ASME BPVC V-2021《鍋爐及壓力容器規范 第5卷 無損檢測》在I-121.2條款中對FMC（全矩陣捕獲）相關的名詞術語進行了定義，與FMC相關的章節主要有第四章強制性附錄XI“全矩陣捕獲”和非強制性附錄F“全矩陣捕獲焊縫檢測”兩部分。
定義
ASME BPVC V 在I-121.2條款中對基本名詞術語進行了定義，FMC被定義為一種矩陣，在該矩陣中使用陣列孔徑內的一組發射和接收模式組合對相干A掃描時域信號進行記錄（捕獲）從而使每個單元充滿A掃描。
不難看出，根據此定義，諸如平面波激發（PWI）、半矩陣采集（HMC）、稀疏矩陣采集（SMC）等數據采集方式都是歸入FMC中的。
相應地，標準定義了基礎FMC，即每個收發組合中激發和接收均只有一個晶片，也就是平常儀器廠商宣傳的“FMC”。此外，還有一種傳統FMC，即在基礎FMC下，發射晶片組與接收晶片組相同的采集方式。
波幅保真度也是FMC新引入的概念，主要用于描繪數據重建過程對于波幅的影響。
成像路徑（也稱模式，對于全聚焦檢測，“模式”一詞優于路徑）也是FMC檢測的關鍵詞，是數據重建的基礎參數。以TFM（全聚焦）為例，由于其成像要依靠基于ToF（聲時）的大量計算，需要利用各個發射接收組合的聲線來計算ToF從而在原始A掃中定位各個點的對應信號，此時準確的聲線路徑就非常重要。例如TT模式就是橫波發射和橫波接收的組合，類似相控陣超聲或傳統超聲中的一次波。
不同成像路徑的選擇也賦予了FMC較相控陣超聲更強的檢測與分析能力。例如，TTT自串列模式指探頭發射橫波抵達底面反射（橫波）后再由反射體反射（橫波）回到原探頭，此模式在傳統超聲和相控陣超聲中往往需要特定的掃查設置才能實現，而利用FMC數據和TFM算法可以直接在常規掃查時（或掃查后）與TT模式同步生成。
FMC相關附錄
ASME BPVC V標準附錄F為非強制性，其描述了焊縫FMC檢測的過程和技術，解釋了FMC檢測的數據采集和圖像重建。與國內標準NB/T 47013.15-2021《承壓設備無損檢測 第15部分：相控陣超聲檢測》中全聚焦檢測概念有所不同，ASME標準明確將全矩陣捕獲和后期圖像重建算法解耦。對于FMC數據的處理，該標準允許使用不同的圖像重建算法，滿足附錄XI中的校準要求并通過附錄IX規程驗證即可。考慮到當前主流的后處理是全聚焦，除特殊說明外文章中后處理均以TFM為例。
此外，附錄F中對各個技術關鍵點進行了解讀。而附錄XI則是強制性附錄，規定了進行FMC檢測時需執行的要求，也是筆者討論的重點。該標準從通用、設備、技術、校準、檢測、評定及文檔等方面對FMC檢測做出規定。其中最核心的是校準和評定兩個部分，對于檢測工藝設置，則需重點關注如何同時滿足這兩部分的要求。
ASME BPVC V附錄XI通用要求
附錄XI規定，ASME BPVC V第4章超聲檢測的要求同樣適用于FMC檢測，另作規定的除外。實際檢測中，檢測記錄、報告、某些校準試塊及檢測后復核要參考該標準第4章中的要求。
1、規程
附錄XI-421條款規定了編制及更新FMC規程的要求。與TOFD或PAUT一樣，FMC規程需描述所有適用的重要及非重要變素，且規程需驗證后才可使用。
重要變素包括受檢焊縫幾何構造、檢測表面、技術、校驗、人員演示（要求時）、區分幾何回波的方法、儀器制造商及型號、軟件版本、探頭制造商及型號、楔塊尺寸、檢測區域、實現波幅保真度方法、幀描述、后處理網格描述、圖像重建技術、掃查計劃、掃查器制造商及型號、掃查技術、掃查吸附導向機構、缺陷定量方法等。
非重要變素包括焊縫數據參考、人員資格要求、表面狀況、耦合劑品牌或類型、檢測后清洗、自動報警和/或記錄設備（如有）及檢測記錄含基本校準記錄等。
根據T-421.2節的要求，重要變素發生改變時，規程需要重新驗證。但重新驗證對于軟件有所例外，僅當軟件更新影響信號顯示、記錄或自動處理時才需進行驗證，其他情況無需重新驗證規程。另外，軟件更新記錄應保存好且可供審查。
對于規程驗證，應按第4章強制性附錄IX和第1章T-150(d)的要求執行。一般來說，規程驗證需要AI（授權檢驗師）、FMC II級/III級檢測人員及一位監督FMC III級人員共同在場（不同于檢測人員），其中FMC II級/III級檢測人員應在監督FMC III級人員監督下掃查至少一塊演示試塊并評定結果。
規程驗證中所用演示試塊至少應包含以下位置的面狀模擬缺陷：一個位于上表面、一個位于下表面、一個（分區掃查時每區一個）埋藏于焊縫中且所有缺陷尺寸不得超過IX-435.6中的要求。規程驗證是否通過則取決于整個過程中對反射體的定量、定位、方向、數量及定性是否取得監督III級人員和AI的滿意。規程驗證的相關記錄應形成文件并由監督III級人員和AI簽署。
2021版的ASME標準新增了演示試塊埋藏缺陷的要求：埋藏缺陷應為面狀缺陷，且需布置在坡口處，角度公差與坡口角度公差一致；對于非單一角度的坡口，面狀缺陷需布置在焊縫中心線上并垂直于檢測面。此外，所有缺陷都必須與試塊邊緣間隔25 mm以上。XI-421.2.1條款對埋藏缺陷提出了很高的要求，尤其在加工時無法在試塊邊緣處使用EDM（電火花加工），這無疑給試塊制作帶來了很大難度。
2、掃查計劃
附錄XI要求掃查計劃至少包含檢測區域覆蓋情況、成像路徑、圖像網格密度、焊接接頭幾何形狀、掃查次數及探頭位置、路線和零位。對于TFM來說，圖像網格密度指ROI（關注區域）的分辨率或ROI像素尺寸。一個典型的FMC/TFM設置（單次掃查）如圖1所示，除了圖1中所示的信息，掃查計劃還應包含圖2中所示的布局和路徑信息。
圖1 典型的FMC/TFM設置（單次掃查）
圖2 布局及掃查路徑信息示例
3、人員資格（采集人員、數據處理與評定人員）
附錄XI對人員資格的要求與相控陣超聲檢測類似。對于產品檢測數據采集人員，并不要求持有FMC證書，但需要其為UT II級人員且經過儀器使用培訓同時應具有并演示其正確采集檢測數據、批準設置、執行校準等方面的能力；對于執行數據重建的人員（無論實時還是檢測后的后處理）或分析、解釋數據的人員，則必須是FMC II級或III級人員。
按2021版ASME標準，FMC III級人員資格需要持有UT III一個號書，且經80小時培訓，具備320小時的FMC實踐經驗并通過FMC通用考試、FMC專業考試、FMC實踐考試（編制規程）及FMC演示考試后才可被認定。FMC II級人員需持有UT II級證書，經80小時培訓，具備320小時的FMC實踐經驗，并通過FMC通用考試、FMC專業考試、FMC實踐考試（操作技能）即可。
設備
1、探頭
檢測所用探頭應為規程驗證中所用探頭。對于探頭本身，晶片一致性需在3 dB以內，超出則視為失效。每16個晶片允許存在1個失效晶片，但失效晶片不得相鄰。需要注意的是，晶片一致性要求與2019版標準要求略有不同，要求更為嚴格。
2、校準試塊及標準試塊
標準試塊的選用并未有太多要求，常見的國內外標準試塊都可以使用，試塊主要用于設置儀器范圍和校準延遲。因為聲速的小幅偏差都可能導致TFM成像波幅的大幅下降，所以使用TFM時，標準試塊的材料應盡量與工件材料一致。
附錄XI提出了獨特的校準試塊設計，FMC校準試塊反射體布局如圖3所示，與相控陣超聲的掃查試塊不同，該試塊是強制使用的。試塊中需布置3種反射體，即兩個側鉆孔（橫孔）、一個通槽（縫隙）和一個表面槽（凹槽）。側鉆孔用于分辨率驗證及檢測靈敏度設置，但ASME標準也允許使用其他標準試塊上的側鉆孔，只需確保所用標準試塊上側鉆孔深度位于檢測區域的中間1/3處即可。另外，校準試塊可以增加額外的反射體，但需確保該反射體不用于替代規定的反射體，同時不影響規定反射體的超聲信號，且需在規程中描述附加反射體的目的。
圖3 FMC校準試塊反射體布局示意（可根據使用需要調整反射體位置）
技術
接觸或水浸法均可使用。對于數據重建，重建算法需與規程驗證時的一致。如需采用多種重建算法則應滿足下列4點要求：
① 重建技術使用原始規程驗證數據成功演示；
② 重建技術寫入規程；
③ 已采集的檢測數據足以完成重建，無需重新采集；
④ 成像路徑在檢測前已校準。
校準
1、儀器校準
系統校準應在首次使用前執行并且每年進行一次，此項校準應按儀器廠家的說明書或操作指導進行。這點在執行時有比較大的靈活度，可與所用設備的廠家溝通具體的儀器校準方法與驗收要求。
2、通用校準
通用校準部分包含系統校準、楔塊校準、聲速和延遲校準、DAC/TCG校準和性能驗證等。
超聲系統
對于整個檢測系統，波幅保真度應控制在2 dB以內。需要注意的是，附錄XI后文規定了后處理成像的像素尺寸應小于板厚的1%，實際設置時往往需要一并考慮，以二者所需像素數量大（或像素尺寸小）的為準。
楔塊
對于楔塊的規定主要是針對弧度楔塊的校準問題，滿足一定條件的前提下允許使用平楔塊進行校準并使用弧度楔塊來檢測。其中最苛刻的一個條件是檢測用的弧度楔塊需要在曲面試塊上進行驗證，曲面試塊應具備與靈敏度校準時相同的反射體且波幅和深度偏差應在10%以內。
聲速及延遲
附錄XI允許檢測時在工件上調整聲速和延遲，前提是規程驗證時也是如此且將其寫入規程中。標準允許在工件上校準聲速主要是因為聲速對于TFM是非常重要的參數，會直接影響到成像質量及波幅，故使用工件校準聲速時，可獲得最準確的聲速值。
DAC/TCG
對于FMC檢測的TCG曲線，附錄XI的規定很靈活，可使用也可不使用，一旦使用則需在規程中明確規定。實際校準過程中可能會遇到聲場不均勻的問題，例如對于薄板焊縫檢測，第1個側鉆孔波幅可能明顯低于其他深度孔的波幅，使用TCG校準聲場就非常有必要。
性能驗證
性能驗證包含三個方面，即分辨率驗證、成像路徑驗證和定量驗證。此項校準需完成全部三項性能驗證。
分辨率驗證需使用FMC校準試塊，需確保試塊中的兩個側鉆孔能夠有效分辨。FMC校準試塊的側鉆孔可用XI-435章節中所述的其他試塊（如IIW、IIW PA Block Type A、ASTM E2491、ISO 19675等）上的側鉆孔替代，但所用側鉆孔深度需要在檢測區域的中部1/3范圍內。
附錄XI將成像路徑驗證分為兩類，偶數成像路徑（如TT、LL、TTTT、LLLL等）和奇數成像路徑（如TTT、TLL、TLT、TTTTT等）。對于偶數成像路徑，需檢出側鉆孔及表面槽；對于奇數成像路徑應檢出通槽。
通過在FMC校準試塊上的一系列試驗，筆者總結出對各個反射體橫波檢測所用的成像路徑清單，不同反射體的成像路徑選擇如表1所示。但需注意的是，表1僅為示例，試驗時使用了當前主流的一些成像路徑組合，未列出全部可用的成像路徑，可用的成像路徑組合有很多種。
表1 不同反射體的成像路徑（模式）選擇
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反射體 |
明確符合標準要求成像路徑 |
其他成像路徑 |
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側鉆孔 |
TT+TTTT |
TTT模式會有顯示，但無法正常分辨，不宜視為檢出 |
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備注：不得單獨使用TT； |
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基于對稱性，TTTT模式可通過設置TT模式深度范圍為板厚至兩倍焊縫厚度（考慮余高）替代； |
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注意：TTTT模式僅包含母材厚度而不包含余高是不符合標準要求的，此時覆蓋不到余高區域。 |
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下表面槽 |
TT |
TTT可檢出下表面槽，成像優于TT |
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注意：TTT模式并非標準要求要檢出下表面槽的模式，下表面槽必須在偶數路徑中檢出。 |
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通槽 |
TTT+TTTTT |
TLL、TLT等路徑可用于對通槽成像 |
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備注：奇數路徑成像對缺陷走向有較高要求，校準中準確顯示通槽并不代表對各類實際缺陷有較好的顯示，輕微的角度變化都可能導致成像波幅大幅下降。 |
幾種常見自串列模式對通槽的成像結果如圖4所示，圖中淺色信號為偽影。
圖4 幾種常見自串列模式對通槽的成像結果（淺色信號即偽影）
需要特別指出的是，脈沖回波模式下成像路徑的驗證需要在大于前端距離的位置上成像，也就意味著校準時探頭前端距需要大于掃查計劃中的前端距；但對置串列布局模式下（兩個相控陣超聲探頭相對放置且配置為一收一發，類似于TOFD布局）要求兩探頭前端距一致，這主要是由于對置串列模式僅用于缺陷測高且需要缺陷位于兩探頭正中位置。
對于定量驗證，應掃查表面槽并對其長度和高度定量。測得長度及高度不得小于其實際尺寸。測得高度不得超出實際高度的50%或4 mm中的較小者。測得長度不得超過實際長度的50%。
3、其他校準
此外，附錄XI還規定了靈敏度校準、編碼器校準和系統復核的要求。
靈敏度校準可以使用一個側鉆孔完成，將其回波調到滿屏幕高度的50%或更高即可，但不得飽和，其他反射體則可以飽和。
編碼器校準與相控陣超聲校準一致，編碼器移動500 mm的誤差不得超過1%。
對于系統復核，附錄XI規定單次或連續檢測后需復核晶片一致性及波幅保真度，復核結果應符合校準時的要求。
附錄XI中雖未對超出校準要求的處理做出規定，但附錄XI是在第4章基礎上執行的，故超出要求時應按T-467中規定對超出校準范圍的情況進行復探。
檢測
對于現場檢測的實施，在標準從覆蓋、FMC幀、掃查、記錄、橫向缺陷和檢測靈敏度幾個方面做出了規定。
對于覆蓋，附錄XI要求使用線性編碼掃查對檢測區域進行掃查，需符合掃查計劃，整體與相控陣超聲的掃查方式一致；對于FMC幀，要求幀具有足夠大尺寸能覆蓋檢測區域，同時像素密度也要足夠高以滿足波幅保真度要求；對于掃查，需平行于焊縫進行掃查，掃查時探頭前端距應使用掃查器固定，數據丟失不超過2線/25 mm，如果需要進行分區掃查，相鄰分區應覆蓋10%；對于編碼步進，被檢測板厚不超過75 mm時，步進不得大于1 mm；被檢板厚超過75 mm時，不得超過2 mm；在橫向缺陷的檢測方面，標準允許使用其他超聲技術進行檢測，比如常規超聲；最后，檢測靈敏度不得低于規程驗證時的設置，但如果確定了檢測方法和工件上的反射體且靈敏度上限及下限經過驗證合格則可在工件上調整靈敏度。要注意的是，使用工件調節靈敏度的具體方法需寫入規程。
評估
這部分是標準中比較重要的，需要注意評估的要求不應單獨使用，需要與校準部分結合使用。尤其是使用便攜式儀器時，應在前期設置時就考慮好其相關評估要求。
1、成像路徑
標準要求成像路徑應覆蓋整個檢測體積，允許使用不同路徑組合來覆蓋。標準中雖未明確說明，但一般來說TT和TTTT應完成一次覆蓋，其他串列模式也應完成一次覆蓋。對于覆蓋的范圍，標準規定以-6 dB包含的范圍確認。
需要注意，TT模式覆蓋區域不宜過小，例如TT模式下，板厚為20 mm時不能選擇覆蓋10~20 mm深度，否則較淺的側鉆孔無法顯示出來，不滿足性能驗證中每個反射體需由兩種路徑檢出的要求。
2、直接路徑
使用單一的直接路徑（單獨使用TT或LL模式）覆蓋整個厚度是不被允許的。實際檢測中，ROI雖然可以設置為完整覆蓋整個檢測區域，但FMC檢測并不能超出超聲波本身的物理限制，聲能無法有效覆蓋高角度區域。單獨使用TT或LL模式類似于常規超聲或相控陣超聲中的只用一次波檢測，而一次波是無法完全覆蓋焊縫上表面的。
3、數據密度
附錄XI要求在滿足AF（波幅保真度）要求前提下數據點的空間分辨率不超過工件厚度的1%，即規定了最大像素尺寸不超過工件厚度的1% 。一般應在工藝設置時提前考慮好分辨率，除非具備后期數據處理能力且保存了FMC原始數據才可在后期進行調整。
4、工件體積校正
與相控陣超聲可使用角度C掃或體積校正C掃不同，附錄XI明確要求視圖需要進行厚度和輪廓的體積校正，FMC檢測的C掃圖必須以體積校正C掃呈現。
5、偽影
偽影在FMC檢測中也會出現。對于出現的偽影，如不影響其他信號的評定則可以接受，但需要識別其來源。
對于波型轉換的串列模式，偽影問題尤為明顯，需要特別關注，一些常見的成像路徑對通槽成像的結果如圖4所示，其中自串列模式下可發現一些波幅較低的信號，這些信號就是典型的偽影。以實際FMC校準經驗來看，某些情況下自串列模式的偽影波幅甚至超過反射體或缺陷本身的波幅，使用時需格外注意。
在基本的TT或TTTT模式下也會出現類似相控陣超聲中的偽影，這些偽影一般較容易識別。
6、評定級別
母材厚度小于38 mm時，指示圖像長度超過4 mm則需要評定；厚度大于38 mm但不超過100 mm時，指示圖像長度超過5 mm則需要評定；厚度大于100 mm時，超過0.05T（T為母材厚度）或19 mm二者中較小的時需要評定。
需要注意評定級別不是驗收標準，而是相當于“評定線”，由于ASME規范中FMC檢測的驗收標準都是以基于斷裂力學為基礎的，驗收時不以最高波幅為依據，評定缺陷時與相控陣相同。
7、分層評定
母材有分層時，應調整掃查計劃以最大限度進行檢測。
8、評定設置
評定前需要調整好所有的顯示參數，評定過程中不能再調整參數。
9、定量和分類
與相控陣檢測相同，缺陷需測長測高，并區分埋藏或表面缺陷，具體分類需參照產品建造規范。
文檔
檢測記錄標準在最后規定了FMC檢測需要保存的記錄，主要包括追蹤信息、校準數據、工藝參數及掃查數據四個方面及相關保存要求。
其他說明
1、同一項設置多個條款中提要求的問題
ASME標準將FMC檢測的數據采集與圖像重建解耦，導致不少參數在ASME標準中不同位置處給出了不同要求。而實際檢測中常使用便攜式儀器，FMC設置與TFM設置往往整合在一起，這給標準閱讀和使用帶來了極大的不便。為了滿足ASME標準要求，使用者需要將所有相關條款整合，而不能單獨只看一個條款，具體在前文已有說明。
2、2021版較2019版主要變化
(1) 新增演示試塊缺陷位置
此修訂用于指導用戶從眾多可用的TFM路徑中選擇正確的TFM路徑，并強調正確使用FMC校準試塊中參考反射體。
(2) 探頭晶片一致性
修訂了XI-432.4條款，此修訂提高了探頭晶片一致性要求。
(3) 校準試塊使用
修訂了XI-462.8.2，以澄清FMC校準試塊中反射體的具體用途。
(4) 附加反射體
增加了第XI-434.1.1條款以允許在FMC校準試塊上加工額外的反射體。但是不得使用額外的反射體代替ASME標準要求的反射體。
(5) DAC的使用
增加了XI-462.7，以澄清允許但不要求對衰減進行校正（如DAC或TCG）。
(6) 系統校準
增加了條款XI-461，規定了年度儀器校準。原XI-461關于AF規定已移至XI-462.1并補充了校準的基本說明。
(7) 分區掃查
對XI-471.3(c)進行了修訂，使用FMC進行多次掃描時，要求幀寬度至少有10%的重疊。
3、附錄VIII與附錄XI關系
ASME BPVC V中要求基于斷裂力學驗收標準的超聲檢測需符合附錄VIII要求。但需注意FMC并不適用附錄VIII，在VIII-410條款中明確說明：當斷裂力學驗收標準與FMC技術共同使用時，必須按附錄XI。此外，考慮到FMC校準及成像方式的獨特性，附錄VIII中的規定明顯無法在FMC技術上執行。
結語
ASME標準對FMC（包含PWI、HMC、SMC等）檢測的數據采集和數據重建做出了其獨特的規定，使用時應尤其注意校準過程及校準試塊的制作。
ASME標準將數據采集與數據重建解耦，允許使用者自行選擇數據重建的方式，靈活性非常大，而相應的限制方式是要求規程必須進行驗證，需要在演示試塊上檢測出所有的“合格”缺陷。
使用TFM進行數據重建時，需要進行多組多模式設置，設置需要基于所用儀器的算法，不同儀器設置差別非常大。當前便攜式儀器性能在面對多組TFM時仍要面臨相當大的挑戰，尤其焊縫厚度較大時可能需要對ROI進行分區以便檢測可以正常實施。
