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In order to promote the engineering application of PAUT technology in ferrite steel thin-plate butt welds of nuclear power plant, this paper compared and analyzed the major requirements of the domestic and foreign common PAUT standards which are applicable to ferrite steel thin-plate butt welds, ISO 13588—2019, DL/T 1718—2017, and NB/T 47013.15—2021 are more suitable as reference standards for phased array ultrasonic testing of thin-plate butt welds in nuclear power plants. The application of phased array ultrasonic testing of ferritic steel thin-plate butt welds in nuclear power plants can refer to the requirements of NB/T 47013.3—2015 for testing sensitivity and acceptance standards. This conclusion can provide reference for the engineering application of phased array ultrasonic testing technology for ferrite steel thin-plate butt welds of nuclear plant.
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ferrite steel thin-plate;
butt welds;
phased array testing;
nuclear plant;
standard
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核电厂建造和服役期间，射线检测是焊缝内部缺陷检测的重要技术手段之一。受核电厂厂房布置、设备结构特点、辐射防护要求、射线源强度限制以及射线检测作业时间窗口限制等因素影响，射线检测工作滞后成为制约施工进度的一种常态。特别是近年来随着核电管理精细化的要求，核电站建造和大修工期进一步优化，采用多家单位或多个班组同时施工作业，现场射线检测工作相互制约，辐射安全风险增大。常规超声检测技术和衍射时差法超声检测技术（Time of Flight Diffraction，TOFD）可满足厚度≥10 mm焊缝的检测需求，但是针对核电厂厚度为6~10 mm的铁素体钢薄板对接焊缝研究较少，尚无工程可行的解决方案，因此迫切需要研究开发适合于核电厂铁素体钢薄板对接焊缝内部缺陷检测的相控阵超声检测技术。
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相控阵超声检测技术是一种根据设定的延迟法则激发相控阵阵列探头各独立的压电晶片（阵元）合成声束，并实现声束的扫描、偏转以及聚焦等功能，再按一定的延迟法则接收超声信号并以图像的方式显示被检对象内部状态的超声检测技术。相控阵超声检测系统是高性能的数字化仪器，能够实现检测过程中缺陷显示的记录，通过对缺陷显示的处理，系统能够自动生成不同方向投影的高质量显示图像，如B扫描成像、C扫描成像和S扫描成像等［
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相控阵超声检测技术由于其技术特点和优越性，在常规火电、石油化工和特种设备等行业得到了广泛的应用，并取得了很好的应用效果［
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本研究主要从标准的适用范围、检测技术等级及其检测要求、相控阵探头、检测灵敏度和验收标准等方面，对国内外主要标准内容进行了比较分析，可为核电厂铁素体钢薄板对接焊缝相控阵超声检测技术工程应用提供参考。
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目前，国内、外现行主要的相控阵超声检测技术标准见
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| 标准号 | 现行版本 | 标准名称 |
|---|---|---|
| ISO 13588 | 2019 | 焊缝无损检测 超声检测 相控阵自动检测技术的使用 |
| ISO 20601 | 2018 | 焊缝无损检测 超声检测 薄壁钢部件相控阵自动检测技术的使用 |
| ASTM E 2700 | 2020 | 焊缝接触式相控阵超声检测的标准方法 |
| ASME BPVC SECTION V Article 4 Mandatory Appendix Ⅳ | 2021 | 基于相控阵传感器的相控阵手动栅格扫查检测技术 |
| ASME BPVC SECTION V Article 4 Mandatory Appendix Ⅴ | 2021 | 相控阵电子扫描和扇形扫描的线性扫查检测技术 |
| ASME BPVC SECTION V Article 4 Non-mandatory Appendix P | 2021 | 相控阵超声检测解释 |
| GB/T 32563 | 2016 | 无损检测、超声检测、相控阵超声检测方法 |
| DL/T 1718 | 2017 | 火力发电厂焊缝相控阵超声检测技术规程 |
| NB/T 47013.15 | 2021 | 承压设备无损检测 第15部分：相控阵超声检测 |
ISO 13588—2019、ISO20601—2018、ASTM E 2700—2020、GB/T 32563—2016、DL/T 1718—2017和NB/T 47013.15—2021标准的适用材料、结构、焊缝类型及厚度范围见
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| 标准号 | 适用材料 | 适用结构及焊缝 | 适用焊缝厚度 |
|---|---|---|---|
| ISO 13588—2019 | 低合金钢等细晶钢 | 具有简单几何外形的板、管和容器的全焊透焊缝 | ≥6 mm |
| ISO 20601—2018 | 低合金钢等细晶钢 | 具有简单几何外形的板、管和容器的全焊透焊缝 | 3.2~8 mm（当采用标准中规定的检测等级D，最小和最大壁厚范围均可扩展） |
| ASTM E 2700—2020 | 主要适用于铁基金属材料和铝合金（其他金属材料，若能够制定引用标准并能演示声束成功穿透，也可参照使用） | 全焊透对接焊缝和丁字焊缝 | 9~200 mm（超出该厚度范围的焊缝，若能在相同厚度及几何形状的模拟试块上证明其检测有效性，也可采用） |
| GB/T 32563—2016 | 主要适用于细晶钢（其他细晶金属材料在考虑声速变化后，以及奥氏体不锈钢等粗晶材料在考虑信噪比和声束各向异性的影响后，也可参照使用） | 全焊透焊缝 | 6~200 mm（超出该厚度范围的焊缝，在通过演示证明仪器系统具有足够的检测能力后，也可参照使用） |
| DL/T 1718—2017 | 奥氏体钢等粗晶材料除外 | 全焊透对接焊缝、角焊缝和丁字焊缝 |
6~200 mm（全焊透焊缝） 3.5~30 mm（管子或管道环向对接焊缝） |
| NB/T 47013.15—2021 | 主要适用于铁素体钢（其他细晶各向同性和低声衰减金属材料，可参照使用，但应考虑材料声学特性的变化。），聚乙烯管道电熔接头、钢制油气长输管道环向对接焊缝和奥氏体不锈钢承压设备对接焊缝按标准的资料性附录执行。 | 金属材料制原材料、零部件和全熔化焊焊缝、聚乙烯管道电熔接头 |
6~500 mm（全熔化焊对接或角接焊缝） 6~200 mm（T型焊缝） 6~150 mm（管子或管道纵向对接焊缝） 3.5~150 mm（管子或管道环向对接焊缝） |
焊缝的质量要求主要与其材料、焊接工艺和服役条件相关，为满足不同条件下的工程应用需求，标准中通常会规定几个质量等级。相应的，为满足不同质量等级焊缝的质量控制要求，标准中一般会规定几个不同的检测技术等级，不同检测技术等级的检测覆盖和扫查要求不同，不同的检测覆盖和扫查要求对应不同的缺陷检出率［
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ISO 20601—2018规定了C、D两个检测技术等级，其中，标准中对检测技术等级D未作明确规定，检测技术等级C的最低要求见
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| 检测模式 | 检测技术等级 | |
|---|---|---|
| C | D | |
| 相对焊缝固定探头位置电子扫描（沿线扫查） | 两侧 | 待说明 |
| 相对焊缝固定探头位置扇形扫描（沿线扫查） | 两侧或同一侧两个探头位置 | 待说明 |
| 栅格扫查扇形扫描 | 一侧（焊缝余高磨平） | 待说明 |
| 倾斜扫查① | 不适用 | 待说明 |
注： ①若技术规格书要求检测横向缺陷，应采用其他适宜的检测设置。可采用倾斜探头或者电子倾斜声束。
ISO 13588—2019规定了A、B、C、D四个检测技术等级，其中，A~C三个检测技术等级随着检测要求（如焊缝扫查侧、角度和覆盖次数等）的提高，其缺陷检出率也会相应提高，而检测技术等级D主要适用于一些特殊情况，例如非铁素体钢、部分焊透焊缝、自动检测、高温或低温环境检测等。A~C每一检测技术等级的最低要求见
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| 模式 | 检测技术等级 | ||
|---|---|---|---|
| A | B | C | |
| 固定角度固定探头位置（沿线扫查）① | 焊缝两侧 | 不适合作为单一技术使用 | 焊缝两侧 |
| 固定角度栅格扫查① | 焊缝一侧 | 焊缝一侧 | 焊缝一侧 |
| 固定探头位置电子扫描（沿线扫查）① | 焊缝一侧 | 焊缝两侧两个角度③ | 焊缝两侧 |
| 固定探头位置扇形扫描（沿线扫查）① | 焊缝一侧 | 焊缝两侧或两个探头位置 | 焊缝两侧或两个探头位置 |
| 扇形扫描栅格扫查 | 不推荐 | 不推荐 | 焊缝一侧 |
| 用相控阵探头进行TOFD检测② |
不推荐 TOFD检测按ISO 10863进行 | 一次设置 | |
| 倾斜扫查 | 技术规格书中如有规定 | ||
注： ①对检测技术等级C，采用上表中至少两种不同的检测设置进行组合，其中一个应为S扫描或TOFD；②如有横向缺陷检测规定，应采用适当的附加的检测设置。可采用倾斜探头或电子倾斜声束；③两个角度至少相差10º。
ISO 13588—2019关于检测技术等级的相关要求并未区分焊缝厚度，而GB/T 32563—2016、DL/T 1718—2017和NB/T 47013.15—2021则按焊缝厚度进行了进一步的细分，总体上随着检测技术等级的提高和焊缝厚度的增加，其检测要求也相应提高。
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GB/T 32563—2016规定了A、B、C三个检测技术等级，其中A级检测适用于缺陷检出率要求较低的焊缝或在用设备的焊缝的抽查检测，B级检测适用于缺陷检出率要求较高的焊缝，C级检测适用于缺陷检出率要求很高的焊缝，C级检测要求被检焊缝的余高磨平。三个检测技术等级适用于铁素体钢薄板对接焊缝的检测要求见
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| 检测技术等级 | 不同角度声束覆盖次数 | 焊缝厚度 /mm | 余高磨平 | 检测要求 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 母材检测 | 横波检测 | 扫查方式 扫描方式 | 单面单侧 | 单面双侧 | 双面双侧 | 横向缺陷检测 | ||||
| A | 至少1次① | 6~200 | 否 | 否 | 是 |
沿线扫查+ 扇形扫描或 电子扫描④ | 是 | 否 | 否 | 否 |
| B | 至少2次①② | 6~50 | 否 | 否 | 是 | 否 | 是⑤ | 否 | 否 | |
| C | 至少3次①②③ | 6~50 | 是 | 是 | 是 | 否 | 是⑤ | 否 | 是 | |
注： ①可通过选择不同扫查面、扫查方式、扫查路径和扫描方式来实现声束覆盖。②当要求对检测区域进行两次以上覆盖时，应尽可能使其中两次覆盖的声束方向大致相互垂直。若因条件限制不能实现，则允许来自一个方向，但两次覆盖的声束夹角不得小于10º。③对于检测技术等级C，其中一次扫射可将探头置于焊缝表面上实施扫查，此种扫查需将焊缝余高磨平。④对接焊缝优先推荐采用扇形扫描+沿线扫查。⑤对于检测技术等级B和C，当受现场条件限制，无法做到从焊缝单面双侧进行检测时，可增加三次波扫查（较薄焊缝），或增加沿线栅格扫查（较厚焊缝），以增加覆盖范围和实现多角度声束多次覆盖，以弥补扫查面不足带来的影响。
DL/T 1718—2017将焊缝分为Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅰ型焊缝主要适用于筒体（或封头）对接焊缝、接管与筒体（或封头）角接焊缝、T型焊缝、管子以及管道环向对接焊缝；Ⅱ型焊缝主要适用于管子和管道环向对接焊缝。DL/T 1718—2017对于Ⅰ型焊缝规定了A、B、C三个检测技术等级，其中检测技术等级A适用于厚度为6~40 mm焊缝的检测，检测技术等级B和C适用于厚度为6~200 mm焊缝的检测，三个检测技术等级适用于铁素体钢薄板对接焊缝的主要检测要求见
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检测技术 等级 | 焊缝厚度 /mm | 余高磨平 | 检测要求 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
两侧母材 检测 | 扇形扫描 | 电子扫描 | 直射法 | 反射法 | 单面双侧① | 双面双侧 | 横向缺陷 检测 | |||
| A | 6~40 | 否 | 否 | 是 | 否 | 是 | 是 | 是 | 否 | 否 |
| B | 6~40 | 否 | 否 | 是 | 否 | 是 | 是 | 是 | 否 | 是 |
| C | 6~15 | 是 | 是② | 是 | 是③ | 是 | 是 | 是 | 否 | 是 |
注： ①如受条件限制，单面双侧无法实现，也可选择单面单侧或双面单侧。②对焊缝两侧母材区域进行纵波直射法检测。③电子扫描应采用两种角度扫查，两种角度至少相差10º。
NB/T 47013.15—2021与DL/T 1718—2017类似，将焊缝分为Ⅰ型和Ⅱ型，其中，Ⅰ型焊缝主要适用于锅炉、压力容器筒体（或封头）对接焊缝、接管与筒体（或封头）角接焊缝、T形焊缝、管子以及压力管道纵向和环向对接焊缝；Ⅱ型焊缝主要适用于锅炉、压力容器管子以及压力管道环向对接焊缝。NB/T 47013.15—2021规定了A、B、C三个检测技术等级，A级检测适用于工件厚度为3.5~40 mm 焊缝的检测；B级检测适用于工件厚度为3.5~200 mm 的焊缝的检测；C级检测适用于厚度为6~500 mm的焊缝的检测。同时，NB/T 47013.15—2021对制造安装阶段的焊缝检测推荐采用B级，对重要设备的焊缝推荐采用 C 级。三个检测技术等级适用于铁素体钢薄板对接焊缝的主要检测要求见
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| 检测技术等级 | 焊缝厚度 /mm | 声束覆盖次数 | 余高 磨平 | 检测要求 | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 两侧母材检测 | 扇形扫描 | 线性扫描 | 一次波 | 二次波 | 单面双侧 | 双面双侧 | 单面单侧 | 双面单侧 | 横向缺陷 检测 | |||||
| A | 6~40 | ① | 否 | 否 | ② | ② | 是 | 是 | ③ | 否 | ③ | ③ | 否 | |
| B | 6~40 | 否 | 否 | 是 | 否 | 是 | 是 | ④ | 否 | ④ | ④ | 是 | ||
| C | 6~15 | 是 | 是 | 是 | 否 | 是 | 是 | ⑤ | ⑤ | 否 | ⑤ | 是 | ||
注： ①A级检测至少1次全覆盖，B级检测至少2次全覆盖，C级检测应保证斜入射声束至少2次全覆盖，B级和C级检测应尽可能使其中2次覆盖的声束来自大致相互垂直的两个方向。②扇扫或线扫。③一般从焊缝单面双侧进行检测，如受条件限制，也可以选择双面单侧或单面单侧进行检测。④一般从焊缝单面双侧进行检测，如受条件限制，无法在单面双侧进行时，可在双面单侧进行检测，每个扫查面应尽可能实现一次声束全覆盖；如只能在单面单侧进行，则应将焊缝余高磨平，在焊缝中心线处增加一次扇扫描+纵向垂直扫查，并采用至少一个方向的锯齿形扫查对整个检测区域进行扫查。⑤单面双侧或双面双侧或双面单侧。
相控阵探头方面，ISO 13588—2019引用ISO 18563—2，ISO 18563—2规定的探头频率范围为0.5~10 MHz；ISO 20601—2018规定探头频率为不低于5 MHz并适合被检工件厚度；GB/T 32563—2016、DL/T1718—2017和NB/T 47013.15—2021推荐的适用于铁素体钢薄板焊缝相控阵超声检测探头的主要参数见
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| 标准 | 频率 /MHz | 晶片间距 /mm | 晶片数 /个 |
|---|---|---|---|
| GB/T 32563—2016 | 5~15 | 0.3~0.8 | 一般不少于8个 |
| DL/T 1718—2017 | 7.5~10 | — | 一般不少于16个 |
| NB/T 47013.15—2021 | 5~10 | — | 一般不少于16个 |
对于薄壁焊缝，小前沿探头有利于提高1、2次波的有效检测范围以及大角度声束的能量，工程实际应用中尽可能选用小前沿探头。高频率探头的缺陷定量能力以及对小缺陷的检测能力比低频率探头要好，相同条件下聚焦后频率越高，焦柱直径越小，有利于提高检测分辨力，但频率过高将会导致干扰杂波多、信噪比降低，给缺陷评定带来一定的困难，因此探头频率应适合检测对象材质和工程实际需求。此外，相同的条件下激发的晶片数越多，近场区能量分布越均匀，焦柱直径越小，对小缺陷的分辨力也越好且更便于缺陷图像的分辨，对于薄壁焊缝检测应尽可能多晶片探头并且实际使用中所有晶片全部激发［
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检测灵敏度与验收标准密切相关，GB/T 32563—2016仅对相控阵超声检测的技术方法进行了规定，未涉及检测灵敏度和验收标准相关内容；DL/T 1718—2017和NB/T 47013.15—2021既规定了检测技术方法，又规定了检测灵敏度和验收标准。ISO 20601—2018未明确规定检测灵敏度和验收标准；ISO 13588—2019检测灵敏度引用ISO 17640—2017，验收标准引用ISO 19285—2017。此外，常规超声的检测灵敏度和验收标准同样适用于相控阵超声检测，常规超声检测标准中适用于6mm对接焊缝的常用标准主要有NB/T47013.3—2015《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》。ISO 13588—2019、DL/T 1718—2017、NB/T 47013.15—2021和NB/T 47013.3—2015适用于铁素体钢薄壁焊缝的检测灵敏度要求见
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| 标准 | 焊缝类型 | 厚度/mm | 评定线 | 定量线 | 判废线 |
|---|---|---|---|---|---|
| ISO 13588—2019 | 对接焊缝 | 6~15 |
|
|
l①≤t： l>t： |
| DL/T1718—2017 | I型对接焊缝 | 6~40 |
|
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|
| II型对接焊缝 | 3.5~15 |
|
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| |
| NB/T 47013.15—2021 | I型对接焊缝 | 6~40 |
|
|
|
| II型对接焊缝 | 3.5~6 |
|
|
| |
| 6~50 |
|
|
| ||
| NB/T47013.3—2015 | I型对接焊缝 | 6~40 |
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|
|
| II型对接焊缝 | 6~40 |
|
|
|
注： ①指缺陷长度。
常规超声检测主要基于缺陷性质（裂纹、未熔合、未焊透等平面型缺陷和气孔、夹渣等体积型缺陷）、反射波幅和指示长度进行质量评级。相对于常规超声，采用相控阵超声检测技术或衍射时差法超声检测技术测定缺陷自身高度相对容易，因此相控阵超声检测验收标准主要分为两类：第一类与常规超声一样，基于缺陷性质、反射波幅和指示长度进行评定，主要适用于设备制造和安装阶段；第二类基于断裂力学计算结果，根据缺陷的性质、位置（表面、亚表面、内部等）、长度和自身高度进行评定，主要适用于设备服役阶段。ISO 13588—2019、DL/T1718—2017和NB/T47013.15—2015标准中均分别给出了上述两种不同的验收标准，实际应用过程中应根据所处的阶段选用适用的标准进行评定，如建造阶段首选第一类，服役阶段根据实际情况选择第一类或第二类［
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（1）工程应用最重要的前提条件是技术标准，总体而言，ISO 13588—2019、DL/T 1718—2017和NB/T 47013.15—2021标准体系完整、内容全面，可作为核电厂薄板对接焊缝相控阵超声检测的参考标准。
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（2）DL/T 1718—2017和NB/T 47013.15—2021在国内火电行业和特种设备行业应用广泛，特别是在火力发电厂薄壁管对接环焊缝检测上已实现工程应用。相对于ISO 13588—2019而言，DL/T 1718—2017和NB/T 47013.15—2021关于技术方法的规定更为详细全面，并具有较强的可操作性。
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（3）NB/T 47013.3—2015在特种设备行业应用成熟，该标准中规定的适用于厚度为4~8 mm的锅炉、压力容器管子和压力管道对接环缝的（承压设备II型焊缝）I级合格的检测灵敏度和验收标准为现行工业标准的最高要求，核电厂铁素体钢薄板对接焊缝相控阵超声检测工程应用中，可基于该检测灵敏度和验收标准要求，结合缺陷模拟试块验证结果和断裂力学计算结果进行适应性调整，并确定适宜的核电厂铁素体钢薄板对接焊缝相控阵超声检测的检测灵敏度和验收标准。
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