探头参数：2.5MHz6*6BM测试对象级别直段不锈钢//////图28φ57×7mm低合金钢小径管表面波测试部分记录图29φ45×7mm不锈钢小径管表面波测试部分记录3.8.3通过验证，在小径管上开展表面波的检测，在曲率半径为22.5mm时采用合适的检测工艺能有效的实施，信噪比满足要求。4.西安热工研究院有限公司已颁布实施的《电站密集管排小径管超声表面波检测技术导则》T/CSEE0335—2022中，已提出了经验证后的标准适用范