ASME规范案例和焊缝超声检测新规定
无锡华光锅炉股份有限公司 李衍

介绍ASME规范允许用超声检测取代射线照相对锅炉压力容器焊接接头作无损检测的新规定。此规定强调计算机超声成像法(包括TOFD技术)的应用程序和超声检测工艺规程的验证要求,以及对检出缺陷采用矩形断面界定尺寸的验收法则。本文意为国内锅炉、压力容器、压力管道三类特种设备的无损检测与国际接轨提供借鉴。
规范;TOFD法;超声检测;缺陷认定;锅炉压力容器
编注:鉴于篇幅有限,文中所提及的例图请参阅ASME Code Cases原文或中译本

        ASME锅炉压力容器规范(BPVC)原先规定,动力锅炉和压力容器对接接头用射线照相进行无损检测。1996年10 月 23日公布了一项划时代的新规定,即规范案例(Code Case)2235《用超声检测取代射线照相》。随后案例2235又经1999、2000和2001三次修订(编注:2003年修订为2235-5,具体请参阅Code Cases中译本)。
       规范案例是对规范标准的补充,一经批准,即具有与规范正文同样的法定约束力。这里介绍2001.11.30批准的规范案例2235-4的全部内容。该案例强调了采用计算机超声成像法—TOFD技术的程序要求、所检出缺陷依据矩形断面界定尺寸的验收法则。

1.关于规范案例2235-4

       案例名称:《用超声检测取代射线照相》。
1.1适用范围
       
该案例适用于ASME第I卷(动力锅炉)和第Ⅷ卷第1和第2分册(压力容器)焊缝的超声检测。
1.2询问与答复
l.2.l询问。向ASME锅炉压力容器委员会提出了以下问题:
        在什么情况下。按第I卷PW -11和第Ⅷ卷第1分册UW- 11(a)和第2分册表AF-241.1之要求作射线照相时,可用超声检测取代射线照相?对此有哪些限制?
l.2.2答复
        对上述询问,ASME锅炉压力容器委员会答复如下:
        本委员会的意见是:凡材料厚度t≥12.7mm(0.5in.)的压力容器和动力锅炉的焊缝均可用超声检测(UT)法取代射线照相(RT)法,只要满足以下各项要求:(为便于查阅分析,笔者对这些要求另加了编码和小标题。)
A1检测范围
A1.1材料厚度t>200mm(8in.)时,超声检测区域应包括被检焊缝体积,以及焊缝两侧各50mm(2in.)的区域。
A1.2材料厚度t≤200mm(8in.)时,超声检测区域应包括被检焊缝体积,以及焊缝两侧各25mm(1in.)或lt(取两者中较小值)的区域。
A2检测设备超声检测应使用有计算机强化数据采集的自动化装置进打。
A3检测工艺应提供检测方案或检测工艺的书面规程,说明探头布置、扫查方法和检测部位,以为焊缝质量验收提供标准化的、有重复性的检测方法。此书面规程也应包括所使用的超声声束角度。声束相对于焊缝中心线的方向,以及每条焊缝的检测体积。用户有要求时,此书面规程应提供给用户。
A4记录要求数据应以原始(不作处理)形式记录。记录中应有完整的数据,对AI所述检测范围内的信号,不得使用闸门、滤波及门限值处理方式进行采集记录。
A5工艺验证超声检测应按ASME第V卷第四章之要求进行。应使用书面工艺规程。工艺规程应使用含表面和近表面缺陷的校正试块进行验证。试块中至少应有2个平面状缺陷:一个表面缺陷和一个内部缺陷。缺陷方向平行于熔合线,缺陷尺寸按被检厚度不大于表1、表2和表3所示数值。技术操作合格是指:能观测到最大允许缺陷的信号波形,或超过参考水平的其它要验证的缺陷的信号波形。或者,对不用波幅记录水平的方法,技术操作合格是指:能显示出所有要定量的缺陷,包括最大允许缺陷,其指示长度lila(la为校正试块中指定缺陷实际长度)
A6检测人员
A6.1进行超声检测和结果评定的人员,应按其雇主的实施细则进行资格评定和认证。对此应以ASNT SNT-TC-1A或CP-189作为指南。只有Ⅱ级或Ⅲ级人员才允许判断或评定结果。
A6.2考证人员的资格评定记录应由ASME认定的机构认可,并由雇主保存。
A6.3采集和解析UT数据的人员,应使用A2所述设备,并参与A5所述验证演示。
A7评定和验收标准
A7.1记录水平凡信号幅度高于20%基准线的反射体均应分类定性(作精探)。凡视为缺陷的反射体,不论波幅大小,均应记录;或者,对不用波幅记录水平的方法或技术,凡被测缺陷长度l’>0.4l (l为表1、表2或表3中允许的表面缺陷和内部缺陷尺寸),均应分类定性。应记录这些反射体的最大波幅、位置和范围。
A7.2真假信号识别操作者应按以下方法确定信号是缺陷信号还是几何信号。反射体定为缺陷时,应按表1、表2或表3之验收标准进行评定。
A7.2.1几何信号的起源凡由表面几何形状(如焊缝余高或根部形状)或材料金属结构变化(如母材与复合层或堆焊层之间的界面)引起的信号,均可归为几何信号。
A7.2.2几何信号的处理
        (1)无需按以下A7. 3表征或定量;
        (2)无需与表l、表2或表3容许缺陷的验收标准相比较;
        (3)最大信号幅度和信号位置应予记录。
A7.2.3几何信号的判别应遵循下列步骤:
        (1)按采用的检测工艺,解释反射体所在区域;
        (2)绘制并核查反射体的坐标,给出示有反射体位置和表面不连续性(如根部或搪孔)的轮廓图;
        (3)查阅构造或焊接坡口图:
        (4)也可用其它无损检测方法或技术,来判定信号是否为几何信号(如采用其它声束角度,采用射线照相,绘出内外径侧面图)。
A7.3缺陷定量
        应按经评定过的UT工艺规程对缺陷进行定量。UT工艺评定时,应对相似材料深度上的相似反射体作定量验证。缺陷尺寸应使用界定缺陷断面积的矩形尺寸表示(见图1~图5)。
        (1)缺陷长度(1)标线应与工件内侧承压面相平行;
        (2)缺陷深度或高度标线应与工件内侧承压面相垂直,表面缺陷注以“a”,内部缺陷注以“2a”。
A7.4缺陷评定
        缺陷应按表1、表2或表3进行验收评定,并满足以下附加条件:
A7.4.1表面缺陷应追加表面检测(MT或PT),并满足第Vlll卷第1分册附录6或附录8有关PT,MT的验收要求,以及第2分册第9-1章或第9-2章的要求。凡表征为裂缝、未熔合或未焊透的缺陷,无论长短,均不合格。
A7.4.2多个缺陷
        (1)相邻缺陷间距≤S的连续性缺陷,应视为在同一平面(以下简称同面)内的单个缺陷(见)。
        (2)若连续性缺陷所在平面基本平行,且相邻平面间距≤12 .7m(0.5 in.),则应视为单个同面缺陷(见图3)。
        (3)壁厚方向不在一直线上的同面连续性缺陷,若相邻缺陷间距≤S,则应视为单个同面缺陷(见图4)。
        (4)壁厚方向的同面连续性缺陷,若处于间距为 12. 7mm(0.5 in.)的两平行平面内(垂直于工件承压面),且缺陷累计深度大于图5所示尺寸,则判以不合格。
A7.4.3内部缺陷 * 缺陷长度l≯4 t
A8其它事项
A8.1数据审核最终数据包应由UT-Ⅲ级人员审核。审核内容包括:
        (1)超声数据记录;(2)数据盘读;(3)由其它Ⅱ级或Ⅲ级人员做出的缺陷评定、表征结果。数据审核可由同一单位内的另一人进行。
        或者,也可如下安排达到审核目的:数据采集和初评由按以上A6.1和A6.3之要求经资格鉴定的Ⅱ级人员进行,而最终判读和复评则由Ⅲ级Ⅲ人员进行。Ⅲ级人员应按 A6之要求经资格鉴定,包括参加有缺陷试件的实际考试。
A8.2铭牌标记铭牌上应在“规范符号**”钢印下刻上“UT”,以标明:所要求的焊缝超声检验,已按第Ⅰ卷或第Ⅷ卷第1分册或第2分册进行。
A8.3数据报告在制造者的数据报告中;应注明此案例号,并说明UT检验范围。
        * 这里规定的验收限值是根据制造条件提出的,不一定适用于在役容器的缺陷评定。
        ** 锅炉:S,压力容器:U。

2. ASME规范第V卷新规定

        如上所述、案例2235-4适用于动力锅炉和压力容器的制造验收。而超声检测的方法要求则须遵循ASME第V卷无损检测的有关规定。在第V卷02年增补及03年增补中,首次推出了新的一章即第四章“焊缝超声检测方法”。该章对UT方法有以下三侧重点:
2.1 CITs技术的应用
        规定可采用计算机化超声成像技术(简称CITs技术),配合半自动或全自动扫查装置,对重要部件或结构件焊缝进行探伤、定位、定量和表征。CITs技术可得到缺陷的两维或三维图像、有强化检测能力的优点。
在该章附录E中,列出了六种CITs技木,包括:(1)合成孔径聚焦法;(2)线性合成孔径聚焦法(3)宽带全息照相法;(4)超声相控阵法(5)超声衍射时差法(即TOFD法);(6)数据自动采集成像法。其中第五种TOFD 法的应用应是案例2235推出的前提,也是案例2235所牵涉到的焊缝UT的关键技术。
2.2UT工艺要求及验证
        在上述1.2.2节 A5部分,已提到焊缝UT应按书面工艺规程。新规范对焊缝UT工艺提出了20项要求,其中15项定为主要素,5项定为副要素(见表4)。每项要求均需用一个或几个数值表示。新规范规定:当主要素有变化时,应预先在设有模拟缺陷的焊接试样上,对UT工艺进行验证。未经验证的UT工艺无效,相应的UT结果也无效,并强调对所有要素的变化,均须在书面规程中予以修改或补充。
2.3 超声信号判别与评定
        2.3.1几何信号与缺陷信号的辨别
        (l)几何信号的种类和产生原因。某些冶金不连续或几何状态会产生非相关信号,因此并非所有超声反射都表示缺陷。此类反射体包括热影响区的板材分层,制造后成为反射源。用直探头检测时,此类反射体会产生点状或线状信号。用斜探头检测时,由表面形貌(如焊根形状)或奥氏体金相组织的变化(如自动焊与手工焊堆焊界面)引起的信号均可视为几何信号。
        (2)几何信号与缺陷信号的辨别方法
        应记录产生几何信号的反射体性质,最大波幅,位置和范围(例如:内部附着物,200%DAC,内面焊缝中心线两侧约25mm,90?~95?)判定几何信号的步骤如下:a.按所用检测规程解释含反射体的区域;b.将反射体位置标定在方格纸坐标上;c查阅制造或焊接图纸。可用其它超声法或其它无损检测法辅助判定反射体实际位置、大小和取向。
        2.3.2超声信号的验收评定
        与原规范规定相同:凡信号幅度超过20%DAC的缺陷均应定形、定性、定位,并按以下验收标准评定:
        (1)定为裂缝、未熔合或未焊透的缺陷,无论长短,均不合格;
        (2)若信号波幅超过DAC基准线,且其指示长度超过表5所示数值的其它缺陷,均不合格。

3、规范案例2235的推出背景

        1996年美国石油公司向日本某压力容器制造厂订购了壁厚很大的压力容器。日方为采用TOFD 法取代射线照相,对其环焊缝的检测作了试验,并于1997年2月向美方出申请。美方为对其使用进行认可决断,用与实际容器相同的材质、板厚制作了一系列含缺陷焊接试样,要求日本检测咨询公司会同验证。日方用实际使用的TOFD检测装置,对这此试样进行扫查,对检出缺陷进行测深、测高和测长,并与实际数据一一对照。验证结果表明:TOFD法对规定值以下的缺陷尺寸均能检出。缺陷定位与测长误差≯+1.0mm.缺陷测高误差为-0.05~+2.6mm。日方在报告中将上述情况作了小结,提出TOFD法可用于美方所订购的压力容器的焊缝检测。随后双方在旧金山美国石油公司石油联合企业内召开了最终“拍板”会议。ASME BPVC(锅炉压力容器规范)委员会认可了这一案例,并命名为案例2235-l。

4、小结

        (l)ASME规范案例 2235规定可用 UT取代 RT,用于动力锅炉和压力容器的焊缝检测。但强调的是采用计算机化超声成像技术(即CITs技术),而TO FD是CITs技术的首选技术。
        (2)该规范案例强调了 UT工艺规程的制定与验证的重要性,也强调了对检出缺陷(表面、内部)用断面矩形界定尺寸表征、验收的方法和要求。
        (3)在ASME第V卷《无损检测》03年增补中新添的第四章“焊缝超声检测方法”中,对 CITs技术作了相应规定。并对 UT工艺规定了20个要素,要求对其中15个主要素的变化必须先用含缺陷试样做工艺验证。此外,还突出了对焊缝几何信号的识别要领。
        (4)有关TOFD法技术的应用原理、细节、装置组成、仪器调节、探头布置、试块制作、缺陷定位、定量、表征方法,及相关数学模型,在欧标EN V 583-6:2000和日标NDIS 2423:2001中,均有翔实说明和具体要求。将上述标准与ASME规范结合,有利于焊缝TOFD法的驾驭和结果评价。

表1缺陷验收标准(I):焊缝板厚t=12.7~<25.4mm

 

a/ t

l

表面缺陷

≤0.087

≤4.6

内部缺陷

≤0.143

≤4.6

注:(1)t一对接焊缝板厚,不包括允许的余高。对不同板厚对接的焊缝,t为两者中较薄厚度。对全焊透的角焊缝,t为焊缝厚度。
(2)若近表面缺陷显示离工件最近表面的距离S≤d [S含义见图1;d为近表面缺陷在板厚方向的半高度,见图1(b)],则此近表面缺陷也视为表面缺陷。
(3)a一表面缺陷在板厚方向的高度或内部缺陷(S>a时)在板厚方向的半高度。

表 2缺陷验收标准(Ⅱ):焊缝板厚 t=25.4~305 mm

长高比a / l

25≤t≤64mm*

102≤t≤305mm*

表面缺陷a/ t

内部缺陷a/ t

表面缺陷a/ t

内部缺陷a/ t

0.00

0.7874

0.8636

0.4826

0.5080

0.05

0.8382

0.9652

0.5080

.05588

0.10

0.9144

1.0922

0.5588

0.6350

0.15

1.0414

1.2446

0.6350

0.7366

0.20

1.1938

1.4478

0.7112

0.8382

0.25

1.3970

1.6764

0.8382

0.9652

0.30

1.6256

1.9812

0.9652

1.1176

0.35

1.8796

2.2860

1.1176

1.2954

0.40

2.1082

2.6670

1.2700

1.4732

0.45

2.1590

3.1242

1.2954

1.7018

0.50

2.2098

3.3622

1.3208

1.9304

注:(1)t一对接焊缝板厚,不包括允许的余高。对不同板厚对接的焊缝,t为两者中较薄厚度。对全焊透的角焊缝,t为焊缝厚度。
(2)若近表面缺陷显示离工件最近表面的距离S≤d,S含义见图1;d为近表面缺陷在板厚方向的半高度,见图1(b),则此近表面缺陷也视为表面缺陷。
(3)a一表面缺陷在板厚方向的高度或内部缺陷(S>a时)在板厚方向的半高度。
*对中间的纵横比a/1和厚度t(64<t<102 =,允许用线性插入法。

表3 缺陷验收标准(Ⅲ):焊缝板厚t>305mm

形态比a /1

表面缺陷a,mm

内部缺陷a,mm

0.00

5.8

6.1

0.05

6.1

6.7

0.10

6.7

7.6

0.15

7.6

8.8

0.20

8.8

10.1

0.25

10.1

11.6

0.30

11.6

13.4

0.35

13.4

15.2

0.40

15.2

17.7

0.45

17.7

20.4

0.50

20.4

23.2

注:(1)对中间的缺陷形状比,允许用线性插入法求出a /1
(2)t为焊缝厚度,不包括允许的余高。对不同板厚对接的焊缝,t为两者中较薄厚度。对全焊透角焊缝.则t为角焊缝厚度。
(3)若近表面缺陷显示离最近表面的距离S≤d[S含义见图1;d为近表面缺陷在板厚方向的半高度,见图1(b)],则此近表面缺陷也视为表面缺陷。

表5 焊缝UT缺陷验收标准(用A型显示信号评定时)

板厚t/mm

缺陷显示长度 l

6~<19

6

19~57

t /3

>57

19

注;(1)t为焊缝板厚,不包括允许的余高。
(2)对不同板厚对接的焊缝,t为两者中较薄板厚;对全焊透角焊缝,则t为角焊缝厚度。

表4超声检测工艺规程要求

序号

要求

主要素

副要素

[1]

受检焊缝几何形状,包括直径、厚度、母材产品形式(板、管等)

 

[2]

人员资格要求

 

[3]

人员操作要求(有要求时)

 

[4]

进行检测的表面

 

[5]

表面状态(探测面、试块表面)

 

[6]

偶合剂牌号或类型

 

[7]

方法(直射波、斜射波、接触法或液浸法)

 

[8]

声波在材料中传播的波型和角度

 

[9]

探头型式、频率和晶片尺寸/形状

 

[10]

专用探头、楔块、衬垫或鞍座(使用时)

 

[11]

超声仪

 

[12]

校验(校验试块和方法)

 

[13]

扫查方法和范围

 

[14]

自动报警/记录整理(用到时)

 

[15]

扫查方式(手动或自动)

 

[16]

几何信号与缺陷信号的识别方法

 

[17]

信号大小的测定方法

 

[18]

计算机的数据采集(用到时)

 

[19]

记录,包括要记录的最少校验数据(如仪器设定)

 

[20]

扫查覆盖程度

 

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