苗雨升

（山东核电有限公司，山东 烟台265116）

1 背景介绍

超声检测是一种可以检测工件表面特别是表面层下缺陷的无损检测方法。其通过超声探头发射的超声波在缺陷处产生的反射回波来检测缺陷的位置和大小。根据AMSE XI卷的要求，采用超声检测方法测量缺陷的大小是通过确定缺陷的长度（沿焊缝方向的长度）和缺陷的深度（垂直工件表面或沿壁厚方向的长度）形成的截面积来判定缺陷的大小。根据ASME XI卷IWA3000[1]的规定，以近表面缺陷的大小测量为例如下，图中a为缺陷的深度，l为缺陷的长度。

图1 ASME XI卷IWA-3310-1表面的平面缺陷大小测量[1]

ASME XI卷关于运行阶段缺陷的验收标准就是通过缺陷的长度l和缺陷的深度a以及工件的厚度t来制定的。由于超声检测方法是通过声压的回波来实现对缺陷的检测的，因此工件的表面粗糙度、表面的清洁度、工件的材质、探头的K值（探头的入射角度）、甚至是操作人员按压探头的力度等因素都可能对声压的回波产生影响，换句话来说超声检测方法的重复性不好。因此即使是验收标准确定了，如何获得缺陷的真实尺寸是一个难题。目前美国以及欧洲在超声检测方面的技术处于世界领先，其也已经建立了成熟的超声检测能力验证机构，对检测单位进行真实缺陷的检测考试的方式，认证检测机构的缺陷检出能力以及缺陷大小测量能力。国内目前能力验证尚处于起步阶段，核安全局华北站负责建立国内的能力验证机构，目前已经建立，并且已经对广核和秦山二期的RPV超声检测设备实施了能力验证，对于AP1000项目，核安全局华北站也提出了能力验证的要求，包括反应堆压力容器的筒体焊缝、接管焊缝、安全端异种金属焊缝、蒸发器传热管、核级管道焊缝等。下面重点介绍一下目前核行业的超声检测方法中对于缺陷的定量的方法。

2 基本内容

目前，核行业超声检测缺陷的定量的方法很多，但是都有一定的局限性。常用的定量方法有当量法、底波高度法和测长法三种。其中测长法适用于缺陷尺寸大于超声波声束截面的情况，而当量法和底波高度法适用于缺陷尺寸小于超声波声束截面的情况。

2.1 当量法

当量法确定的缺陷尺寸是缺陷的当量尺寸。常用的当量法主要包括当量试块比较法和当量计算法。当量试块比较法是将工件中自然缺陷回波与试块上的人工缺陷回波进行比较来对缺陷定量的方法。加工制作一系列含有不同声程不同尺寸的人工缺陷（如平底孔）试块，探伤中发现缺陷时，将工件中自然缺陷回波与试块上人工缺陷回波进行比较。当同声程处的自然缺陷回波与某人工缺陷回波高度相等时，该人工缺陷的尺寸就是此自然缺陷的当量大小。对于缺陷距离超声波声源的距离大于等于3倍的近场区长度（由于声波的干涉效应，超声波在近场区范围内时而相互叠加出现峰值，时而相互叠加出现波谷，从而对于检测结果有非常大的影响，因此超声波检测时对于近场区范围内的显示无法进行测量的），规则反射体的回波声压变化规律基本满足球面波扩散的变化规律，因此可以使用回波声压公式。当量计算法就是根据探伤中测得的缺陷波高的dB值（分贝），利用各种规则反射体的理论回波声压公式进行计算来确定缺陷当量尺寸的定量方法。由于应用当量计算法对于缺陷定量不需要任何试块，是目前广泛应用的一种当量法。它只需要通过测定工件地面的底波声压，然后测得缺陷的声压，然后通过公式进行计算，即可得到缺陷的当量尺寸，即缺陷的当量平底孔尺寸。

2.2 底波高度法

对于缺陷尺寸小于波束截面的情况，另一个测量缺陷的大小的方法为底波高度法。底波高度法是利用缺陷波与底波的相对波高来衡量缺陷的相对大小。换言之，当工件中存在缺陷时，由于缺陷反射，使工件底波下降，缺陷越大，缺陷波越高，底波就越低，缺陷波高与底波高之比就越大。底波高度法包括缺陷波高与缺陷处底波高之比，缺陷波高与无缺陷处底波高之比以及无缺陷处底波高与缺陷处底波高之比来衡量缺陷的大小。底波高度法不用试块，可以直接利用底波调节灵敏度和比较缺陷的相对大小，操作简便。但不能给出缺陷的当量尺寸。此外，底波高度法只适用于具有平行底面的工件。

2.3 测长法

当工件中缺陷尺寸大于声束截面时，一般采用侧长法来确定缺陷的长度。测长法是根据缺陷波高与超声探头移动的距离来确定缺陷的尺寸的。由于实际工件中的缺陷的取向、工件的表面状态、工件材质等都会影响到缺陷回波的波高，因此缺陷的测量长度一般要小于或等于实际缺陷的长度。根据测定缺陷长度时的灵敏度基准不同将测长法分为相对灵敏度法、绝对灵敏度法和端点峰值法。

2.3.1 相对灵敏度测长法

相对灵敏度测长法是以缺陷最高回波作为基准，沿缺陷的长度方向移动探头，降低一定的dB值来测定缺陷的长度。一般常用的是6dB法和端点6dB法，其中端点6dB法适用于当缺陷的各部分反射波高有很大变化时，测量缺陷长度时使用。

2.3.2 绝对灵敏度测长法

绝对灵敏度测长法是规定一个具体的回波声压，当仪器的在规定的灵敏度下，波高降到规定的位置时，就认为是是缺陷的边界，从而确定缺陷的长度。在自动探伤中常用绝对灵敏度法测长。

2.3.3 端点峰值法

简单来说，端点峰值法就是找到缺陷两端的最高波峰的位置，从而确定缺陷的长度。因此端点峰值法测得的缺陷长度比端点6dB法测得的指示长度要小一些。端点峰值法也只适用于侧长扫查过程中，缺陷反射波有多个高点的情况。

3 缺陷深度的测量

对于缺陷的深度测量，目前尚处于研究阶段，下面介绍几个目前国内常用的缺陷深度测量的方法。

3.1 端部回波峰值法

端部回波峰值法顾名思义，就是通过横波测定缺陷端部的最高峰值的位置，并通过探头的角度计算来确定缺陷的深度。横波端部回波峰值法是目前应用较广的一种方法，其测试误差较小。特别是采用聚焦探头后，波高变化明显，效果更佳。

对于表面开口型缺陷，只需要测量缺陷的端部的位置。如图2所示：

图2 横波端部回波峰值法测量表面开口缺陷[2]

对不非表面开口缺陷，当探头前后移动到缺陷的深度方向的上、下端点时，产生了较强的回波波峰F1和F2。由此可确定缺陷的深度，如图3所示。

图3 横波端部回波峰值法测量非表面开口缺陷[2]

3.2 6dB法

基本原理同上述测长法中端点6dB一样，只是测深度时探头垂直于缺陷长度方向，前后移动探头，侧等波高相对于峰值下降一半时作为深度测量的上、下端点，从而确定缺陷的深度。

［1］ASME,Rules For Inservice Inspection of Nuclear Power Plant Components,ASME BPVC SECTION XI 1998[Z].

［2］郑晖,林树青.超声检测[M].2版.北京∶中国劳动社会保障出版社,2008∶203.