基于TOFD的管道焊縫無損檢測技術研究

楊永鋒 馮挺 邵濤

西安三環(huán)科技開發(fā)總公司 陜西西安 710077

隨著國家經濟的快速發(fā)展，截止2017年中國陸上油氣長輸管道總里程達到2×105km，其中60%～70%的管道服役時間超過20a。油氣長輸管道多為大管徑、厚壁管道，在高溫、高壓、高流速、高腐蝕環(huán)境條件下，焊縫處存在缺陷，在應力和腐蝕的共同作用下，將會出現應力腐蝕裂紋（SCC）、氫致裂紋（HIC）、硫化物應力腐蝕裂紋（SSC）、疲勞裂紋、晶間腐蝕開裂等，最終導致管道失效泄漏，對經濟和環(huán)境產生重大影響。但是，一旦管道在輸送過程中出現了破損、裂痕等情況就極易發(fā)生能源泄露以及爆炸，從而危害到人民群眾的安全，因此，管道焊縫的質量直接影響到了管道結構的整體性和安全性。為了更好地檢查管道焊縫的質量，一般采取管道焊縫的無損檢測技術，無損檢測技術是判定管道焊縫是否合格、完整、安全的關鍵手段，采用合適的無損檢測技術可以更好地判斷出管道的質量。為了更好地減少管道事故，提高管道運輸能源的社會效益和經濟效益，我國需要不斷提高管道焊縫無損檢測技術，從而及時地修復管道焊縫中的缺陷，保證管道焊縫的完整性、安全性、可靠性。

1 管道焊縫概述

管道焊縫主要是指通過適當的物理方式從而連接管道與管道，使得管道和管道兩個固態(tài)物體產生原子間的結合力而連接在一起。管道焊縫是打造大規(guī)模管道系統(tǒng)的關鍵要素，激光焊是常見的管道焊縫技術，具有較高能量、較高精度的特點，可以適用于大口徑的管道焊縫。隨著激光焊縫技術的不斷成熟，激光焊縫技術的應用范圍也越來越廣，并且在管道焊縫過程中也展現出來了更多的優(yōu)良性能，例如防止熱裂和冷裂的能力。激光焊縫技術中的組織晶粒較細，在進行管道焊縫中可以有效地防止熱裂紋的產生，再加上焊縫速度較高管道熱烈變敏感度也會變低，激光焊縫技術加熱區(qū)域小，對于管道焊縫具有著重要的意義，因此激光焊縫金屬成為了管道焊縫先進制造技術，可以將管道焊縫過程簡單化、集中化、自動化[1]。

2 典型焊縫缺陷分析

2.1 表面開口型缺陷

表面開口型缺陷包括：上表面開口缺陷、下表面開口缺陷和貫穿缺陷。（1）上表面開口缺陷。信號特征為1掃描信號中未出現直通波，D掃描圖像中直通波斷開，未檢測到缺陷上端點的衍射信號，僅觀察到與直通波相位相同的缺陷下端點的衍射信號，底面回波信號基本無變化。（2）下表面開口缺陷。信號特征為底面回波消失或中斷，圖像中無缺陷下端點的衍射信號，只有與直通波相位相反的缺陷上端點衍射信號，表面直通波的信號無明顯變化。（3）貫穿缺陷。由于缺陷在試件的上、下表面完全裂開，因此發(fā)射探頭和接收探頭的衍射波信號會完全中斷，直通波和底面回波信號也會中斷，該缺陷相對容易識別。

2.2 氣孔缺陷

氣孔屬于點狀缺陷，按照氣孔數量和分布特點可以分為單個氣孔、密集氣孔和連續(xù)氣孔。氣孔的D掃描圖像為多個獨立的點狀缺陷圖像的疊加，由于缺陷內部充滿空氣，在對應的射線檢測底片上，表現為深淺不一的圓點。

2.3 夾渣缺陷

夾渣缺陷中，小夾渣與氣孔的檢測圖像特征類似，在此不再重復。條狀夾渣缺陷的D掃描圖像比較雜亂，在長度方向會出現1條比較長的直線，但深度不一，且缺陷上端為反射信號，信號較強；缺陷下端為衍射信號，信號較弱。

2.4 根部未焊透缺陷

根部未焊透缺陷與焊縫的坡口型式密切相關，如為X型坡口，則信號圖像位于檢測圖像的中間位置；如為V型坡口，則信號圖像位于檢測圖像的底面位置，屬于下表面開口型缺陷，該缺陷會表現出很強的衍射信號，該信號與底面回波的相位相反，缺陷高度對底面回波的影響較小[2]。

2.5 裂紋缺陷

裂紋缺陷的圖像具有參差不齊的輪廓，其上、下端點的衍射信號既不規(guī)則，也不連續(xù)，端點信號之間還會出現很多雜亂無章的信號，但裂紋缺陷在射線檢測底片上容易識別，一般具有中間略寬、兩端細小的成像特征。

3 基于TOFD的管道焊縫無損檢測技術

3.1 室內實驗與仿真計算

考慮到長輸管道常用壁厚多在10～30mm之間，根據NB/T47013.10—2015《承壓設備無損檢測第10部分：衍射時差法超聲檢測》中的相關規(guī)定，TOFD適用于壁厚12mm及以上的壓力管道及壓力容器檢測。因此根據現場管道的材質、壁厚、坡口型式以及焊接工藝設計了厚度20mm對接焊縫模型和試件，母材為低合金高強度結構鋼16MnR，焊接方式為SMAW，坡口型式為X型，分別在試件上預設上表面開口、埋藏缺陷和下底面開口（較腐蝕更難以檢測到）等人工缺陷。試件解析模型如圖1所示。

圖1 試件及缺陷設置示意圖

TOFD檢測采用美國聲學公司制造的POCK-ETUT檢測儀器，探頭的參數參照NB/T47013.10—2015附錄選擇60°，探頭中間間距取69mm，晶片尺寸6mm，晶片頻率5MHz，掃查方式采用沿焊縫方向非平行掃查。為了更好地進行不停產檢測，分別對管道內部有無油層狀態(tài)下的三種缺陷形式進行檢測和掃描，檢測結果見圖2、圖3。

圖2 無油層狀態(tài)下的TOFD檢測結果

圖3 油層狀態(tài)下的TOFD檢測結果

由圖2、圖3可知，當底部有油垢時，實際掃查結果明顯存在底部反射信號較強的現象，在同等增益的情況下，導致直通波信號偏弱，上表面缺陷不易識別，但如果降低整個增益，又會導致底部缺陷不易檢出。

為了提高缺陷檢測效率，減少噪聲對信號的影響，將深度學習引入信號識別和降噪全過程。其中，小波神經網絡具有較強的非線性映射能力，具有廣泛的適應性，已經在各個領域成功應用，可以對文字、圖像、語音進行有效識別。在此，主要應用小波神經網絡中的閾值去噪功能，基于噪聲和有效信號頻率、幅值的不同，通過對不同類型的小波系數進行閾值處理，高于閾值的小波系數被保留，低于閾值的被清零，從而有效控制噪聲，進行信號重構。

在小波閾值去噪的過程中，最重要的是閾值函數和閾值規(guī)則的選取。對于閾值函數，常用的主要有硬閾值和軟閾值兩種，硬閾值會造成小波系數篩選的不連續(xù)性，容易出現震蕩現象；而軟閾值雖然將輸入、輸出函數轉換為連續(xù)函數，但在小波重構的過程中容易出現奇異點缺失的現象。在此，引入一個折中方案，即采用改進的一致函數，當小波系數低于設置的閾值時，不進行直接置零，而是進行平滑置零處理，可保證加、減閾值后的過渡處理[3]。

3.2 現場測試及結果分析

TOFD檢測將管道按照環(huán)向90°分成了4段，并與常規(guī)射線檢測結果進行對比，其中第1段環(huán)焊縫經TOFD檢測發(fā)現了1處為深度9mm、長度2mm、高度1.1mm的條狀埋藏缺陷和3處底部腐蝕缺陷，射線只發(fā)現了1處缺陷；第2段經TOFD檢測發(fā)現了1處在近表面長約10mm的埋藏缺陷和2處底部腐蝕缺陷，射線只發(fā)現了1處缺陷；第3段經TOFD檢測發(fā)現了1處深度9.6mm、高度2.1mm的面積狀埋藏缺陷和1處底部腐蝕缺陷，射線未發(fā)現缺陷；第4段經TOFD檢測發(fā)現了3處埋藏缺陷和5處底部腐蝕缺陷，射線發(fā)現了2處缺陷。

通過缺陷模型，在室內對20mm試件的對接焊縫進行了缺陷檢測，并針對TOFD檢測結果不易識別出上表面缺陷和底部缺陷的特點，利用小波變化優(yōu)化了模型參數，最后在現場對管道的環(huán)焊縫和角焊縫缺陷情況進行了對比驗證，證明了TOFD可在不停產、不卸料的條件下檢測出更多的缺陷和內壁腐蝕情況，但在實際應用中還有以下問題值得注意：（1）高溫條件對TOFD的影響。目前國際通用的標準中規(guī)定檢測溫度不應超過50℃，但現場實際工況條件基本上均超過該上限溫度，為了符合當前標準法規(guī)的要求，需要考慮溫度因素對檢測結果的影響。（2）國內TOFD標準規(guī)定的適用壁厚下限為12mm，但部分油氣田集輸管道的壁厚往往小于10mm，因此對該類管道使用TOFD檢測時，需要考慮與標準的沖突和演示驗證的問題。

4 結語

為了更好地加強管道焊縫檢測技術，在進行管道焊縫檢測過程中，可以采用紅外線+TOFD超聲波檢測技術，兩種檢測技術通過使用可以有效地解決兩者的不足，相互補充、取長補短，將檢測效果達到極致，我們稱這樣的管道檢測技術為綜合無損檢測技術。