2006.12宁波“ASME无损检测技术与装备研讨会”讲义

基于ASME规范的NDE国际接轨
Linking up with International Standards for NDE Based on ASME Code

(节选)

李衍（江苏太湖锅炉股份有限公司）LI Yan（Jiangsu Taihu Boiler Co.,Ltd.）

摘要：就ASME规范现行版（2004+2006增补）有关承压设备无损检测（NDE）的基本规定，对照中国相关标准，并结合国内工厂企业生产实际，指出日常NDE操作中的一些禁忌、误区和注意点，意在为NDE国际接轨献一孔之见。
Abstract：Based onthe essential requirements of NDE for pressure vessels in current edition （2004+ 2006 addenda）of ASME Code，compared with the similar clauses in the Chinese Standard and combined with practice of production in enterprises in our country，certain taboos ，pitfalls and points for attentions were given in order to provide some opinions for reference about NDE linking up with International Standards.

关键词：ASME 规范；承压设备；NDE；国际接轨
Keywords：ASME Code；Pressure vessels；NDE；Linking up with International Standards

据悉，目前国内已有180家工厂企业取得了ASME认证，且认证数以每年11%的递增率在上升。ASME规范不仅是认证单位设计制造承压设备的法定依据，也是中国承压设备产品走向世界市场的质量指针。我国工业标准JB4730-2005《承压设备无损检测》在四大常规NDE方法中，也在好多方面吸收了ASME规范中的精华。但在一些具体参数条件的选定上，工艺程序的运作上，中美标准仍有一定差异。在日常检测中，还有技术盲区和操作误区存在。
本文试以ASME现行版（2004+2006增承压设备补）为主，就承压设备NDE的基本要求，对照中标，并结合国内工厂企业生产实际，谈谈承压设备NDE国际接轨中应注意的问题。

1 一般要求

ASME有关NDE的方法标准收罗在第Ⅴ卷中，而验收标准则分列在相应设计制造标准中（如动力锅炉在第Ⅰ卷、压力容器在第Ⅷ卷第1分册）。方法有八种（RT、UT、MT、PT、ET、VT、LT、AE）。方法标准中的A分卷是强制性规定，而B分卷是参考性标准（均引自ASTM标准）——只有当A分卷或ASME其他卷提到时，才作为强制性要求。

• NDE人员

我国NDEⅠ、Ⅱ级人员由省级质量技术监督部门认证，而Ⅲ级人员由国家质量技术监督部门认证。ASME规定NDE人员的资格鉴定和认证应按企业雇主的书面实施细则进行，而此实施细则应符合美无损检测学会（ASNT）标准SNT-TC-1A（2001版）或国家标准ANSI/ASNT CP-189等文件要求。ASME规定的VT（目视检测）、LT（泄漏检测）和AE（声发射检测），在我国尚未开展认证工作。

• NDE工艺规程

ASME规定了两种NDE工艺规程：一种是通用性的，适用于制造过程正常条件下所遇到的大多数外形结构和材料；另一种是特殊性的，适用于特殊结构、特殊材料在特殊情况下获得可评结果。NDE工艺规程应符合承压设备设计制造要求；NDE操作应按规实施。

ASME特别强调NDE工艺规程的量化要求和演示验证要求。在现行版中，对UT、MT、PT、ET、VT和LT六种方法以及涉及到的新技术，均提出了制定工艺规程时必须明确的相关量化变素，要用一个数值或数值范围表示。对列为主变素（essential variable）的量值，如有变更，要求通过验证演示，对工艺规程的有效性进行再评定。对列为副变素（nonessential variable）的量值，如有变更，则无此再评要求。工艺规程的初始评定与重新评定，均须取得授权检验师（AI）的认可。

实际上，NDE专用工艺卡是实施通用工艺和特殊工艺的作业指导书，有简明、精当、直观、实用的优点，是NDE日常操作的路标和要领。

笔者体会到，ASME对工艺规程所强调的那些量化变素，还应具体反映在专用工艺卡和日常探伤检测报告中。而各种工艺规程所牵涉到的检测报告、记录及工艺卡表式，均应分类编号后，作为附件附在相应工艺规程卷末。

为要验证工艺规程中的量化参数适当与否，NDEⅢ级人员有必要针对各种NDE方法的特点，设法引导制作带缺陷焊接试样或带缺陷材料试样。对特意制作的缺陷，对其性质、位置、方向、尺寸、数量、范围，以及制作方法，宜精心设计，或按规范提示。带缺陷试样的成功制作，对NDE工艺规程的有效评定，具有重要意义。

• NDE误区示例

①接到“任务”后，不是先定检测方案，先编检测工艺卡，而是“倒行逆施”，干起来再说，方案、工艺后补。工艺卡起不到指导作用，以致操作不规范，但为达到规定的质量要求，只得反复试验，反而费时费力。

②工艺卡有文无图，或有图不明。被检工件的结构形状，检测部位的标识，均不详。例如：焊接接头超声检测，探头布置、传播声程，无图示或图示不到位；又如锅筒或容器管接头角焊缝磁粉检测，磁极或电极布置、磁化范围，也无图示说明等。

2 RT 注意点

2.1 设备器材重要参数

ASME规范中提到的下列射线设备器材参数，一般应由设备制造方提供，由NDE用户验收确认，并保存见证资料。

① X射线管焦点尺寸，焦点至射线管窗口距离（应在机外壳上相应位置作出标点）。

② X射线照射率C/ kg·m·m或Rmm值（即离管靶1m处每min照射量C/ kg或R值）。——此参数关系到现场摄片时，辐射禁区（控制区）和管理区（监督区）的设定和“三防护”的计算。

③黑度计和阶梯校正黑度片（国内称标准黑度片）可测范围、测量偏差及有效期。

④观片灯的最大亮度、可调性、散热性、遮光板及低噪性。

⑤像质计（IQI）的型号、标识、材质和丝径偏差等。ASME采用的丝型IQI与中国和欧洲不同：它分A、B、C、D 4组，每组6根丝；丝径变化也为等比数列（公比0.8），但丝径与丝号的对应关系与我国JB4730-2005标准 ( 以下简称JB ) 规定的正好相反，丝径小的丝号大。IQI标识及意义见图1。

材料代号

IQI组别

图1ASME采用的丝型像质计

2.2 设备校验重点要求

ASME规定，黑度计应至少每90天校验1次，阶梯校正黑度片应至少每年校验1次；而我国JB标准规定的校验周期，黑度计是每6个月，阶梯校正黑度片是每2年。ASME要求校正黑度片上至少有5种黑度（黑度范围1.0～4.0）。校验时，应在黑度片上选定最接近于1.0、2.0、3.0、4.0的黑度测定，测得的黑度读数与标定值偏差应≯ ± 0.05。对以上两项校验要求有记录存档。ASME提出，日常评片要常校黑度：每班开始，连续使用过8小时，或光孔变换后，均需校验。

2.3 射线检测工艺要点

2.3.1射线能量的选择

在ASME规范第Ⅴ卷A分卷中，对射线能量的选择只提一句话：使所摄底片满足黑度和像质计灵敏度的要求。但在B分卷第22章、SE-94中，提到了用射线照相半值层（H）来确定射线能量的概念。该半值层与射线照相厚度宽容度及胶片曝光宽容度有如下关系：

2ΔX / H = 10 ΔlgE （1）

式中ΔX：厚度差；ΔlgE：与标准规定的黑度上下限值相应的相对曝光量的对数差。这里，

H可由在用曝光曲线读出：E2/ E1 = 2ΔX / H，当E2/ E1= 2时，ΔT = H。

2.3.2几何条件的选择

对焦点—胶片距离F，ASME对不同材料厚度范围所规定的几何不清晰度Ug限值及与我国JB标准规定的限值比较，如表1所示。显然前者比后者宽得多。

表1ASME 和JB 规定的 Ug限值比较mm

由RT基本原理知，几何不清晰度的大小，会直接影响到材料中可检出的最小裂纹尺寸，即

d·W = ΔX·ζ（d·sinθ + Wcosθ + U）(2)

式中d：裂纹高；W；裂纹宽；ΔX：厚度灵敏度绝对值；ζ：裂纹形状系数（常取0.65）；θ：裂纹倾角；U：不清晰度（通常取Ug）。

当需考虑裂纹检测灵敏度和检出率时，Ug的取值和F值的选定，就很重要。

2.3.3像质计（IQI）的选择

⑴材质问题当IQI材质与被检工件不一致时，ASME提出了两种解决办法：

① 可使用射线吸收系数小于被检工件的材料制作的IQI，如钢丝IQI可用于Ni、Cu材料RT，但不可用于Ti、Al材料RT。

② 制作两等厚试块（一块材质同产品，另一块同IQI），同时曝光在一张胶片上；所用能量应为产品材料可用最低能量。在底片上测出两试块影像黑度，黑度范围应在2.0～4.0之间，若DIQI在 1～1.15 DP之间 ( DIQI：IQI材质试块影像黑度，DP：产品材质试块影像黑度 )，则该IQI可用于产品RT评价。

⑵厚度依据RT中焊缝质量是按相关于材料强度的材料厚度来评价的，相关于焊缝检测灵敏度的像质计理应根据实际材料厚度来选用和评价。在环焊缝双壁单影和双壁双影法中，需检测和评价的焊缝区域，均附加了一个材料厚度。ASME对各种透照方式，无论单壁或双壁，即使是透照带垫板的单面焊缝，均规定按单壁厚度选用和评价IQI灵敏度。这是合理的。JB标准规定双壁单影和双壁双影法，均按两个壁厚来选用和评价IQI灵敏度，这与ASME规定明显不同。选用和评价IQI灵敏度时，附加厚度的计入，会使被检厚度实际检测灵敏度的评价增加复杂性。

如所周知，像质计灵敏度与裂纹灵敏度之间有一定对应性。由RT经验公式知：

d·W =0.8Φ2/ [ 1 + ( Φ/ U )](3)

式中 Φ：IQI最小丝径(mm)；

⑶放置位置除双壁单影法外，IQI一般都应放在射源测工件表面，小径管双壁双影法亦然，ASME规范对此较强调。双壁单影法和特殊的单壁单影法（如管道环焊缝爬行器周向曝光）中，置于胶片侧焊缝表面的IQI，有不能真实反映焦距变化对灵敏度显示影响的固有局限性。通常要求作对比试验后选定IQI应显示的丝号丝径。

2.4 射线照相像质要求

2.4.1黑度范围和变化控制

ASME规定射线底片评定区黑度应同时满足以下两条件( 参阅图2 )：

⑴ 黑度范围：X射线 1.8～4.0，γ射线 2.0～4.0。黑度读数误差允许±0.05。

⑵ 黑度变化：底片上评定区内任意部位的黑度Di，要求

Di ≮ -15% DIQI· min Di≯ +30% DIQI· max 或

0.85 DIQI· min≤ Di≤ 1.3 DIQI· max

这里，DIQI· min： IQI 应显示的最细丝附近的最小黑度（通常是指该丝附近有余高的焊缝区黑度）；DIQI· max ：IQI 应显示的最细丝附近的最大黑度（通常是指该丝附近焊缝热影响区即母材区黑度）。ASME指出，黑度变化如不能满足上述要求，应增放IQI重摄片。

图2 射线底片上最小黑度和最大黑度的测点示例

与JB标准不同，ASME无透照厚度比K的规定，但对底片评定区黑度变化有-15%和+30%的限制，实际上也间接控制了K值，以及相关的一次透照长度。

2.4.2IQI 灵敏度

如2.3.3所述，ASME 要求达到的IQI 灵敏度，不论何种透照方式，一律按单壁材料厚度选用和评价（但要加焊缝余高）。然而，与我国JB标准规定的具体数值一比较，发现JB标准对IQI灵敏度的规定值要比ASME规定值，高1～2档，即高出25～56%，见表2。从表2中可见，按ASME，单壁单影与双壁双影法对IQI规定的IQI灵敏度要求相同。

表2ASME 和 JB 规定的IQI灵敏度（应显示最小丝径）比较mm

• RT误区示例

①黑度计平时“束之高阁”，应付质量检查时才“偶露峥嵘”。理应与观片灯“并驾齐驱”，常测常验。

②标准黑度片早已过期，仍照用不误；标准黑度片上最大可测黑度为3.8或3.9，日常底片黑度上限依然放到4.0，甚至4.0以上，实已“出格”无效。

③对底片评定区黑度只测黑度范围，如X ：1.8～4.0，γ:：2.0～4.0，不测黑度变化-15%和+30%；只测焊缝区黑度，不测焊缝附近热影响区即母材区黑度；或对测定点的选取茫然无知。

④ IQI选用时不计焊缝余高；小径管透照时，IQI 惯于放在胶片测管子表面；试板或工件透照时，图方便，IQI贴在胶片暗袋上，IQI灵敏度显示失实。

• 非胶片RT技术

承压设备非胶片技术目前主要有三种，即：RTR（Real-Time Radiography 射线实时成像）、CR（Computed Radiography 计算机射线照相）和DR（Digital Radiography 数字射线照相）。与之相应的ASME标准分列在第Ⅴ卷A分卷第2章强制性附录Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ及B分卷第22章（SE-1255、SE-1416、SE-1647）中。有关CR和DR技术更系统、更详尽的最新标准则可查阅EN和ASTM标准。以下仅概述ASME有关RTR技术的实施要求。

2.6.1RTR特性参数RTR系统典型布置见 图3。ASME规定的系统特性要求如下：

① 系统分辨率： 用线对测试卡测；测试时不加附加吸收体。

② 系统对比灵敏度： 用阶梯试块测；试块中设定8种厚度，分别为被检工件最大厚度和最小厚度的1.00，0.99，0.98，0.97倍。也可用SE-1647规定的专用对比灵敏度测规测。

③ 参数表示： 系统空间分辨率为每mm 3线对，薄区和厚区对比灵敏度分别为3%和2%，则其等效特性水平可表示为 3%-2%-3 lp/mm。

2.6.2RTR系统校验ASME规定，系统特性校验应静态进行，数值满足线对测试卡分辨率和阶梯试块对比灵敏度的要求；而对带缺陷焊接试样，应作动态校验（其透检参数和移动速度与被检工件同），校验结果应满足胶片法射线照相对IQI灵敏度的要求。使用金属丝IQI时，RTR检测系统可能显示不对称灵敏度，因此特别要求IQI丝径轴线沿系统灵敏度最低的方向放置。

2.6.3RTR工艺规程ASME 特别强调RTR操作前，应制定的书面工艺规程至少包含以下内容：① 图数像字化参数：调制传递函数MTF，线对分辨率，对比灵敏度，动态范围；② 图像显示参数：格式，对比度，放大倍数；③ 图像处理参数：多帧叠加，勾边，滤波，场平整；④ 图像存储：标记标识，数据压缩，存储介质（光盘或磁盘），及数据防失措施；

⑤ 模拟输出格式。

2.6.4RTR量化公式控制RTR成像灵敏度和分辨率的几何参数主要有：① 几何放大率M = F/ f；② 几何不清晰度 Ug = df ( F-f ) / f或Ug = df(M-1)；③ 总不清晰度 Ut = (Ug2+ Ui2)1/2；④ 系统分辨率RP=1 / Ut；⑤ 最佳放大率Mopt = 1+ (Ui / df)2。

图3 射线实时成像（RTR）典型布置

1射线源2 工件3射线变换装置4输出信号5图像处理6 监视器

3 UT 注意点

（CACI注：以下内容已进行部分删剪，只保留标题和部分内容）

3.1工艺规程变素的量化要求

从2004版开始，ASME第Ⅴ卷增添了第4章《焊缝超声检测方法》，提出了必须量化的超声检测工艺规程要求共20个，其中15个主变素，5个副变素（表3 ）。

表3 超声检测工艺规程的量化要求

3.2 超声校准试块

3.2.1基本校准试块的特点

3.2.2管焊缝校准试块

ASME规定的管焊缝探伤用校准试块应采用形状和壁厚相同的管段制作。其结构和反射体位置、方向和尺寸见 图5。试块尺寸和反射体尺寸应适合于所用斜探头。试块内外壁设有电火花或铣加工的周向槽和轴向槽。该试块与JB标准规定的GS试块结构大不一样。

﹡槽端离试块边缘或槽与槽相隔距离不小于T或25mm（取两者中较大值）。

注：①试块长度L ≥200mm或8T（取两者中较大值）。

② D0 ≤100mm时，弧长应≥270°；D0 ＞100mm时，弧长应≥200mm或3T（取两者中较大值）。

③槽深8%～11%T，槽宽≤6mm，槽长≥25mm。

图5管焊缝UT校准试块

3.3 超声检测系统校准

3.3.1非管焊缝DAC法系统校准

3.3.2管焊缝DAC法系统校准

3.4 超声几何信号及其识别

3.5 超声缺陷信号的验收评定

按ASME第Ⅷ卷《压力容器》第1分册附录12规定，用规定大小的反射体作出的DAC基准线，其实际意义即为定量线（M线）。凡回波信号高度超过M线的体状缺陷，应对缺陷测长，并按表4判定合格与否。以基准线高度为准，波高分别为20%（-14dB）M线和波高为50%（-6dB）M线的，称为评定线（E线）和记录线（R线）（见图6）。凡回波信号高度超过E线的缺陷，均应判明其形状、性质和位置，若为裂纹、未熔合或未焊透类面状缺陷，无论长短，一律判废（责令焊缝返修）；凡回波信号高度达到R线以上、M线以下的体状缺陷，可准予合格，但要记录其所在区域、波幅、尺寸、离表面深度及缺陷类别。

显然，ASME对焊缝超声检测规定的DAC曲线的三条组成曲线，与我国JB标准规定的DAC“三线”涵义明显不同，不可混淆。ASME对焊缝超声检测有对缺陷分类定性的高要求，但DAC曲线不设判废线；而欧洲标准和我国JB标准都设判废线，且欧标（EN 1712，1713，1714）只要求将超声缺陷信号分为面状和体状两类缺陷，并推荐用“五段法”进行表征（见图7）。笔者认为，欧标这样规定较切合超声检测特点，可操作性强，值得效法；因此，我们不妨“借水行舟”，借欧标缺陷“五段法”表征之水，行ASME超声缺陷分类定性之舟。

图6ASME规定的超声DAC曲线的组成和涵义

表4ASME规定的超声缺陷测长验收评定要求（DAC曲线M线以上的体状缺陷）

图7焊缝缺陷UT“五段法”表征流程图

• UT误区示例
• 非常规UT技术

3.7.1TOFD法使用特点

3.7.2TOFD法设备系统要求

3.7.3TOFD法校准试块要求

（1）校准反射体ASME规定采用长度与探测面平行的长横孔，作为调整TOFD检测灵敏度的校准反射体。孔长至少50 mm，孔径随检测焊缝厚度而异。孔的位置居于试块侧面中心，板厚T的1/4和3/4 处。

（2）基本校准试块其形状、尺寸和反射体布置见图9。若被检焊缝厚度较大，要将厚度分区检测，相应的校准试块厚度也要分区调整检测灵敏度：每区至少设置2个孔，分别处于各区厚度Tz的1/4 和3/4处。图10表示厚度分两区检测用的校准试块示例。所选定的试块尺寸和反射体位置，应足以验证实际使用的声束角度，能在被检焊缝厚度范围内达到规定的检测灵敏度。

（3）校准试块厚度Tc被检工件公称壁厚T ≤100 mm时，取 Tc = ±10 % T ；T ＞ 100 mm 时，取Tc = T±10 mm 。只要参考反射体尺寸依被检壁厚确定，横孔数满足被检壁厚范围内检测灵敏度调整需要，也可用厚度较大试块。

图9ASME 规定的超声TOFD校准试块

【注】 ① 孔应先钻后铰，深至少50mm，方向与探测面平行。

② 孔径误差±0.8 mm，孔在壁后方向位置误差±3.2 mm。

③ 所有孔应位于试块同一侧面，并处于试块侧面长度的中心线上。

④ 焊缝厚度分区检测时，各区应在Tz/4和3Tz/4位置钻孔(Tz：分区厚度)。

图10两分区超声TOFD 校准试块示例

（注）① T1 = 上区厚度；② T2 = 下区厚度。

3.7.4TOFD法检测布置

3.7.5TOFD法缺陷定位定量

（1）简单原理从面状缺陷下端点传到接收探头的脉冲，迟后于从面状缺陷上端点传到接收探头的能量。该时间延迟量即为缺陷高度量值。而且，缺陷上下端点产生的两衍射脉冲，总是位于沿试件表面传播的声脉冲之后，在试件底面产生的反射脉冲之前。因此，通常可获得有关缺陷埋藏深度位置和缺陷自身高度的准确信息。图16即为TOFD法检测内部缺陷所得简化的A-扫描非检波波形图，缺陷深、高信息一目了然。若缺陷位于试件上表面，则侧面波会被截断。

（2）定位定量数式假定超声脉冲从发射探头入射点进入试件，又在接收探头入射点离开试件，两探头相隔间距为2S（图17），则超声脉冲入射到面状缺陷上，在端点D处相互作用，产生衍射波后，又传到接收探头的全程时间t，可由下式求出：

C · t = [d2 +（S+X）2]1/2+ [ d2 +（S-X）2]1/2（4）

式中C：纵波声速；d：缺陷端点D离表面距离（埋藏深度）；X：缺陷（衍射体）偏离两探头间距中分平面的距离。

当面状缺陷位于两探头间距中心，即X = 0时，t值最小。此时，（4）式可简化为下式：

C·t = 2 [ d2 + S2 ]1/2 （5）

通常，以侧向波信号为基准，缺陷埋藏深度d 可由侧向波与衍射脉冲的传播时差 tD 算出，即：

d = [ tD2C2+ 4tD CS ]1/2（6）

求出面状缺陷上下两端点的深度位置d上和 d下，就很容易测出缺陷自身高度h：

h = d上- d下

CACI注：图13、14略

图15ASME规定的三种探头对扫查布置：中心扫查、右偏心扫查和左偏心扫查

4 小结

以上主要就ASME规范有关承压设备无损检测中两大常规方法——射线检测和超声检测，提出了日常操作过程中的一些注意点，并比照中国标准对某些工艺参数和技术要求，结合工业生产实践作了简要评述。

在当今经济全球化的时代，适应工业高度发展水平、涉及高参数高性能产品质量和使用可靠性的无损检测技术，实现国际接轨已势不可挡。要使中国承压设备顺利走出国门、走向世界，贯彻ASME标准是重要通道。

从常规NDE设备器材的选用和校验，到工艺规程的制定和实施，从试块试样的制作和验证，到显示结果的解释和评定，可根据设计制造要求，或参照或遵循ASME标准，使NDE工作走向规范化、高度现代化。承压设备RT、UT及其他NDE技术，正在发生与计算机相关的深刻变化，ASME标准最新版已加进CR、DR和TOFD、相控阵内容，犹如“百米喷高”！我们新老两代NDE人员正面临着新技术的严峻挑战，是望洋兴叹，还是知难而进？

5 参考文献（略）