管道環焊縫衍射時差法與爬波法組合檢測應用研究

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1 前言

衍射時差法超聲檢測技術 （Time of Flight Diffraction，簡稱TOFD），是一種綠色環保型數字成像檢測方法，具有可靠性好、靈敏度高、定量精確、檢測效率高、成本低、可記錄性等優點，在厚壁管道環焊縫檢測中可代替射線檢測。但在TOFD檢測時存在掃查面盲區，嚴重影響對掃查面的表面及近表面缺陷的識別。為了解決這一問題，本文通過理論分析和試驗驗證，對TOFD與爬波檢測技術組合檢測法進行研究，發現該方法可有效解決TOFD檢測掃查面盲區問題，從而為TOFD檢測技術在管道環焊縫的應用提供有益參考。

2 現狀分析

2.1 TOFD 檢測工作原理

TOFD檢測采用一收一發雙探頭模式，分別對稱布置在對接焊接頭中心兩側；發射探頭產生波束沿最短途徑傳播至接收探頭的波稱為直通波，波束傾斜入射到工件底面反射后至接收探頭的波稱底面反射波；發現缺陷后在缺陷上下端點產生衍射信號被接收探頭接收，通過信號處理轉換為可分析、存儲的灰白色數據圖像，見圖1。

圖1 焊縫TOFD檢測聲場波傳播途徑示意圖

2.2 管道焊縫TOFD檢測存在問題

采用TOFD技術對管道環焊縫進行檢測時，因受結構的限制，TOFD探頭只能放置在管外側檢測。由于掃查面盲區的存在，造成管道環焊縫外表面和近表面缺陷的不易識別，因而需要采用一種有效的輔助方法進行補充檢測。

3 TOFD檢測盲區影響分析

盲區是指TOFD檢測時，被檢測區域范圍內不能發現或識別缺陷的部分，詳見圖2。由圖2可見，在厚度方向上存在掃查面盲區高度（hs）和底部盲區高度（△h）。

3.1 底部盲區影響分析

經理論計算和試驗分析，如果采用規格為5MHzφ6mm的TOFD探頭，對管道壁厚為20～50mm焊縫檢測時，最大底部盲區高度均小于1mm，按照標準NB/T47013.10-2015的要求，不需附加其他檢測方法。因此對管道對接環向接頭進行TOFD檢測時，不考慮底面盲區的影響。

3.2 掃查面盲區影響分析

掃查面盲區是TOFD檢測固有的特征之一，是由直通波寬度引起的掃查面不易識別區域，以檢測區域內無法識別出缺陷高度值表征（圖2）。主要是因為受到直通波寬度的影響，導致掃查面側的表面和近表面缺陷隱藏在直通波中不易識別。

圖2 底部盲區和掃查面盲區示意圖

3.2.1 掃查面盲區高度理論計算分析

掃查面盲區高度理論計算分析，按公式（1）進行計算。

式中：hs——掃查面盲區高度，mm；

c——聲速，mm/μs；

S——兩個TOFD探頭入射點間的距離（PCS）的一半，mm；

tP——直通波脈沖時間寬度（周期數/頻率）。

為使實證分析結果更加準確，對數據進行以下篩選：刪除已注銷或失信的企業信息；刪除從業人員數低于10人的微型企業信息；刪掉ST和?ST等企業信息，防止財務困境對結論的影響和干擾；刪掉證監會2012版行業代碼為J66、J67、J68、J69的金融類企業；刪掉重要財務指標缺失嚴重的企業信息。

直通波脈沖時間寬度tP值，1.5個周期時取0.3μs，2個周期時取0.4μs；縱波聲速c為5.90mm/μs時，掃查面盲區高度按公式（1）計算，求得不同管壁厚的掃查面盲區高度見表1。

表1 掃查面盲區高度理論值與實測值對照表

由表1可知，掃查面盲區高度主要受直通波脈沖時間（tP）、探頭頻率（f）、兩探頭入射點間距離（PCS）變化的影響，當直通波脈沖時間寬度tP值為2個周期時，掃查面盲區高度最大值為11.71mm。

3.2.2 掃查面盲區高度試驗分析

選擇規格為5MHzφ6mm的探頭，折射角為60°和70°的楔塊配置，并在掃查面盲區測試塊上進行測試試驗。選擇不同的PCS值，分別對埋藏深度為3、4、5、6、7、8、9、10mm，直徑為φ2mm，長度為30和40mm的側孔進行埋藏缺陷識別能力測試；在對開口深度分別為1、2、3、4、5、6、7、8mm，開口寬度為0.2mm、長度為20mm的開口矩形槽進行開口深度識別能力測試；其測試效果如圖3所示，測試結果見表1。

由表1可知，掃查面盲區高度理論計算值和實測值比對，實測值最大為8mm，與理論計算最大值11.71mm相比誤差較大，主要原因是計算時tP取值受到周期數、頻率等多個因素影響，有一定的誤差。

圖3 TOFD檢測掃查面盲區高度測試圖

4 爬波技術可行性分析

4.1 爬波產生機理

爬波檢測技術是以超聲波為物理基礎的一種高效檢測方法，其產生機理：當縱波從第一介質以第一臨界角27.6°附近的角度入射到第二介質時，在第二介質中同時存在側向縱波和橫波，此時把沿介質表面下一定距離處、在橫波和側向縱波之間傳播的波稱為爬波（見圖4），其特點如下：

（1）爬波波束為縱波，聲束角度約在80°左右，與工件中垂直方向的裂紋幾乎成90°，易于檢測垂直性裂紋；

（2）爬波不受工件表面粗糙度的影響，具有對表面和近表面缺陷非常敏感的優點；

（3）爬波有效覆蓋深度范圍為0.5～12mm，水平爬行最大距離為80mm，滿足焊縫近表面檢測；

（4）爬波探頭沿焊縫長度方向行走時，形成C掃描數據成像，可測量缺陷長度和位置。

圖4 爬波產生機理示意圖

4.2 爬波檢測工作原理

爬波法檢測技術是利用超聲爬波技術原理對焊縫表面或近表面缺陷進行檢測的一種方法，使用兩個自收自發雙晶探頭對稱放置工作模式，如圖5所示。當無缺陷時，無A掃信號出現；有缺陷存在時，在波束轉播水平方向出現A掃信號。

圖5 工件中爬波法檢測超聲波傳播途徑與A缺陷掃描示意圖

4.3 爬波檢測深度比對試驗

采用自收自發聚焦爬波探頭，規格為ZKCK-PB-5MHz 27°×2， 測試對象為 φ219×27mm 表面矩形槽，深度分別為 1、2、3、4、5、6、7、8mm，觀察C掃描圖譜中可識別最小深度為1mm的表面矩形槽，見圖6。爬波與TOFD的掃查面盲區深度測試結果比對見表2。

圖6 φ219管道掃查面盲區測試——爬波掃查圖像

表2 爬波與TOFD掃查深度測試對比結果

4.4 結論分析

由表2可知，爬波檢測可識別最小深度為1mm的開口矩形槽，滿足NB/T47013.10-2015標準規定，掃查面盲區高度小于等于1mm的要求；經試驗，爬波檢測最大可識別埋藏深度為12mm側孔，彌補了TOFD檢測掃查面最大盲區高度8mm的不足。因此，采用爬波檢測技術可以有效解決TOFD掃查面盲區問題。

5 應用

5.1 TOFD儀器和分析軟件要求

（1）TOFD儀器內的操作系統應具備TOFD+爬波組合檢測功能；

（2）數據分析軟件Y應具備TOFD和爬波檢測數據的分析評定功能。

5.2 爬波探頭的測試及調校

（1）爬波探頭前沿長度測試，采用CSK-1A試塊上的R100或R50進行測試；

（2）儀器掃描時基線調節及靈敏度設置，在矩形槽對比試塊上進行。

5.3 組合檢測模式設置

設置方法：將一對TOFD探頭和兩個雙晶爬波探頭，分別按照預定的探頭間距調整，并對稱固定在管道專用掃查裝置上進行組合檢測，探頭布置如圖7所示。

圖7 爬波探頭和TOFD組合檢測布置示意圖

5.4 組合檢測應用數據圖像效果

圖8為管道環焊縫TOFD與爬波組合檢測效果圖。由圖可見，采集的TOFD檢測數據圖像，是焊縫縱截面視圖即B—掃描顯示，圖像為灰白呈現；采集的爬波法檢測數據圖像，是焊縫平面視圖即C—掃描顯示，圖像為藍紅呈現，無缺陷處為藍色顯示，缺陷處為褐紅色顯示。

5.5 組合檢測技術特點

TOFD與爬波組合檢測，可實現一次全覆蓋檢測；檢測效率高，每道只需5～10min；綠色安全環保，可與其他施工工序平行作業；檢測成本低、勞動強度小，與射線檢測相比可降低60%以上；檢測可靠性好，缺陷檢出率高；缺陷定位準確，定量精度高；檢測數據顯示直觀、重復性好、可實時分析、遠程分析、打印和存盤長期保存。

圖8 管道環焊縫TOFD與爬波組合檢測效果圖

6 結論

TOFD與爬波組合檢測技術，通過在340萬t/a渣油加氫裝置中規格為 φ219×20mm～φ610×55mm等高壓厚壁管道環焊縫檢測應用，解決了TOFD檢測固有的掃查面盲區問題；實現管道環焊縫100%全覆蓋檢測，提高了檢測效率、降低了檢測成本，保證了檢測質量；取得了良好的經濟效益和社會效益，在石油、化工工程裝置管道無損檢測中具有良好的發展前景。