海工小徑管超聲相控陣檢測數據判讀方法

李 男，盛振國，李 陽

（1.中國船級社質量認證公司，北京 100007；2.中國船級社，北京 100007）

射線檢測作為海工項目中薄壁小徑管的常規檢測技術，由于操作過程需要隔離防護、拍片、洗片等工序，工作量較大，檢測工作已逐漸成為生產的瓶頸。因此，以一種更優更高效的無損檢測方法來部分或者全部替代射線技術就成為小徑管質量監督檢測工作亟待解決的問題。

大量的試驗室及工程現場檢測工藝研究結果表明，基于超聲相控陣（PAUT）的無損檢測新技術在解決海工小徑管檢測問題上具有突出優勢，該技術檢測精確度、檢出率以及檢測效率均大幅度提高，與射線技術相比沒有電離輻射，在檢測時不必中斷周圍其它位置的生產流程。該技術同時具有數字化保存檢測結果，可對檢測結果進行離線分析的功能［1］。

文章研究超聲相控陣技術檢測薄壁小口徑管對接焊縫，通過對優化判讀方法前后的統計結果進行分析，研究和總結出適用于小徑管超聲相控陣檢測數據的判讀方法［2］。

1 檢測過程

試驗使用便攜式相控陣設備，采用帶磁性輪和編碼器的手動掃查器，掃查裝置工作圖見圖1。檢測工藝分為雙側工藝和單側工藝，具體工藝參數設計在文獻［3］中有詳細描述。檢測對象是在某海管生產車間隨機抽取的60道海管對接焊縫。焊縫形式包括直管對接焊縫、直管與彎管對接焊縫、直管與法蘭盤對接焊縫三種。

由于現場條件限制，此次現場檢測對比工作對選中的11道焊縫進行了射線拍片。拍片焊縫主要選取相控陣檢測中發現有明顯缺陷的焊縫，部分為隨機指定試樣。拍片試樣及焊縫參數見表1，其中焊縫材質均為碳鋼，坡口形式為單V坡口。

圖1 掃查裝置工作圖

表1 拍片焊縫參數 mm

2 檢測結果統計

現場檢測試驗主要針對11道試驗焊縫進行超聲相控陣（以下簡稱PA）檢測和射線檢測（以下簡稱RT），然后對檢出率進行統計對比。

為保證對比的可靠性和科學性，試驗對比過程中，相控陣檢測操作人員首先對現場試驗數據進行初步粗判，并統計缺陷信息；船廠技術人員負責射線拍照，提供射線底片，再將兩種技術的檢測結果進行對比。相控陣檢測工藝人員根據對比結果，復查超聲相控陣檢測原始數據，重點分析粗判結果與射線結果不一致的部位，調整和優化數據判讀方法后重新進行數據判讀，并分析統計對比結果。

2.1 缺陷粗判統計結果

為確保工廠生產進度，同時為有效提高現場檢測的工作效率，現場檢測人員會在檢測現場進行數據的初步判讀，即缺陷粗判。在被選擇的11道焊縫中，RT檢出缺陷39處，PA現場粗判共檢出缺陷36處。兩種檢測方法粗判比對結果為：RT檢測缺陷數為39；PA粗判缺陷數為36；兩種方法對應缺陷數為28；PA誤判缺陷數為2；PA漏判缺陷數為10；PA檢出RT未檢出缺陷數為5。其中，誤判缺陷是指RT結果中沒有任何顯示，而在PA判讀結果中存在，且對原始數據進行核對，確認信號為誤判的缺陷統計項。漏判缺陷是指RT結果中有明確的缺陷指示，而PA檢測結果中未有效判出的缺陷。PA檢出RT未檢出缺陷是指RT結果中沒有顯示，而在PA數據中存在明確顯示，且對原始數據進行核對，確認信號判讀無誤的缺陷統計項。

2.2 誤判及漏判原因分析

在11道焊縫的PA方法數據判讀中，共出現兩次缺陷誤判。經查，誤判缺陷均為根部問題。主要原因是根部幾何形狀會形成不規則反射信號，而該信號隨著根部形狀的變化，反射強度和回波角度也不斷變化，甚至可能消失，而探頭放置位置、焊縫幾何形狀的變化都會導致根部幾何信號的前后位移，因此，該位置容易導致誤判。

幾處缺陷的漏判主要是由于類似單個氣孔的尺寸很小的點狀缺陷波幅很低，超聲技術很難甚至根本無法檢出，這是由技術本身的屬性決定的。同時，部分RT檢出而PA未檢出缺陷經CB/T 3559－2011標準判定，并非超標缺陷，故對檢測結果無實質影響。

另外，判讀人員經驗不足也是其中不容忽視的原因。

2.3 優化后缺陷檢出統計

基于以上粗判的統計結果，對數據判讀方法進行調整和優化，有效排除人為因素干擾，且基于超聲標準進行檢測，去除由于原理性限制而無法檢出的非危害型缺陷。經過改進和優化后的缺陷數據判讀情況為：RT檢測缺陷數為39；PA優化判讀缺陷數為42；兩種方法對應缺陷數為38；PA漏判缺陷數為1；PA檢出RT未檢出缺陷數為4。

3 判讀方法的改進和優化

針對小徑管相控陣檢測數據的特點，使用科學合理的數據判讀方法是提高判讀質量，避免誤判和漏判的基本保證，下面就對數據判讀前的準備工作和判讀時應遵循的基本原則進行簡單介紹。

3.1 數據合格性判別

在判讀開始前，首先需要對數據合格性做出判別。數據合格性主要指在掃查前設備校驗和設置校準無誤的基礎上所采集的數據質量是否滿足判讀要求，其主要包含數據的耦合情況及數據是否存在連續丟失兩方面內容。耦合情況及數據丟失情況均可通過數據的B掃描視圖進行判斷，若B掃視圖上在某一長度區域內存在波幅較低的發白區域，則表示耦合不良，如圖2所示，該區域越大、波幅越低，耦合情況越差，數據質量就越差。若B掃視圖上出現豎直方向的黑線或白線則表示數據丟失，如圖3所示。當耦合不良的長度大于整段數據長度的5%或數據存在影響判讀的連續丟失時，視為數據不合格，應對該焊縫進行重新掃查。

圖2 耦合不良時的B掃圖

圖3 數據丟失時的B掃圖

3.2 典型缺陷信號舉例

數據合格性判別完成后，若數據質量滿足判讀要求，就可以對數據進行判讀。判讀時應采用先粗判再精判的方式，使用數據融合文件及視圖進行缺陷粗判，利用發現可疑信號一側的數據對指示信號進行精確地判斷和定量［4］。

圖4為單、雙側工藝數據融合圖的示例（不同缺陷），圖中圓圈內為典型缺陷信號，兩圖上部均為相控陣檢測數據融合圖，下部為RT原片。

3.3 數據判讀原則

圖4 單、雙側工藝數據融合圖示例（不同缺陷）

（1）原則1：信號必須位于焊縫輪廓內才能作為缺陷信號考慮。考慮到熱影響區和掃查偏差，可有2～3mm的允許余量。因為管壁薄，干擾波較多，所以焊縫輪廓以外的信號全部剔除，便于現場操作。判讀時焊縫輪廓內部信號應優先確認，處于輪廓邊緣的信號在判別時應與整個焊縫相同位置的指示信號比對，避免誤判。

如圖5中二次波和四次波區域都有明顯信號顯示，且完全處于焊縫輪廓內，水平距離相同，波幅較高，應為同一個缺陷的二次波和四次波，B掃圖中信號也很明顯，是較為明確的缺陷信號。

圖6中圓圈內信號雖僅在二次波區域有顯示，但完全處于焊縫輪廓內，且波幅較高，故也為缺陷信號。而類似圖6（b）中矩形框區域內的信號完全處于焊縫輪廓外，為非缺陷信號，不予考慮。

（2）原則2：信號的識別要結合多次波，一次波和二次波判別，三次波和四次波作為參考依據。若一次波和二次波區域的信號在三次波和四次波區域有對應信號顯示，則可判定為缺陷［5］。如圖7所示，7（a）中上、下圈內分別為某缺陷的一次波和三次波，7（b）中上、下圈內分別為二次波和四次波。

圖5 某缺陷的二次波和四次波信號

圖6 不同缺陷的獨立二次波信號示例

（3）原則3：進行雙側掃查時，同一信號在兩側數據中的位置應存在對應關系，即如果一側處于離探頭較近的位置則另一側應處于離探頭較遠的位置。由于被檢管子壁厚較小，所以可能存在一定偏差，故掃查過程中偏移距離精度的保持是保證該原則有效的基礎。如圖8是同一缺陷的處于探頭不同位置的信號，其在兩數據中的位置對應比較準確。

圖7 某缺陷的一至四次波形

圖8 處于探頭不同位置的缺陷信號

4 結語

從優化前后的相控陣數據判讀結果可以明顯看出，數據判讀方法對最終的檢測結論起著至關重要的作用，科學合理的判讀方法是保證判讀結果忠實于實際檢測結果的必備條件，方法得當可以有效提高數據判讀質量，降低誤報率和漏報率，同時有效提高數據判讀效率。

另外，超聲相控陣檢測中，數據判讀人員的判讀水平和實際經驗也是很關鍵的影響因素，必須經過大量的現場數據判讀訓練，不斷積累判讀經驗，充實和改進判讀方法，提高數據判讀水平。

［1］李紹芬，鄭紅.用超聲波對小徑管焊縫檢測的探討［J］.無損探傷，2001（1）：43－44.

［2］單寶華，歐進萍.海洋平臺結構管節點焊縫超聲相控陣檢測技術［J］.焊接學報，2004，25（6）：35－38.

［3］李陽，唐創基，李男，等.相控陣超聲檢測技術在海工小徑管對接焊縫檢驗中的應用［J］.無損檢測，2013，35（9）：41－44.

［4］胡坤芳.判斷超聲波探傷缺陷的幾種方法［J］.貴州工業大學學報（自然科學版），2008（5）：87－89.

［5］Gilmore R S.Industrial ultrasonic imaging and microscopy［J］.Journal of Physics D：Applied Physics，1996，29（6）：1389－1417.