超聲波探傷技術的局限性和可靠性

由于聲學家、電子工程師和探傷人員50年來的不懈努力，使基于“固體雷達”原理的 超聲波探傷技術已發展成為當今無損檢測的主要方法之一。世界各國出版的無損檢測書籍、 資料、文獻中，國內外歷屆無損檢測學術年會上宣讀的論文中，超聲波探傷所占的數量大，這表明超聲波檢測在工程應用中已取得輝煌的成就并仍在不斷地改進著、發展著。但是，對其局限性和可靠性卻很少論及和報道，因而在社會上造成了一種假象，似乎 超聲波探傷技術已經十全十美，一旦發生產品質量事故，就認為是操作者和技術水 平低劣所致，從而打擊了生產線上探傷人員的積極性，但對教訓的總結和吸取、類似事 故的預防以及超聲波探傷技術的進步卻極少推動。

       1 超聲波探傷實踐中可靠性的幾種“意外”在超聲波探傷實踐中一般會碰到兩類典型 的“意外”

       1.1 “意外”的失敗(檢測判斷與實際不符)(1)超聲波探傷儀上顯示出明顯的缺陷波， 解剖實物卻什么也找不到。例如，1964年筆者對鋁合金異形型材進行超聲波探傷試驗，發 現其中有一明顯的缺陷波，當即進行邊探測、邊刨削、邊酸蝕的實驗，每次刨去0.5mm結 果竟未發現任何宏觀缺陷。(2)超聲波探傷按部頒標準判定為2當量平底孔的小缺陷實際是 巨大孔洞。如：1979年探測某發電機轉子毛坯(34CrMoA大鍛件)時，發現有若干缺陷，精 車后表面暴露出長約2mm的細小裂紋。用寬2mm的竹篾片垂直插入該小孔可深入12mm， 傾斜插入則可深達23mm。用超聲波直、斜探頭復探仍只能發現當量為2mm左右的缺陷波， 而實際上確是個超聲波無法探出的巨大孔洞。

        1.2 科學冒險的“意外”成功 針對多次出現超聲波探傷合格的發電機轉子毛坯大鍛 件在后道車、鉆工序中暴露出大量發紋的事實，進行了觀察、統計、分析和實驗，發現某些 群狀雜波，當量遠低于部頒判廢標準（2mm平底孔），但據已積累的經驗肯定是大量發紋的反 射波，故堅決予以拒收。并于1979年底將12根這種轉子毛坯大鍛件運返承制廠，請他們打 中心孔(因本廠無深孔鉆)， 商定如無發紋立即運回本廠，否則退貨，結果一根也未再拉回來。

        2 超聲波探傷技術本身的局限性超聲波探傷技術是利用固體中的回聲--彈性波的反射 現象，來判定工件中缺陷的有無和位置(埋藏深度)，根據接收到的回聲能量來估計缺陷的大 小(與規定的平底孔、橫孔等標準缺陷相比較)，再使用一些探測工藝上的技巧并根據生產工 藝中易產生缺陷的規律和經驗來推判缺陷的性質，如上述例證那樣。顯然，由于通用超聲波 探傷儀器(A型顯示)檢測的物理量只有三個：①彈性脈沖的傳播時間：聲時。②回波的能量：當量。③機械振蕩通過某段距離后的衰減程度：相對值。而我們對埋藏于工件內部的缺陷事先卻一無所知：大小、形狀、深度、傾斜角、表面粗糙度、內部填充物、是一個大缺陷還是數個小缺陷的緊密組合……等，亦即未知數早已超過了三個。所以從數學上看，超聲波探傷 面臨的是一個不定解問題。其次，目前超聲波探傷的聲學理論基礎研究還主要停留在固體中 少數規則缺陷(如球體、圓柱體、無限槽縫等)對超聲波的反射、固體中晶粒對超聲波的散射 等“正問題”上，仍在解決什么樣的缺陷會散射出什么樣的超聲波，但超聲波探傷更重要的 是須解決：根據已測得的散射情況推斷出工件內存在著什么樣的缺陷，這又是個不可能得到確定解的“逆問題” 。再者，由實驗知，同一埋藏嘗試，不同形狀、大小、傾斜度、表 面粗糙度……的缺陷卻可以產生同樣高度的回波，所以單憑回波高度是無法區分這些缺陷 的。還有，超聲波探傷需要解決的問題遠比其母體技術--防空雷達復雜、困難得多，因為后者追尋的目標只是點狀缺陷，而前者卻有點狀、線狀、面狀、體狀和彌散狀的缺陷。綜上所述可知：今天的超聲波探傷技術仍存在著局限性，即無法確定檢測的結果。例如：波蘭從Drendury管道探測結果中，任選32條全自動焊焊縫和47條半自動焊焊縫，對在同樣 長度的焊縫上所得超聲和射線檢測結果作了比較。 就缺陷的數量而言，如所發現焊縫中缺陷的總數為100%，則在全自動焊焊縫中，由超聲檢測發現的缺陷數占71%，由射線照相法發現的占29%。在半自動焊焊縫中，超聲檢測發現的占74%，射線照相法發現的占26%。超聲檢測出的缺陷大部分分布在90°和270°的極坐標處，這些缺陷大部分是裂紋和未熔合， 而射線檢出的缺陷大部分位于150°和300°之間，缺陷絕大部分是球狀體積性缺陷，這一檢測結果表明，僅使用一種方法檢測所得的結果是不全面的。但對于大型工作的內部缺陷卻只能用超聲這一種方法來無損檢測。

       3 超聲波探傷技術的可靠性由于超聲波探傷技術本身存在著局限性，所以其可靠性當 然不可能達到理想的100%。其實任何一種實際檢測的結果與理想要求總是有區別的，不論 是手工操作檢測還是自動檢測均無例外，附圖示出了這種差別。從附圖中可見，實際檢測總 是存在著漏檢與誤檢，漏檢與誤檢的多少取決于對檢測影響因數的控制程度，但無論如何漏 檢與誤檢均是不可避免的。近年來，美國600家電力公司所屬1萬多家發電廠主要用超聲檢 測控制機組質量，保證電廠的正常運行，而其超聲檢測可靠性已達85%。對于這種原來被 認為是不太可靠、又不直觀的技術，能達到這樣的檢測可靠性，看來學者們已相當滿意。探傷人 員遵循。如果不便規定出百分比，至少也應指明不可能達到100%。由于歷史的原因，我國 基層生產單位一向把僅對重要零部件質量把關的超聲波探傷當作高新技術，普遍認定其可靠 性應為100%，因而無論出現怎樣的誤差都是不允許的。例如，某廠18年來只有兩年超聲 波探傷的表觀可靠性(即被檢工件在后續切削加工中未出現內部缺陷的百分比)沒有達到 100%，一年為99.96%，另一年為99.93%。即使如此，探傷人員還是受到了處分、指責。而實際上超聲波探傷技術對檢測缺陷位置的效果是好的，對缺陷形狀、取向只有中等判斷能力，而對缺陷性質、大小的檢出能力是差的。所以向社會解釋清楚超聲探傷真實可靠性和表觀可靠性的區別，前者不可能達到100%，后者在特定條件下卻有可能接近或達到此指標。

        4 幾點建議為了降低超聲波探傷技術的局限性，增加其檢測的可靠性，也許應該進行 下列工作：(1)加強基礎理論研究，尋求新的突破。由對缺陷的觀察、積累、分類中總結、 研究出規律性缺陷和偶然性缺陷的形成機制，力學、聲學特征、特性以及對各種超聲波束的 反應。特別應加強對力學、聲學“逆問題”的“反演”研究，力求找出可供作為新型超聲波 探傷儀物理基礎的力學、聲學新規律、新理論，以及可使其實現的電子學辦法、線路。(2) 研制開發新型超聲波探傷儀。根據力學、聲學中的新發現、新規律設計、開發新型超聲波探 傷儀器、換能器和附屬輔助設備等。借鑒渦流探傷儀經驗，將目前的超聲波擴展為雙頻、 多頻……，再利用相位頻譜等技術以增加超聲檢測的物理量，來獲得更多判斷缺陷的依據。 改進現有超聲探傷儀設計，使其具備目前探傷工藝中的某些經驗和技巧。(3)促進廣大探傷 人員的經驗交流、技術探討。在廣泛搜集成功經驗和失敗教訓的基礎上，建立全國超聲波探 傷實踐信息庫，制成各種軟件供生產線上的超聲探傷人員使用。(4)不斷更新和修訂各 種超聲波探傷的標準、規范，使之更加符合生產實踐的現狀和發展，特別是應在其中補充有 關可靠性的內容。(5)在各種培訓教材、雜志、書籍中首先應如實介紹當今超聲波探傷技術 原理上的局限性和可靠性，承認今天超聲波技術對缺陷的定量、定性還是相當無能的，歡迎 和鼓勵有志青年不斷探索并有新的突破，使超聲波探傷技術的局限性逐步降低，可靠性不 斷提高。