铸钢件超声检测标准的比较

张 晶

(中国第一重型机械股份公司重装技术质量部，黑龙江161042)

在轧钢、锻压、矿山、起重运输、发电、冶炼等设备中，铸钢件约占设备总重的40%。近年来，随着我国经济的稳健发展，对大型铸件的需求量不断增加。因此，保证大型铸件的质量尤为重要。

无损检测是保证材料与工件质量的重要手段之一。大型铸件尺寸较大，射线检测透射困难，同时，工作场地、工件移动、检验速度等各种因素均会影响射线检测的操作效果。而超声检测效率高，成本低，对重大缺陷的检出率高，因此超声检测是评价大型铸钢件内部质量的重要检测方法之一。

目前，我公司外方合作项目较多，均采用国外超声检测标准。正确理解和应用各种无损检测标准，制定合理的检测工艺，对控制产品质量和维护供需双方各自权益极其重要。常用的国内外超声检测标准有EN 12680—1、ASTM A 609、JB/T5000.14—2007和GB 7233.1—2010。EN 12680—1是SEP—1922超声检验方法和DIN 1690—2中的超声验收等级结合后的修订标准，二者具有一定的延续性。JB/T5000.14—2007中超声检测部分的检验方法和验收级别与SEP—1922和DIN 1690—2标准基本相同，没有重大改动。GB 7233.1—2010与EN 12680—1内容基本相同，下文不再单独叙述。

1 适用范围

各个标准适用的材质基本相同，均不适用于奥氏体不锈钢铸件。ASTM与EN标准对适用厚度无下限要求。在ASTM标准方法中，∅2.4 mm平底孔双晶试块的覆盖范围为3 mm～44 mm，即对于厚度≤50 mm的铸件应使用双晶探头。EN标准中规定双晶探头探测范围不超过50 mm。各标准的适用范围如表1所示。

表1 各标准的适用范围

2 探头的选择与灵敏度的设定

2.1 探头的选择

探头的主要参数有探头种类、探头频率和晶片尺寸。通常铸钢件超声检测均以纵波单晶直探头为主，双晶探头与斜探头只用于特殊区域或特殊取向缺陷的检测。

超声波可探性要求在目标探测距离处噪声与设定灵敏度下信号的dB差超过规定值。探头频率、工件厚度与灵敏度高低是影响超声波可探性的重要因素。各个标准对铸件的纵波直探头超声波可探性均有规定。EN规定信噪比要大于6 dB，ASTM规定信噪比大于12 dB，JB规定为8 dB。若选择1MHz探头进行探测仍不满足可探性要求，EN标准规定报告中应记录满足可探性要求的灵敏度后，与用户或相关部门协商另外的检测方法；JB要求重新热处理以达到可探性要求，与SEP—1922中规定不同。

双晶探头探测深度范围有限，只适用于小尺寸铸件或铸件近表面深度范围内缺陷的探测。EN标准规定：当仅能在铸件单面进行检测时，应使用双晶探头覆盖近表面盲区。

EN标准规定一些关键区域如圆角、截面变化区、外冷铁区、补焊区域和合同中规定的特殊边缘区使用双晶直探头和(或)斜探头检测50 mm深度范围。通常，铸件检测技术规格书会根据铸件和其局部区域的重要性规定所使用的探头类型。例如：轧机牌坊窗口内侧圆角及压下孔处容易产生铸造缺陷，服役过程中内窗口与圆角处承受较大应力，因此为了检测裂纹和一些较大缺陷，均有斜探头和双晶探头的检测要求，验收级别相对其它区域也会有所不同。双晶探头和斜探头检测深度范围小，为了改善探测缺陷的准确度，在衰减和杂波等不影响探测的情况下，可以适当提高探头频率。

ASTM标准规定：由于铸件外形设计或缺陷取向的原因用直探头无法进行有效检验的重要部位，使用斜探头进行补充检验，需要检验的部位由供需双方协商确定。EN标准规定探头的选择取决于铸件的几何形状和可能存在缺陷的种类，铸件生产方应根据铸件形状、可能存在的铸造缺陷或补焊缺陷制定合适的检测工艺，例如选择合适的斜探头。

EN和JB标准明确规定对于记录缺陷要进行进一步分析以确定其类型、形状、尺寸和位置，改变探头入射角度是其中的一种方法。

2.2 灵敏度的设定

设定灵敏度的方法通常有DAC法、DGS法、底波法等。各个标准的灵敏度设定方法不尽相同。

ASTM标准规定了平底孔校验法和底波校验法两种方法。平底孔校验法是使用与铸件声学特性相似的∅6 mm和∅2.4 mm平底孔试块制作DAC曲线。底波校验法(Back-wall Reflection Calibration Procedure)与通常所用的底波法不同，它根据材料厚度选择需要使用的3个平底面试块，运用仪器的增益修正时基(TCG)功能，使不同时基处的信号值趋于等高，调整工件底波后提高一定的增益设定检测灵敏度。通常我们所说的底波法是将底波调整至某百分比屏高，根据缺陷波与底波的高度值评价缺陷，此时，缺陷波靠近始脉冲或靠近底波对评定结果影响很大，这与底波校验法的区别应引起检验人员注意。

EN标准可以选择使用DAC法或DGS法。DAC法运用一组平底孔或侧横孔试块制作距离幅度曲线。当使用试块DAC法时，需要进行传输修正。通常使用的进口探头(如GE公司的探头)均配备衰减系数为零的DGS曲线表，当用工件平行处底波调整好灵敏度后，发现缺陷后查表确定缺陷当量。EN标准中，对DGS法是否需要传输修正无明确规定，但其引用的EN 583—2中强调：必要时，应进行传输修正以补偿耦合损失和材质不同引起的衰减变化。GB标准将EN 583—2中传输修正的一些规定列入附录。调整灵敏度的方法及是否传输修正对检测结果有较大影响，因此，检验前供需双方应就这些问题协商一致，避免产生争议。

SEP—1922标准制定时间早，当时欧洲超声检测理论发展成熟，习惯用DGS方法。标准推荐使用铸件本体调节灵敏度，若不能用本体进行调节，则用标准试块如IIW或IIW2试块调节。直探头用标准试块根据DGS曲线调节灵敏度误差会很大，因此EN标准将标准试块DGS法修改为DAC法，JB标准中只保留了铸件本体调整方法。

斜探头灵敏度的设定应引起检验人员注意。ASTM标准使用侧横孔试块设定斜探头灵敏度，试块的横孔直径随探测厚度的增加而增大。探测厚度增大，发现缺陷的能力降低，增大横孔直径相当于降低了探测灵敏度。EN标准规定斜探头灵敏度的设定要确保在屏幕上看到信号的动态波形。对比可见，ASTM标准将缺陷信号量化，只对等于或超过DAC曲线的信号进行评定。EN和JB标准的宗旨是相同的，即发现任何具有动态回波特性的信号。而且明确提出：使用横波斜探头检测时，不考虑信号幅度，只要信号具有移动特性或在壁厚方向具有明显尺寸，均应记录并进行进一步评价，同时也给出了斜探头检测面积型缺陷的验收等级。

3 缺陷验收的规定

3.1 缺陷的分类

缺陷验收的规定体现了标准制定者对缺陷性质的理解和对缺陷某些特征参数的重视程度。ASTM标准底波校验法中将缺陷分为线状缺陷和非线状缺陷(见表2)。非线状缺陷又分为单个缺陷和密集缺陷，验收标准中对缺陷的面积、缺陷分布位置、单位面积内密集缺陷的累计面积等进行了限定，一旦发现线状缺陷必须返修。而在平底孔校验法验收标准中，仅对缺陷的面积和最大尺寸进行限定，未对缺陷进行进一步划分。

表2 各标准对缺陷的分类

通过比较最高波降6dB测得的缺陷尺寸与6 dB声束宽度，EN标准又将体积型缺陷分为不具有可测量尺寸的缺陷和具有可测量尺寸的缺陷。操作者首先要根据标准要求对缺陷进行分类，然后依照不同类型缺陷的验收等级进一步判定合格与否。例如，EN标准中面积型缺陷与体积型缺陷的验收是分开的，若对缺陷类型判定错误，则可能得到不同结论。这种分类方法看似简单，实际上要求检验人员要有大量的工作经验。相比之下，ASTM标准方法B对缺陷的划分比较简洁，根据缺陷的长宽比值将缺陷划分为线状和非线状缺陷，长宽比大于3的则为线状缺陷。

ASTM标准评定缺陷时着重考虑缺陷在投影面上的面积，属于平面型思维。而EN标准不仅考虑缺陷的投影面积，还要考虑其在壁厚方向的尺寸，属于立体型思维。

3.2 缺陷的评定

ASTM标准平底孔校验法规定，对超过100%DAC曲线的显示，不管其信号幅度高低，均应画出缺陷的面积进行评定，未提及缺陷当量的概念，即根据超过DAC曲线的缺陷面积判定合格与否。EN标准根据探测壁厚规定了非平面型缺陷的记录限当量大小。在验收级别1～4中，对当量大小的规定为：壁厚小于50 mm时，大于∅8 mm当量缺陷不合格；壁厚大于50 mm时，边缘区域大于∅8 mm当量的缺陷合格与否需要与用户协商。其它区域的缺陷，则用不可测量宽度缺陷的最大长度、单个缺陷最大面积、壁厚方向最大尺寸、单位面积内的最大累计缺陷面积等参数加以限制。二者相比，ASTM的操作性强，缺陷判定简便快捷；EN标准考虑各种缺陷的不同状况，虽然评判复杂缺陷时程序繁琐，但应用空间思维评价缺陷更加合理。

ASTM底波校验法中，若需要评定的缺陷面积无法划定，则计做1 cm2，而在平底孔校验法中却无类似规定。EN标准附录中虽对成组的可分辨缺陷、成组的不可分辨缺陷、多个分散的单个缺陷进行了图示说明，但对具体的区分方法却无明确规定，操作人员只能凭经验主观判别。这种未详细叙述或叙述含糊的地方无疑会给缺陷判定带来一些干扰。ASTM标准中规定则比较明确，如：25 mm的立方体内有两个或两个以上缺陷时定义为密集缺陷；一个密集区内缺陷间距小于该群缺陷中最大缺陷的最小尺寸时，该密集区应补焊；两个密集区的距离必须大于其中最大缺陷的最小尺寸，否则，含最大缺陷的密集区应补焊。

3.3 对底波衰减的规定

底波严重衰减或消失可能是由以下情况造成的：(1)底面倾斜。(2)耦合不良。(3)探测区域晶粒粗大。(4)存在重大缺陷，缺陷波可见(如存在密集缺陷疏松)或不可见(如存在倾斜的面积型缺陷)。当检验壁面平行铸件部位时，各个标准对底波降低量均有规定，当发现底波降低量超过规定值时，应确定底波降低的原因，例如接触不良、耦合剂不足或存在缺陷等。EN标准规定记录底波衰减超过规定值的区域，通过进一步研究确定缺陷类型、形状、尺寸和位置。如果确定底波衰减是由倾斜的面积型缺陷导致，应确定倾斜缺陷的面积；若由于存在体积型缺陷所导致，则根据底波降低6dB的位置确定缺陷面积。同样导致底波量降低，但两种情况下缺陷的判定标准截然不同，一个按面积型缺陷判定，另一个则按体积型缺陷判定。ASTM标准方法A中按底波降低12 dB确定缺陷边界，方法B中的规定有所不同：不管缺陷波幅高低，若底波降低≥12 dB(由缺陷的存在导致)的区域面积超过相应的质量等级，提高增益使底波达到100%底波高度后，若缺陷波幅度超过判废线，则此缺陷拒收。

由于铸造工艺原因或铸件热处理过程中加热不均匀，会使铸件晶粒粗大导致局部底波衰减，这种情况应与需方或相关工艺部门商定处理办法。细化晶粒热处理可改善晶粒粗大问题，若仍按常规缺陷导致底波衰减的验收标准进行判定，通过去除缺陷后进行补焊的修补方法则有失稳妥。

表3 JB标准中易产生歧义的内容

4 结语

EN标准根据缺陷的性质、形状、尺寸等多种特征来制定缺陷的评定方法与验收准则，检测人员需要有熔炼、铸造等相关专业的工艺知识，深刻理解常见缺陷的种类及波形特性，才能准确地执行EN标准，这无疑对检测人员的素质提出了很高的要求。ASTM标准简洁概括，发现缺陷后判定迅速，操作起来相对容易，不同检测人员的检验结果不会产生很大差异。国内标准借鉴或直接翻译使用欧洲标准，但个别地方翻译后叙述不符合汉语阅读习惯，检测人员读起来容易困惑或曲解，如表3所示。

标准是制定检测工艺和执行检测的基础。笔者认为应通过分析熔炼、铸造、热处理等相关工艺，或通过先进的数值模拟手段得到容易产生缺陷的位置、种类、尺寸等信息，制定合理的检测工艺和验收等级，使检测更具针对性。

[1] 中国特种设备检验协会组织编写.超声检测[M].中国劳动社会保障出版社，2007.

[2] 全国锅炉压力容器无损检测人员资格考核委员会组织编写.超声检测[M].中国锅炉压力容器安全杂志社，1995.