【标准解读】T/CSTM 00214 - 2020《无损检测 超声检测 凸曲面斜入射试块的制作与检验方法》

【概述】

中国材料与试验团体(Chinese Standards for Testing and Materials) （简称 CSTM）标准委员会在2020年9月25日发布了团体标准T/CSTM 00214-2020《无损检测 超声检测 凸曲面斜入射试块的制作与检验方法》，并于2020年12月25日正式实施。本文是对该标准内容进行解读。

【标准制定背景】

当前锻造、铸造、制管、焊缝及探头等厂家，在进行曲面检测的角度探头校准时，国内外仪器和生产使用单位均不能确认或出具曲面检测斜探头角度校准证书。为了降低生产成本，在符合工业产品生产适用性的前提下，需要简化方法过程，降低各项操作要求。我们通过发明制作了该曲面试块（或称为：3号校准试块—脚跟试块），保证了其具备可追溯性，也确保了工业生产中曲面检测斜探头使用中角度磨损的准确测量。

一直以来，对于检测凸曲面工件的标定，在世界各国尚没有统一的校准试块。国内外超声波探头制造厂家和第三方校准实验室均不能出具曲面斜探头的测试报告，原因是没有合适的校准试块。脚跟试块的发明填补了这一空白，对产业发展起引领作用：

（a）适用井口及采油树专用件

井口及采油树专用件是指在石油、天然气钻井开采过程中，安装在陆上井口，用于控制气、液（油、水等）流体压力和方向，悬挂套管、油管，并密封油管与套管及各层套管环形空间的井口装置中的零部件，包括采油树阀、悬挂器、套管头、油管头、四通、法兰等。

（b）适用深海设备专用件

深海设备专用件是指用于制造深海油气设备的零部件，由于深海油气设备的安装操作难度高及使用环境恶劣，相较于陆上井口设备，深海油气设备对专用件的承压、抗腐蚀等各项性能指标和可靠性有着更高的要求，包括深海采油树、管汇、阀体等。

（c）适用压裂设备专用件

压裂设备专用件是开采页岩油气压裂作业设备的核心部件，包括压裂泵缸体、封井器、井口球阀、投球器、活动弯头、油壬、蜡球管汇、压裂管汇等。

（d）适用钻采设备专用件

钻采设备专用件是指勘探和开采油气的全套机械设备的零部件，包括防喷器壳体、活塞、顶盖、管汇等。

【目的和意义】

超声波探伤仪和探头的标定工作，目前主要的标准试块为V1(IIW1)船形试块和V2(IIW2)牛角试块，它们的作用主要为水平线性、垂直线性、动态范围、灵敏度余量、分辩力、盲区、探头的入射点、折射角等，探头的检测面为平面。而脚跟试块与船形试块或牛角试块的作用基本相同，但探头的检测面均为凹曲面。工件面的形状通常为平面和曲面，平面作为检测面的探伤工作，其仪器和探头标定为船形试块和牛角试块；曲面作为检测面的探伤工作，其仪器和探头标定全世界范围内没有检测试块。

曲面锻件的超声波周向斜探测缺陷精确定位，在国际上一直没有标准试块调试。如何确定曲面锻件检测的角度、扫描速度及零点，成为无损检测领域重大难题。工件周向斜探测缺陷的检测，国际上采用的探伤方法主要是内外径缺口上获得的第一个反射的峰值之间连接一条线，建立振幅的基准线。但对缺陷的精度定位无法保证，现有的对比试块均无法满足角度、速度及零点标定工作。

本标准有利于锻造、铸造、制管、焊缝及仪器、探头等厂家，在进行曲面工件检测的校准工作。本标准是基础通用标准，提供了曲面工件斜探头检测方法中的一种检测工艺验证技术，解决了这一检测工艺验证技术标准空缺的问题。因此，研制曲面斜探头的校准试块，精确标定出探头的入射点、折射角和扫描零点，进而实现准确的定位探伤，已经成为超声波检测亟待解决的重要课题。设计者通过长期探伤工作总结和归纳，设计出用于标定曲面斜探头的脚跟试块，并申报了中国国家发明专利和美国发明专利，均获得授权。

【标准介绍】

本标准是基础通用标准，在凸曲面工件斜探头检测方法中，提供了一种检测工艺验证技术，解决了这一检测工艺验证技术标准空缺的问题。

适用范围：本标准的实施主体为厂家、用户及有关的检测机构等。本标准有利于超声波周向斜探测缺陷精确定位，可有效地判定曲面锻件的缺陷位置，利于后道工序是否加工或判废的制造过程，充分发挥探伤检测方法的潜力与优势。本标准有利于锻造、铸造、制管、焊缝及仪器、探头等厂家，在进行曲面工件检测的入射点、折射角、扫描零点和声速等探头校准工作。本标准发布后，有利于把握产品质量，给全球同行业带来良好的社会效益和一定的经济效益。

本标准主要内容：范围；规范性引用文件；术语和定义；尺寸；材料；制备；标记；使用方法；证书；附录A(规范性附录)校准试块的特性和用途。

探头的入射点通常采用“棱角反射法”进行标定。脚跟试块主要解决的难题是折射角的测定和扫描零点的确定。之所以将脚跟试块设计为半圆体与长方体的组合形状，是因为当探头沿试块的圆周面做周向运动时，折射声束的传播方向发生变化，当垂直于试块底面或矩形槽面时，声波发生全反射，探头接收的回波最大，由此可根据探头入射点处的角度刻度值得到折射角的大小。一般来说，通过调整仪器检测范围和扫描速度来确定时基线扫描零点的方法是，利用试块上已知声程差的两个反射面的回波来校准时基线刻度值，即可消除探头延迟块声程影响而获得金属中的声程。脚跟试块为轴对称形状，探头可从圆周体两侧以完全相同角度入射并获得全反射回波，但两者的声程不同，在矩形槽一侧为S1＝30＋Rcosβ，在无矩形槽一侧为S2＝60＋Rcosβ，如图所示，两者之间有固定的声程差30 mm，恰好满足确定扫描零点所需的条件。

图  跟脚试块的设计及工作原理

脚跟试块既要满足曲面斜探头的特殊标定要求，同时还需兼顾测试仪器性能和校验探伤灵敏度等一般用途，因此试块的尺寸设计至关重要。当折射声束垂直试块底面和矩形槽面传播时，探头与反射面之间声程应大于2倍探头近场区长度，可以避免近场区影响而造成的测量结果误差。对于晶片尺寸为13 mm×13 mm的2.5 MHz斜探头，波长λ＝C/f＝（3230×10³）/（2.5×10⁶）＝1.29 mm，则近场区长度：

由于试块半径R一般大于30 mm，因此选择矩形槽面距水平圆心线30 mm可以满足声程不小于2N的最低要求。将长方体高度设计为60 mm，既使声程大于2N，还使声程差S2－S1＝30 mm足够大。

【标准特点】

本标准具有先进性，填补了世界同行业空白。

船形试块和牛角试块的应用对象均为平面件产品。截至目前，对于检测凸曲面工件的凹曲面斜探头的标定，在世界各国尚没有统一的校准试块。脚跟试块保证了曲面斜探头对检出缺陷的精确定位，提高了凸曲面锻件、铸件和管件等形状产品的周向超声波检测的水平；同时，它还能“一块多用”，用来测试仪器性能（包括相控阵超声仪器）和校验灵敏度。

本标准具有创新性，该标准标定了曲面斜探头入射点、折射角和扫描零点的校准试块，称为脚跟试块（或命名为3号试块）。本标准有利于锻造、铸造、制管、焊缝及仪器、探头等厂家，在进行曲面工件检测的角度探头校准工作。之前采用的校准试块为GB/T19799.1（等同ISO 2400）规定的1号船形试块或GB/T19799.2（等同ISO 7963）规定的2号牛角试块，均为平面探头。

本标准是基础通用标准，提供了曲面工件斜探头检测方法中的一种检测工艺验证技术，解决了这一检测工艺验证技术标准空缺的问题。中国专利授权号：201410166754.4；美国发明专利授权号：US009810667B2。

【标准应用】

本标准适用于航空航天、造船、兵器、石油化工、汽车、采矿和核电等领域的曲面锻件缺陷的超声检测。这系例试块除了可以用来标定检测面为曲面探头的入射点、折射角和扫描零点，也可以测量仪器的水平线性、垂直线性、动态范围等性能指标。本标准规定了校准试块的尺寸、材料、制造，以及用它对超声检测设备进行曲面工件检测校准和校验的使用方法。本标准有利于锻造、铸造、制管、焊缝及仪器、探头等厂家，在进行曲面工件检测的角度探头校准工作。

脚跟试块不仅能准确测定曲面斜探头的入射点和声束角度等，还为平面斜探头改制为曲面斜探头以及曲面斜探头使用磨损后维修提供了测量手段，扩大了检测范围，实现了更多领域的检测。脚跟试块的问世一定能为钢铁产品质量提升发挥重要作用，并带来良好的社会效益和经济效益。

CSTM的建立和发展坚持以市场需求为导向，始终以推进无损检测基本方法建设为导向，以科研成果快速转化为目标，以确保钢铁产业链的高质量发展为己任。T/CSTM 00214-2020《无损检测 超声检测 凸面斜入射试块制造与检验方法》标准的建立，探索了凸曲面产品检测技术创新过程中标准化同步发展的新模式，最大限度地缩短技术创新与产品质量的关系，践行前沿技术研究成果直接转化为先进标准的新理念，加快推动新时代制造业高质量发展。

【标准制定单位构成】

主要起草单位有：南京迪威尔高端制造股份有限公司，中国特种设备检测研究院，山东瑞祥模具有限公司，钢研纳克检测技术股份有限公司，常州超声电子有限公司，卡麦隆(上海)机械有限公司。