Verification of two national standards for ultrasonic total focusing technique testing
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摘要:
标准验证是保证国家标准的科学性、规范性、适用性、时效性,提高国家标准质量的有效手段。介绍与分析了发布的两项全聚焦相控阵超声检测国家标准验证内容,从国内外全聚焦设备、图像显示及实际检测等角度进行验证,以提升标准实用性、合理性及科学性,确保标准的有效实施。
Abstract:Standard verification is an effective means to ensure the scientificity, normativeness, applicability and timeliness of national standards and improve the quality of national standards. This paper introduced and analyzed the verification content of two released national standards for total focusing technique ultrasonic testing, and carried out experimental verification from the perspective of TFM equipment, image display and actual detection to improve the practicality, rationality and scientificity of the standard, and ensure the effective implementation of the standards.
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Keywords:
- total focusing technique /
- phased array /
- standard verification
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超声检测是无损检测领域中一项成熟并被广泛运用的检测技术,超声波具有穿透能力强、声束指向性好、信息携带量大、成本低、对人体无害、易于实现快速准确的在线无损检测和无损诊断等优势,在航空、航天、交通运输、石油管道、建筑工程和科学研究等领域均得到了广泛应用[1-3]。根据其具体原理,又可以分为常规超声检测技术,衍射时差法（TOFD）超声检测技术、相控阵超声检测（PAUT）技术等[4]。
随着微电子、计算机、软件开发等技术的快速发展,相控阵超声技术得到了迅速发展。相控阵技术利用延时聚焦算法,对声束进行合成,实现了声束的聚焦及偏转,能够根据需求实现对检测工件的快速精确扫描,从而具有传统超声无法比拟的特点和优势[5]。
全聚焦技术[6]是在传统相控阵技术基础上发展起来的一种超声检测技术,由英国学者HOLMES等[7]在2005年首次提出。全聚焦技术使用超声阵列探头,依次激发每一个阵元,再由其他阵元同时接收超声信号,进而完成全矩阵采集[8]。其在全矩阵采集的数据基础上进行全聚焦数据处理并成像,对成像区域内的每个位置进行聚焦成像,能提高整个成像区域内的图像分辨力。全聚焦技术能够解决传统相控阵技术声束扩散导致的测量精度不一致的问题,提高整个成像区域内的缺陷尺寸测量准确性与精度,是超声检测技术的发展趋势。该技术对硬件性能有较高的要求,随着电子技术的发展,目前相控阵超声仪器的硬件水平已能满足其技术要求,其已开始应用于各行各业的重点领域。
1. 项目制定背景
随着全聚焦技术在各行业中的试验与应用,ISO在2021年由国际焊接学会发布了标准ISO 23864：2021 Non‐destructive testing of welds—Ultrasonic testing—Use of automated total focusing technique (TFM) and related technologies和ISO 23865:2021 Non-destructive testing—Ultrasonic testing—General use of full matrix capture/total focusing technique (FMC/TFM) and related technologies。ISO 23864：2021是自动全聚焦超声检测技术在母材厚度不小于3.2 mm的金属熔化焊接接头中的应用,适用于板、管和容器等简单几何形状的全熔透焊接接头。ISO 23865：2021规定了使用全矩阵采集/全聚焦技术(FMC/TFM）和相关技术的阵列超声检测的通则,旨在推广FMC/TFM技术的工程应用。FMC/TFM技术检测焊缝的应用指南,见ISO 23864。上述两个标准是目前对全聚焦技术表达最完善的标准,有助于该技术的推广应用。
《国家标准化发展纲要》中指出,到2025年“国家标准与国际标准关键技术指标的一致性程度大幅提升,国际标准转化率达到85%以上。”在2022年,国标委下达《国家标准化管理委员会关于下达2022年第二批推荐性国家标准修订计划及相关标准外文版计划的通知》中的两项全聚焦国家标准分别是：计划号为20220493-T-469的《无损检测 超声检测 全矩阵采集/全聚焦技术（FMC/TFM）》；计划号为20220348-T-604的《焊缝无损检测 超声检测 自动全聚焦技术（TFM）》。两项标准均采标全聚焦ISO标准,由上海材料研究所有限公司牵头制定。
标准验证是对标准技术要求、核心指标、试验和检验方法等开展验证,是提高标准科学性、合理性及适用性的手段,是标准化服务体系的重要组成部分。无损检测作为基础性的方法,在各个产业链中都有特殊的地位,全聚焦技术作为相控阵发展过程中的前沿技术,开展标准验证工作,使标准适应新技术、新产业、新业态、新模式,以提升标准水平。因此,两项全聚焦国家标准在制订过程中均开展了标准验证工作,鉴于两项标准有一定的共通性,两项标准的验证有部分内容是共同展开的。
2. 标准验证
2.1 验证内容及方案
《无损检测 超声检测 全矩阵采集/全聚焦技术（FMC/TFM）》和《焊缝无损检测 超声检测 自动全聚焦技术（TFM）》两个标准均由上海材料研究所有限公司牵头成立了标准起草小组,启动了标准制定工作,确定了标准编写原则和分工,并制定了标准验证试验方案,开展了验证工作。工作经历了起草阶段、征求意见阶段和审查阶段,并向国标委报批项目。
两个标准虽然都是关于全聚焦技术的,但也存在不同之处。《无损检测 超声检测 全矩阵采集/全聚焦技术（FMC/TFM）》规定了使用全矩阵采集/全聚焦技术(FMC/TFM）和相关技术的阵列超声检测的通则；《焊缝无损检测 超声检测 自动全聚焦技术（TFM）》则是使用全聚焦及相关技术对焊接接头进行超声检测。因两个标准在内容和技术上存在互相引用,相互借鉴,故存在一定的共性,基于章节的原因,文章验证的内容形成主要是基于两者的共性或挑选具有代表性的验证内容,具体的验证内容如表1所示。
Table 1. 文章的验证内容与标准内容的对应章节验证的内容 ISO 23864：2021对应章节 ISO 23865：2021对应章节 FMC/TFM仪器在标准条件下的适用性 6.2.2 8.2 FMC/TFM探头在标准条件下的适用性 6.2.3 8.3 全聚焦与常规相控阵超声检测显示图像验证 — A.1 全聚焦相控阵超声检测不同频率探头对缺陷显示图像 — C.1 全聚焦成像区域分辨率对成像图像影响 — C.1 对焊缝内部不同类型的缺陷进行全聚焦检测验证 B.2 — 腐蚀全聚焦检测 — D.3 湿硫化氢腐蚀全聚焦检测 — D.2 应力腐蚀裂纹全聚焦检测 — D.4 由表1可知,文章主要进行了3方面的验证：一是针对目前市场上的FMC/TFM设备（包括仪器和探头）进行验证,验证目前国内外的FMC/TFM设备是否满足全聚焦技术的要求,使这两项标准能在国内顺利地推广应用；二是全聚焦相控阵超声检测显示图像验证,验证常规PAUT和全聚焦技术的显示图像差异性,全聚焦技术显示图像的影响因素；三是检测验证,主要是针对实际检测应用,对焊缝内部不同类型的缺陷进行FMC/TFM检测验证,验证FMC/TFM技术检测焊缝的可靠性,同时对不同腐蚀(包括高温氢腐蚀、腐蚀、湿硫化氢腐蚀、应力腐蚀裂纹)类型的缺陷进行检测验证,保证在制定详细检测工艺规程的条件下,全矩阵采集/全聚焦技术在国内可以有效实施。
2.2 验证国内外FMC/TFM设备在标准条件下的适用性
本节验证分为两个部分：一是验证国内外FMC/TFM仪器的适用性；二是验证国内外FMC/TFM探头的适用性。验证的主要内容是两项标准对仪器、探头的主要技术要求。
两项标准项目对仪器的要求是“采用全聚焦技术进行检测的超声仪器应符合ISO 18563-1的规定”,对探头的要求是“使用全聚焦技术的超声阵列探头应符合ISO 18563-2的规定”。ISO 18563是国际标准化组织发布的关于相控阵超声设备的性能与检验的标准,其中第1部分是仪器,第2部分是探头。
2.2.1 国内外FMC/TFM仪器在标准条件下的适用性
ISO 18563-1是检测频率为0.5 MHz~10 MHz的多通道相控阵超声检测仪的主要技术性能的检测方法和验收标准。FMC/TFM仪器的ISO 18563-1验证内容包括仪器稳定性,脉冲重复频率,延迟时间性能,发射电压性能,各通道串扰信号,盲区,滤波器频带响应,增益控制器精度。
为验证目前国内外的FMC/TFM仪器是否满足全聚焦的检测要求,选取了6个品牌的FMC/TFM仪器,基本涵盖了目前国内市场上最常用的具有FMC/TFM功能的相控阵超声检测仪器,结果表明6款不同FMC/TFM相控阵超声检测仪器均能满足ISO 18563-1的要求,能够保证全聚焦技术对仪器硬件的基本要求。
但全聚焦技术进行全聚焦算法计算时,数据量巨大,对仪器的数据传输性能与运算处理器性能有较高要求,在数据传输与处理器性能方面,目前标准没有提出量化要求。使用全聚焦技术时需要由用户结合使用工艺,评估仪器运算处理性能是否能够达到实时检测要求。
2.2.2 国内外FMC/TFM探头在标准条件下的适用性
ISO 18563-2是针对相控阵探头的性能测试标准,规定了测试方式和验收要求。其主要的测试指标有物理外观、相对脉冲回波灵敏度、中心频率、带宽、脉冲持续时间、探头灵敏度、失效阵元等参数。
文章主要验证测试了4款国产线阵列探头,确认探头是否符合ISO 18563-2中的规定,验证线阵探头中是否有失效阵元,若有,则需确认失效阵元是否符合要求。探头验证采取直接接触法,验证了ISO 18563-2中规定的几个参数,4款不同探头的验证结果如表2所示。
Table 2. 4款不同探头的验证结果仪器型号 相对脉冲回波灵敏度是否满足18563-2中的规定 频率、带宽和脉冲持续时间是否满足18563-2中的规定 探头灵敏度是否满足18563-2中的规定 是否存在失效阵元 A品牌（1L64-1.5×10） 是 是 是 否 B品牌（5L64-0.6×10） 是 是 是 否 C品牌（5L64-0.3×10） 是 是 是 否 D 品牌（10L64-0.3×10） 是 是 是 否 由表2可知,验证的4款国产探头均符合ISO 18563-2中的规定,无失效阵元,均能满足两项全聚焦标准中对探头的要求。但为了获得清晰的图像,还应考虑探头的间距、阻尼、阵元尺寸等参数。
通过上述的仪器和探头的验证可知,目前国内外的TFM/FMC设备可以满足标准中对全聚焦技术仪器设备的相关要求。
2.3 全聚焦检测的显示图像验证
2.3.1 全聚焦与常规相控阵超声检测显示图像验证
全聚焦技术和常规PAUT技术显示的缺陷图像有较大差异,常规PAUT由于声束扩散,不同声程位置图像分辨力不一样,只能在聚焦位置得到较高的分辨力,而且只能在近场范围内聚焦,在非聚焦区域,分辨力较差。TFM技术能够在整个定义的成像区域内聚焦,通过网格设定聚焦成像点的分辨率,在整个成像区域内都具有较高的分辨力。采用相同探头在相同试块上分别进行全聚焦检测和相控阵检测,验证两者显示图像的区别。
各种模式下PAUT与TFM 显示图像的对比如图1所示。图1（a）为PAUT纵波线扫描不聚焦模式下的不同深度横孔图像,由于横孔在声束近场区内,图像分辨力很差。图1（b）为PAUT纵波线扫描聚焦模式下的不同深度横孔图像,聚焦深度位置附近的横孔图像分辨力较强,远离聚焦深度位置的图像分辨力较差。图1（c）为PAUT横波扇扫描不聚焦模式下的不同深度横孔图像,由于探头激发孔径较大,横孔处于近场范围内,故图像分辨力很差。图1（d）为PAUT横波扇扫描聚焦模式下的不同深度横孔图像,可见,图像分辨力明显提高,在非聚焦位置的分辨力比聚焦位置的差一些。
从常规PAUT图像可以看出,如果使用未聚焦的声束,PAUT空间分辨力差,主要目的用于检测不连续,而非定量。如果使用了聚焦,则能获得良好的空间分辨力,但只局限在焦点处。图1（e）为纵波LL全聚焦模式下的不同深度横孔的图像,可见相同大小不同深度的横孔信号图像显示尺寸差异较小,分辨力较高。图1（f）为横波TT全聚焦模式下的不同深度横孔图像,可见相同大小不同深度的横孔信号图像显示尺寸差异较小,分辨力较高。在全聚焦技术成像中,条件良好的感兴趣区内任一点均可获得良好的空间分辨力。图1（g）为PAUT纵波扇扫描聚焦模式下的不同深度垂直排列横孔图像,可见非聚焦位置的横孔图像分辨力很差,横孔图像放大严重,声束能聚焦在有限的位置,通常在固定深度、投影平面或沿声束的固定声程处。图1（h）为全聚焦纵波LL模式下的不同深度垂直排列横孔图像,可以看出,全聚焦模式显示的横孔图像尺寸差异较小,采用全聚焦技术处理图像时,在感兴趣区内的所有点(由高分辨率栅格定义)均能聚焦。
经过试验验证和图像对比后可知,两项全聚焦技术标准中关于全聚焦技术的图像显示特点与实测结果基本一致,PAUT声束能聚焦在有限的位置,采用TFM处理图像时,在感兴趣区内的所有点均能聚焦。目前国内外FMC/TFM仪器对全聚焦图像的显示特征与标准附录A的聚焦的描述基本相符。
2.3.2 全聚焦相控阵超声检测不同频率探头对缺陷显示图像的影响
全聚焦技术通常使用超声阵列探头全部阵元以获得最佳聚焦成像性能,尽量使用较小的阵元间距以避免空间混叠,合适的阵列尺寸能得到最佳成像效果。为测试阵列探头频率对全聚焦成像效果的影响,使用不同频率阵列探头在水平方向与垂直方向分别测试试块中的横孔（见图2）。
不同频率探头全聚焦测试的成像结果如图3所示,可以看出,频率低的探头由于单个晶片穿透能力比频率高的探头强,故其全聚焦的横孔信号幅值比高频探头的强,低频探头全聚焦图像的分辨力比高频探头的差。在实际检测中,还是应根据检测需求来选择合适频率的探头。
2.3.3 全聚焦成像区域分辨率对成像图像影响
全聚焦技术需设置全聚焦成像区域,成像区域需设置成像点分辨率,成像区域分辨率越高,聚焦成像点越多,数据量越大,检测速度降低。成像区域的分辨率变化对显示图像的分辨力的影响不是很大,成像区域不同分辨率显示的缺陷图像如图4所示。
由图4可知,成像区域分辨率对缺陷显示分辨力影响不大,但是成像区域分辨率不同会对缺陷幅值有一定影响,成像区域分辨率过低,有可能会造成幅值失真。因此设置成像区域分辨率时,需要综合考虑检测应用要求、检测效率、图像分辨率和幅值保真度,设置一个合理值。
2.4 全聚焦检测的验证
2.4.1 焊缝内部缺陷的全聚焦检测验证
ISO 23864适用于各向同性（所有方向上性能相同）且均匀的金属焊缝,包括低碳合金钢焊缝和常规航空等级的铝合金和钛合金焊缝。与常规相控阵相比,全聚焦技术通常对不连续的取向不敏感。焊缝的验证采用平板对接焊缝,焊缝内部具有多种不同类型的已知缺陷。试验使用国内不同仪器对同一试块进行检测验证,通过对试验数据的分析比对,验证焊缝检测标准在国内现有设备和技术条件下的适用性。验证结果如图5,6所示,试块实物如图7所示。
不同FMC/TFM检测设备使用全聚焦技术针对同一已知缺陷的试块进行检测,从检测结果可以得出,不同检测设备均能可靠检测出焊缝常见的自然缺陷,结果基本一致。不同设备的检测结果在图像显示和尺寸测量数据上存在一定差异,其主要原因是不同类型的缺陷需选择合适的成像路径,不同成像路径对同一缺陷检测效果存在较大差异,同时FMC/TFM标准里对一些工艺细节并没有完全具体化,执行过程中存在一定差异性,因此在使用FMC/TFM标准时,需根据检测标准细化检测工艺规程,在相同工艺规程条件下,能够保证检测结果的一致性。ISO 23864标准附录B给出了典型不连续的TFM 成像图像。
2.4.2 腐蚀、湿硫化氢腐蚀、应力腐蚀的FMC/TFM检测验证
（1）腐蚀全聚焦检测
FMC/TFM技术能作为其他无损检测技术检测和评估腐蚀损伤的一种替代或补充方法。腐蚀全聚焦验证的是几种常见的腐蚀,采用国产某型号设备验证该标准的实用性。
采用厚度为28 mm的碳钢腐蚀试块,其自然腐蚀状态如图7所示。分别用国产D设备和国产A设备对其进行全聚焦检测,探头型号均为5L64 0.6×10,采用LL成像路径,国产D设备扫描图像如图8所示,国产A设备扫描图像如图9所示。
验证结果表明,在制订了详细检测工艺规程的条件下,两款国产全聚焦设备均能扫查各个腐蚀点,缺陷高度约0.5 mm,检测效果良好。
（2）湿硫化氢腐蚀全聚焦检测
湿硫化氢环境在炼油工业中普遍存在,往往会对炼油设备产生腐蚀破坏。湿硫化氢损伤包括氢鼓泡（HB）、氢致开裂（HIC）、应力导向氢致开裂（SOHIC）和硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）4种形式。
试验采用4块湿硫化氢破坏程度不同的钢板,其存在不同程度的氢鼓泡和氢致开裂缺陷,检测设备采用国外品牌的E设备,探头型号为10L64-0.6×10。钢板实物与验证结果如图10至图13所示。
图10中的全聚焦检测图像符合湿硫化氢损伤特征,钢板中下部一定范围内（主要集中部位为30.5~37.5 mm）存在较多的台阶状氢致开裂缺陷,台阶高度较大。图11中的全聚焦检测图像符合湿硫化氢损伤特征,具体表现为钢板中下部一定范围内（主要集中部位为11.2~13.6 mm）存在较多氢鼓泡引起的裂纹,已形成台阶状开裂特征,台阶高度较大。图12中的全聚焦检测图像符合湿硫化氢损伤特征,具体表现为钢板中下部一定范围内（主要集中部位为5.0~12.0 mm）存在较多的氢致开裂缺陷,部分已形成台阶开裂特征。图13中的全聚焦检测图像符合湿硫化氢损伤特征,具体表现为钢板中部位置存在氢鼓泡引起的氢致裂纹,暂未形成台阶信号。
验证结果表明,在制订了检测工艺规程的条件下,湿硫化氢腐蚀造成的裂纹可以通过全聚焦设备检测出来,检测图谱可显示应力腐蚀信号。
（3）应力腐蚀裂纹全聚焦检测
应力腐蚀裂纹本质上是随时间和服役条件（材料、流体成分、温度、载荷）而发生的一种在役性能退化机制,应力腐蚀裂纹一旦萌生便可以迅速扩展而导致灾难性的事故。
应力腐蚀裂是一种低应力破坏,极易发生开裂。此次验证采用的是从一台压力容器（中间冷却器）切割下来的含氨应力腐蚀裂纹的封头,该封头直边段存在不同程度的应力腐蚀开裂缺陷,检测设备全部采用国外品牌的E设备,探头型号为10L64-0.3×10。该钢板实物与验证结果如图14所示。
验证结果表明,在制订了检测工艺规程的条件下,应力腐蚀裂纹可以通过全聚焦设备检测出来,检测图谱可显示应力腐蚀信号。
3. 验证结果分析
通过上述对国内外全聚焦设备、显示图像和全聚焦检测3个方面的验证可知,目前国内外的TFM/FMC仪器均能满足全聚焦技术的检测要求,为全聚焦技术在国内的顺利推广奠定了基础；相比常规PAUT检测,全聚焦技术的显示图像效果更佳；在制订了详细检测工艺规程的条件下,使用不同设备能有效检测出不同类型的缺陷,全矩阵采集/全聚焦技术在国内可以有效实施。
4. 结语
文章讨论的两项全聚焦检测标准在制定过程中对标准的技术内容进行了科学的验证,检验了标准的科学性、正确性、适用性、合理性、先进性和可操作性等。通过对标准的验证及修改,提升了两项标准内容的先进性、试验方法的科学性、技术指标的合理性以及可操作性。
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Table 1 文章的验证内容与标准内容的对应章节
验证的内容 ISO 23864：2021对应章节 ISO 23865：2021对应章节 FMC/TFM仪器在标准条件下的适用性 6.2.2 8.2 FMC/TFM探头在标准条件下的适用性 6.2.3 8.3 全聚焦与常规相控阵超声检测显示图像验证 — A.1 全聚焦相控阵超声检测不同频率探头对缺陷显示图像 — C.1 全聚焦成像区域分辨率对成像图像影响 — C.1 对焊缝内部不同类型的缺陷进行全聚焦检测验证 B.2 — 腐蚀全聚焦检测 — D.3 湿硫化氢腐蚀全聚焦检测 — D.2 应力腐蚀裂纹全聚焦检测 — D.4 
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Table 2 4款不同探头的验证结果
仪器型号 相对脉冲回波灵敏度是否满足18563-2中的规定 频率、带宽和脉冲持续时间是否满足18563-2中的规定 探头灵敏度是否满足18563-2中的规定 是否存在失效阵元 A品牌（1L64-1.5×10） 是 是 是 否 B品牌（5L64-0.6×10） 是 是 是 否 C品牌（5L64-0.3×10） 是 是 是 否 D 品牌（10L64-0.3×10） 是 是 是 否
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