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          0519-85100231

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          超聲波探傷儀器的性能評定:中國和歐洲超聲波探傷儀器標準的比較

          2022年03月15日

          隨著我國經濟改革開放形勢的不斷深入發展,我國的無損檢測技術事業也正在與世界越來越廣泛地接軌,就無損檢測技術中的超聲檢測而言,目前國內許多大型企業以及中外合資或外資企業在購買、使用超聲探傷設備時,都開始要求按照歐洲標準(EN12668)對超聲波探傷儀器的性能及質量進行控制,另一方面,中國自主創新制造的超聲波探傷設備也在開始向國外出口,同樣涉及了與國際應用標準接軌的問題。本文欲就筆者的理解,探討我國目前應用的有關超聲波探傷儀器性能評定標準與歐洲標準的比較,希望對我國超聲波探傷設備盡早與國際標準緊密接軌的問題有所促進。

          歐洲標準(EN12668)包括有三個部分:
          EN12668-1 無損檢測-超聲檢驗設備的特性與認證-第1部分:儀器
          EN12668-2 無損檢測-超聲檢驗設備的特性與認證-第2部分:探頭
          EN12668-3 無損檢測-超聲檢驗設備的特性與認證-第3部分:綜合設備

          其最大的特點是將儀器、探頭的性能分別評定,然后再將儀器和探頭組合后的系統性能進行評定,因此有其評定方法、使用的評定裝置、試塊等特色,并且還涉及對相應性能的指標要求。
          我國目前應用的相關標準主要有:
          JJG 746-2004《中華人民共和國國家計量檢定規程-超聲探傷儀》
          JB/T 10061-1999《A型脈沖反射式超聲探傷儀通用技術條件》
          JB/T 10062-1999《超聲探傷用探頭性能測試方法》
          JB/T 9214-1999《A型脈沖反射式超聲探傷系統工作性能測試方法》(非等效采用JIS Z2344-93《金屬材料脈沖反射式超聲探傷檢驗方法》)
          GB/T 18852-2002 無損檢測 超聲檢驗 測量接觸探頭聲束特性的參考試塊和方法(等同翻譯ISO 12715:1999《無損檢測 超聲檢驗 測量接觸探頭聲束特性的參考試塊和方法》)
          GB/T 18694-2002《無損檢測 超聲檢驗 探頭性能及其聲場的表征》(等同采用ISO 10375:1997E)
          在實際執行中,目前比較突出的是我國各地的計量部門以行政手段把超聲波探傷儀器納入每年對企業計量控制中的強制檢定項目,執行JJG 746-2004《中華人民共和國國家計量檢定規程-超聲探傷儀》,因此,在超聲儀器方面,本文主要以JJG 746-2004來與EN12668進行比較,在超聲探頭方面則主要以JB/T 10062-1999《超聲探傷用探頭性能測試方法》來與EN12668進行比較,在綜合系統性能方面則以JB/T 9214-1999《A型脈沖反射式超聲探傷系統工作性能測試方法》來與EN12668進行比較。
          一.        要求測試的性能項目方面的差異
          1 . 對超聲儀器性能要求測試的項目對比見表1。

          表1 超聲儀器性能測試項目要求對比

            

          項目

            

          EN*

          JJG**

          允值要求

          EN

          JJG

          物理狀態和外觀

          目視

          目視

          穩定性:溫度穩定性

          -

          -

          穩定性:預熱后穩定性

          -

          -

          穩定性:顯示晃動

          -

          -

          穩定性:電壓變化穩定性

          -

          -

          發射脈沖:脈沖重復頻率

          -

          -

          發射脈沖:有效輸出阻抗

          -

          -

          發射脈沖:發射脈沖頻譜

          -

          -

          發射脈沖:發射器電壓,上升時間,回響和持續時間

          -

          -

          接收器:發射期間發射器到接收器的串擾阻尼

          -

          -

          接收器:發射脈沖后阻塞時間

          -

          -

          接收器:動態范圍

          接收器:接收器輸入阻抗

          -

          -

          接收器:距離振幅修正

          -

          -

          接收器:時間分辨率

          -

          -

          接收器:放大器頻率響應

          -

          -

          接收器:等效輸入噪聲

          -

          -

          接收器:已校正衰減器的精度

          接收器:垂直顯示線性

          接收器:時基線性

          監視器閘門:帶固定監視器閾的響應閾和開關滯后

          -

          -

          監視器閘門:帶可調監視器閾的開關滯后

          -

          -

          監視器閘門:開關輸出保持時間

          -

          -

          比例輸出:比例閘門輸出阻抗

          -

          -

          比例輸出:比例閘門輸出線性

          -

          -

          比例輸出:比例閘門輸出頻率響應

          -

          -

          比例輸出:比例閘門輸出噪聲

          -

          -

          比例輸出:閘門內測量信號位置影響

          -

          -

          比例輸出:比例閘門輸出脈沖形狀影響

          -

          -

          比例輸出:比例閘門輸出上升、下降與保持時間

          -

          -

          電噪聲電平

          -

          -

          最大使用靈敏度

          -

          -

          探傷靈敏度余量

          -

          -

          分辨力

          -


          掃描范圍

          -


          數字超聲儀器的附加測試:

          數字超聲儀器的時基線性

          -

          -

          數字化采樣誤差

          -

          -

          數字超聲儀器的響應時間

          -

          -


          *EN 12668-1(2000.9),無損檢測-超聲檢驗設備的特性與認證-第1部分:儀器,涉及脈沖式、模擬式和數字式的A顯示手動無損檢測用超聲波檢驗裝置電氣性能的評定方法和驗收標準。包括生產商測試、定期和維修測試以及組合設備測試,并有校驗周期的規定。
          ** JJG 746-2004《中華人民共和國國家計量檢定規程-超聲探傷儀》,涉及通用A型脈沖反射式超聲探傷儀的首次檢定、后續檢定和使用中檢定。要求超聲探傷儀的檢定周期一般不超過1年。

          2 . 對超聲探頭性能要求測試的項目對比見表2

          表2 超聲探頭性能測試項目要求對比

            

          項目

            

          EN*

          JB**

          允差要求

          EN

          JJG

          制造商名稱




          探頭型號




          探頭重量與尺寸




          連接器型號




          換能器材料




          換能器形狀尺寸




          斜探頭指標




          使用的斜楔材料,延遲




          雙晶探頭的TR可互換連接




          非聚焦縱波直探頭的保護膜材料




          探頭的保護膜磨損允差




          物理性能



          中心頻率,帶寬(* 回波頻率、回波長度)

          有*

          -

          脈沖形狀(時間與頻率)




          相對脈沖回波靈敏度(* 相對靈敏度)

          有*

          -

          距離-振幅曲線(* 距離幅度特性)

          有*

          --

          阻抗,靜態電容(* 等效阻抗)

          有*

          -

          脈沖持續時間(* 回波長度)

          有*

          -

          液浸探頭聚焦區的焦距和聚焦長度



          液浸探頭的聚焦寬度 <, /FONT>



          液浸探頭的波束發散角(* 聲束寬度)

          有*


          接觸法單晶直探頭的波束發散與側波瓣(* 聲束寬度)

          有*

          -

          接觸法單晶直探頭的波束傾斜角與偏移(* 聲軸偏移)

          有*

          -

          接觸法單晶直探頭的焦距(**近場長度)

          -

          -

          接觸法單晶直探頭的聚焦寬度

          -

          -

          接觸法單晶直探頭的聚焦長度

          -

          -

          接觸法單晶橫波斜探頭的入射點(* 入射點、前沿距離)

          有*

          -

          接觸法單晶橫波斜探頭的波束角和波束發散角(* 聲束寬度)

          有*

          -

          接觸法單晶橫波斜探頭的波束角(* K值)

          有*

          -

          接觸法單晶橫波斜探頭的波束傾斜角與偏移(* 聲軸偏斜角)

          有*

          -

          接觸法單晶橫波斜探頭的焦距(**近場長度)

          -

          -

          接觸法單晶橫波斜探頭的聚焦寬度

          -

          -

          接觸法單晶橫波斜探頭的聚焦長度

          -

          -

          接觸法雙晶直探頭的串擾(*楔內回波幅度)

          有*

          -

          接觸法雙晶直探頭的最大靈敏度距離(**焦距)

          -

          -

          接觸法雙晶直探頭的軸向靈敏度范圍(**聚焦長度)

          -

          -

          接觸法雙晶直探頭的橫向靈敏度范圍(**聚焦寬度)

          -

          -

          接觸法雙晶橫波斜探頭的串擾



          接觸法雙晶橫波斜探頭的入射點



          接觸法雙晶橫波斜探頭的波束角和輪廓



          接觸法雙晶橫波斜探頭的最大靈敏度距離(**焦距)



          接觸法雙晶橫波斜探頭的軸向靈敏度范圍(**聚焦長度)



          接觸法雙晶橫波斜探頭的橫向靈敏度范圍(**聚焦寬度)



          直接接觸法直探頭的始波寬度

          -

          -

          -

          直接接觸法斜探頭的空載始波寬度

          -

          -

          -

          直接接觸法斜探頭的前后掃查的聲束寬度

          -

          -

          -

          直接接觸法斜探頭的左右掃查的聲束寬度

          -

          -

          -

          雙晶直探頭的聲束交區寬度

          -

          -

          -


          *EN12668-2(2001.10),無損檢測-超聲檢驗設備的特性與認證-第2部分:探頭,要求制造商隨探頭提供參數數據;探頭類別包括:中心頻率范圍0.5~15MHz,液浸法單晶縱波直探頭,接觸法縱波單晶、雙晶直探頭,接觸法橫波單晶直探頭,接觸法縱波單晶、雙晶斜探頭,接觸法橫波單晶、雙晶斜探頭,這些探頭還各自分為聚焦與非聚焦兩種。
          **JB/T 10062-1999《超聲探傷用探頭性能測試方法》,適用于1~5MHz直探頭、斜探頭、雙晶直探頭和水浸探頭,未提出驗收標準或允差。
          注:表中括號內含*號的內容表示我國標準與歐洲標準對應的項目名稱。表中括號內含**號的內容表示我國的習慣稱呼。

          3 . 對探頭、電纜與超聲儀器組合系統性能要求測試的項目對比見表3。

          表3 組合系統檢查:探頭、電纜與超聲儀器組合

            

          項目

            

          EN*

          JB**

          允差要求

          校驗周期要求

          EN

          JB

          EN

          JB

          物理狀態和外觀


          目視


          每天


          靈敏度和信噪比(* 靈敏度余量)


          每周


          設備增益線性(* 垂直線性)


          每周


          時基線性


          每周


          數字超聲儀器的時基線性



          每周


          脈沖持續時間



          每周


          探頭入射點


          每天


          波束角度


          每天


          分辨力及盲區

          -

          -

          -

          -



          *EN12668-3:2000(2004.8更新)無損檢測-超聲檢驗設備的特性與認證-第3部分:綜合設備,適用于操作者在現場或車間條件下使用。僅適用于手工檢測的A-掃描顯示的脈沖回波裝置,裝置具有步進不大于2dB的增益控制或已校準的衰減器,并使用接觸法試驗。
          ** JB/T 9214-1999《A型脈沖反射式超聲探傷系統工作性能測試方法》,在探傷現場條件下測試超聲探傷系統的工作性能,包括A型脈沖反射式超聲探傷儀、超聲探頭及連接它們的高頻電纜,測試時只需要使用規定的標準試塊而不需任何電子儀器,不適用于測試超聲探傷儀或超聲探頭的單件性能,只適用于手工探傷,不適用于自動化超聲探傷,只適用于包括一般接觸式超聲直探頭或斜探頭的系統,不適用于包括其他類型(例如雙晶式、水浸式等)超聲探頭的系統,只規定超聲探傷系統性能的測試方法,但不提出系統的性能指標或其驗收條件。
          注:表中括號內含*號的內容表示我國標準與歐洲標準對應的項目名稱。
          在我國的其他相關標準中,例如JB/T 10061-1999《A型脈沖反射式超聲探傷儀通用技術條件》、GB/T 18852-2002 無損檢測 超聲檢驗 測量接觸探頭聲束特性的參考試塊和方法和GB/T 18694-2002《無損檢測 超聲檢驗 探頭性能及其聲場的表征》中,均沒有明確規定儀器、探頭以及組合系統的性能指標或驗收標準。

          二.        性能指標要求方面的差異
          歐洲標準中關于超聲儀器、探頭、組合系統性能指標的要求與我國現行標準差異很大,現就能夠進行對應比較的少數項目指標列于表4。

          表4 歐洲標準與我國現行標準中可對應比較的性能指標對照

            

          項目

            

          EN*

          JJG**

          JB***

          已校準衰減器精度

          每個頻率設置: 20dB±1dB(微調); 60dB±2dB(粗調)

          在規定的工作頻率范圍內:

            

          12dB±1dB

          時基線性誤差

          ≤±1%

          ≤±2%

          ≯2%

          垂直線性誤差

          從5%~90%屏幕高度不等,最高要求在90%屏幕高度時≤±2.2%

          ≤±6%

          ≯8%

          動態范圍

          至少為100dB

          ≥26dB

          ≮26dB

          *   EN12668 無損檢測-超聲檢驗設備的特性與認證
          **  JJG 746-2004《中華人民共和國國家計量檢定規程-超聲探傷儀》
          *** JB/T 10061-1999《A型脈沖反射式超聲探傷儀通用技術條件》

          三.、在性能測試方法方面的差異
          歐洲標準中涉及的性能測試項目種類遠超過我國相關標準中的規定,即便在相同或相類似的性能測試項目上也與我國現行的測試方法有較大的區別,涉及使用的試塊、測試儀器和輔助器材等都存在較大區別,最重要的是歐洲標準涉及對制造商的出廠技術規范中的指標進行校驗或者有明確的驗收標準(允差)。由于篇幅有限,本文不做這方面的詳細對比。
          應該注意到,在歐洲標準中嚴格規定了超聲儀器、探頭分別獨立測試的方法和詳細規定了使用的測試裝置,而我國標準中涉及的許多性能項目的測試方法實際上還是在被檢超聲儀器與探頭連接的狀況下進行測試,因此,可以說我國超聲儀器、探頭的質量控制、性能指標測試方法等方面要與歐洲標準接軌,尚存在很大的差距。
          僅就所使用的測試裝置方面,舉簡單的小例子來說,例如歐洲標準中規定使用最小帶寬100MHz的示波器,而我國標準中則規定使用帶寬≮30MHz的示波器(甚至為0~15MHz),又如歐洲標準中使用了最小帶寬100MHz的頻譜分析儀,或能夠進行離散型富里葉變換(DFT)的示波器/數字轉換器以及阻抗分析儀,尤其具有特點的是使用了電磁-聲探頭(EMA)和接收器、水聲接收器、指向性圖形測繪儀等,對于液浸探頭測試使用的水槽也有結構形式、掃描機械裝置的公差、水溫、以及反射體尺寸等明確的規定,而這些在我國標準中也都是欠缺的。

          四、質量管理模式上的不同
          在歐洲標準EN12668 無損檢測-超聲檢驗設備的特性與認證中,除了規定由制造商(或其代理)對所生產的超聲儀器作代表性抽樣測試外,還規定了逐臺超聲儀器進行的測試:
          1)        由制造商或其代理,在供應該超聲儀器之前(0點測試);
          2)        由制造商,業主,或某個實驗室,在超聲儀器壽命期間每隔12個月驗證其性能;
          3)        在超聲儀器修理后。
          以及在現場定期對使用壽命期間內的整個系統(超聲儀器和探頭組合)進行測試。
          我國目前對于超聲探傷設備的質量控制主要有三個渠道:制造廠對產品質量負責的出廠檢驗、使用單位的自行檢驗(按照國家標準規定,作為II級無損檢測技術資格等級人員的職責范圍和技能要求包括了調整和校準設備)以及地方計量部門的強制定期(一年)檢定。

          五、建議
          [1] 從以上對比情況來看,有必要盡快修訂充實我國有關超聲探傷儀、探頭以及綜合系統的技術標準,包括性能項目范圍、測試方法、性能指標要求等,特別是我國目前已經處在廣泛應用數字式超聲探傷儀的情況下,也需要盡快對數字式超聲探傷儀的性能指標要求、測試方法等實現標準化。這些標準的完善將能大大促進我國超聲檢測設備制造企業向更高層次提升,有利于“中國制造”更快地走向世界。
          [2] JJG 746-2004《中華人民共和國國家計量檢定規程-超聲探傷儀》第6.5款規定超聲探傷儀的檢定周期一般不超過1年,所規定的檢定項目見下表,然而對于使用中的超聲探傷設備校驗,通常是在現場進行,并且具有較高的校驗頻率,這顯然應該由用戶自己進行。JJG 746-2004的檢定項目表中例如外觀檢查、水平線性誤差、垂直線性誤差、探傷靈敏度余量、分辨力、動態范圍、電噪聲電平等項目其實都屬于企業中II級無損檢測技術資格等級人員的日常工作范疇。

          JJG 746-2004《中華人民共和國國家計量檢定規程-超聲探傷儀》 表1 檢定項目表

            

          序號

            

          檢定項目

          首次檢定

          后續檢定

          使用中檢驗

          1

          外觀檢查

          +

          +

          +

          2

          水平線性誤差

          +

          +

          +

          3

          衰減器衰減誤差

          +

          +

          -

          4

          垂直線性誤差

          +

          +

          +

          5

          動態范圍

          +

          +

          -

          6

          電噪聲電平

          +

          +

          -

          7

          最大使用靈敏度

          +

          -

          -

          8

          探傷靈敏度余量

          +

          +

          -

          9

          掃描范圍

          +

          -

          -

          10

          分辨力

          +

          +

          -

          注:“+”表示應檢項目,“-”表示可不檢項目

          盡管目前在無損檢測界對于無損檢測設備是否都屬于計量器具范疇的問題有許多爭議,但是根據我國目前的狀況,如果一定要把無損檢測設備納入計量部門對企業計量監管范疇的話,那么計量部門所承擔的檢定內容就不應該是國家標準規定II級無損檢測技術資格等級人員職責范圍內的日常工作內容,而應該是企業一般不具備能力檢定然而又與無損檢測設備正常使用的性能質量密切相關的項目,才能符合計量檢定系統的三級傳遞制度,從而才能真正扮演好為企業保駕護航、提供設備質量保障服務的角色。因此,筆者認為應當徹底修訂JJG 746-2004標準。
          [3] 對于實施無損檢測設備檢定的計量部門,應當經由國家質量監督檢驗檢疫總局進行資質認證,取得認可,確認這些計量部門具備適當的檢定設備裝置和人員技術水平等,以防止良莠不齊、濫竽充數等現象發生,導致徒增企業負擔卻并不能真正使無損檢測設備正常使用所需要的性能質量得到保障。筆者還有一個建議,即參考國外的經驗,實際上無損檢測設備的檢定也可以由經國家質量監督檢驗檢疫總局認定并授權的第三方檢測鑒定單位或機構來承擔,亦即如歐洲標準中所提到的“制造商代理”或“某個實驗室”。
          [4] 我國的超聲檢測設備制造企業應該努力汲取國外先進標準要求中的精髓,努力提高自身產品的質量水平和檢測水平,努力提高與國外產品競爭的能力,并可更進一步為打開國際市場增強實力。


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