港區輸油管道半自動焊全自動超聲檢測(AUT)工藝的仿真計算與可靠性評估

胡艷華，蔣文新*，詹水芬

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；2.天津東方泰瑞科技有限公司，天津 300192)

管道運輸作為國內危險貨物綜合交通運輸體系的五大運輸方式之一，具有運輸連續、效率高、環境適用性強、污染少、運輸成本低等顯著優點[1]。分析表明，管道運輸的成本為鐵路運輸的1/5、公路運輸的1/20、航空運輸的1/66[2]。因此，港區輸油管道的敷設施工與投產運營，不僅可有效促進港口優勢港航資源與原油煉化、集輸集群的緊密融合，而且對促進港口的多功能全方位轉型，加快建設世界一流港口，串聯地方藍色經濟區具有重大意義。

近年來，港區管道敷設工程量逐年增長，僅以遼寧省為例，截至2018年底，該省共有港區管線1 168條，總長890.63 km。目前，國內山東港口輸油管道已全線建成，年輸油能力高達3 000萬t。港口是水陸交通的集結點和樞紐處，對區域產業發展與結構升級優化、支撐腹地社會經濟快速發展具有重要作用，因此港區管道的安全穩定運行至關重要，一旦管道失效，不但影響港區的安全生產，而且極易造成重大的人員傷亡、財產損失和環境污染，事故后果極其嚴重[3-8]。

全自動超聲檢測(AUT)技術已被廣泛應用于國內油氣管道的自動焊焊接接頭檢測[9-11]。對于半自動焊施工，其焊接工藝、焊縫組織、缺陷類型與分布以及AUT測試要求等均與自動焊施工存在一定差異。目前國內油氣管道自動焊施工主要采用AUT技術，而半自動焊施工則以射線檢測(RT)技術為主，因此急需開展管道半自動焊AUT仿真計算與可靠性評估，論證AUT技術對于半自動焊檢測施工的適用性與可行性[12]。

針對港區輸油管道半自動焊AUT工藝進行仿真計算，結合工程統計數據優化設置仿真缺陷的類型、性質、等效模型、位置、尺寸及其樣本數量，研究分析影響AUT檢測工藝穩定性與合理性的主要因素，模擬不同檢測工藝條件下的聲場分布和缺陷反射回波信號波幅，并以此確定優化的檢測工藝及其參數；在此基礎上，基于可靠性評估理論及其計算模型研究得到95%置信度水平下的缺陷檢出率(POD)分布曲線，并通過95%置信度90%檢出率下可檢測出的臨界缺陷高度對優化的半自動焊AUT檢測工藝進行可靠性評估，定量驗證該工藝對半自動焊焊接接頭檢測的適用性與可靠性，由此可為半自動焊AUT工藝的工程可靠應用提供技術依據。

1 半自動焊AUT工藝仿真計算

仿真平臺采用法國原子能委員會(CEA)開發的CIVA仿真軟件。按照港區輸油管道待檢測焊接接頭的工藝參數建立3D仿真模型，如圖1所示。AUT系統超聲探頭參數采用OLYMPUS公司自動超聲檢測系統PIPE Wizard通用相控陣超聲檢測探頭，中心頻率7.5 MHz，晶片數60。與相控陣超聲波探頭配套，楔塊選用SPWZ1-N55S 7.5L60，楔塊入射波型為橫波，折射角度55°。相控陣超聲波探頭采用左右對稱方式放置，每個相控陣超聲波探頭負責單側焊縫區域的覆蓋和檢測。在仿真模型中，由于左右側探頭設置完全一樣，因此為減少計算時間，提高仿真分析效率，僅對單側探頭進行建模計算。

圖1 半自動焊焊接接頭檢測的3D 仿真模型

1.1 缺陷設置

圖2 半自動焊焊接接頭的缺陷分布

如圖2所示，針對國內外西氣東輸一線、二線、三線，陜京二線、四線，澀寧蘭輸氣管道，俄羅斯遠東太平洋管道，中緬油氣管道，印度東氣西輸以及深港線等各大工程17個標段的檢測數據進行統計分析，得到半自動焊缺陷的分布規律，不難看出半自動焊工藝的主要焊接缺陷為夾渣37.89%、根部未熔合36.40%、夾層未熔合10.58%和氣孔7.90%等。由此，為全面反映現場施工檢測的實際情況，仿真計算中設計了5種典型缺陷類型(如表1所示)，包括根部未熔合、根部未焊透、根部裂紋、熱焊區夾渣以及坡口未熔合，其中坡口未熔合按照其深度分為上、中、下三種類型；對于每種典型缺陷改變其關鍵參數，如高度、長度/寬度、角度、深度等，以模擬實際焊接過程中出現缺陷的各種情況。此外，考慮到半自動焊焊接接頭在實際工程中可能出現坡口位置偏移，因此設置缺陷位置時需設置一定的坡口偏移裕量，以客觀反映焊縫的實際檢測情況。

根據統計學理論，為保證統計結果的準確性與置信度水平，檢測工藝試驗中單組人工反射體(即人工模擬自然缺陷)應設置為46個[13]。由此，為了確保仿真計算數據的置信度水平，典型缺陷(即仿真缺陷)的樣本設置如表2所示。

表2 典型缺陷的樣本設置

表1 典型缺陷的仿真設計

1.2 影響因素分析

針對AUT檢測工藝進行仿真計算，研究不同工藝條件下的超聲波聲場分布以及聲束在反射體處(即仿真缺陷)的響應特性，分析根部檢測角度、坡口區域波束覆蓋、體積通道波束覆蓋、超聲波衍射時差(TOFD)表面盲區、焊縫坡口角度以及焊縫坡口熔合線偏移等6大因素對AUT檢測工藝質量(檢出率、缺陷判讀、工藝穩定性與合理性等)的影響規律，并以此確定滿足AUT檢測要求的各項工藝參數[14]。

(1)根部檢測角度。

對于根部未熔合缺陷，由于缺陷的自身高度、與底面的相對位置等因素變化，當采用不同角度的聲束進行檢測時，反射回波波幅存在一定差異，表明根部檢測角度對其缺陷檢出有較大影響。根部檢測角度為45°～60°時，缺陷檢測靈敏度基本相當，差距在3 dB以內；根部檢測角度超過60°時，缺陷檢測靈敏度顯著下降6 dB以上，且在62°位置急劇下降；根部檢測角度超過63°時，缺陷檢測靈敏度保持穩定。因此，實際檢測中應使用較小的根部檢測角度對焊縫根部進行覆蓋，避免使用60°及以上的波束。

(2)坡口區域波束覆蓋。

按照待檢測焊縫區域的厚度范圍進行分區，在坡口面上每個分區由對應聲束進行覆蓋。當采用超聲波相控陣換能器產生聚焦、偏轉波束對焊縫坡口各個分區進行覆蓋時，由于角度、焦點位置設置的變化將導致波束焦柱直徑、焦柱長度的變化。如果焦柱尺寸過小、長度過短將導致坡口區域無法完全覆蓋，從而可能造成缺陷漏檢。

按照每3 mm厚度區域作為一個分區，將超聲波相控陣聲束焦點設置于坡口熔合線位置，由于近場長度限制，波束實際聚焦中心位置相對于理論設置位置偏短。分別按照-3 dB焦柱長度和-6 dB焦柱長度測量，每個聲束的-3 dB焦柱區域均可覆蓋焊縫坡口熔合線及其前后一定區域，-6 dB焦柱則可以實現更大范圍的波束覆蓋。每個分區波束的-6 dB焦柱直徑均大于3 mm，能夠滿足AUT工藝相鄰通道聲束相互覆蓋的要求。因此，在該設置下進行標準試塊校準時，能夠實現單一分區反射體在相鄰通道聲束相互覆蓋的要求。

(3)體積通道波束覆蓋。

體積通道分區在試樣厚度方向一般按照8 mm劃分，在基于超聲波相控陣檢測時采用多晶片產生一定角度聲束進行覆蓋，而隨著聲束焦點設置位置的變化，聲束深度方向尺寸也相應發生變化。在進行體積通道參數設計時，聲束聚焦焦點位置不能按照坡口分區的設置方法進行設置，而應該將焦點設置在較遠的位置，以保證深度方向-6 dB覆蓋范圍大于分區范圍。如果將焦點位置設置在對應的分區厚度區域中心，雖然在焦點附近能夠獲得較好的檢測效果，但是會造成深度方向-6 dB覆蓋范圍過小，無法實現焊縫分區厚度區域的完整覆蓋，亦可能出現缺陷漏檢。

因此，對于壁厚為12.5 mm的待檢管道，可分兩個體積通道，單個體積通道覆蓋6.25 mm；對于壁厚為14.2 mm的待檢管道，也可分兩個體積通道，單個體積通道覆蓋7.1 mm。

(4)TOFD表面盲區。

AUT檢測系統中，TOFD技術基于聲波在反射體尖端衍射信號傳播時間值對缺陷進行檢測，檢測結果評定不依賴于回波幅度，缺陷檢出率高、重復性好，缺陷深度和自身高度檢測精度高，是自動超聲檢測技術的有效補充。但受限于TOFD技術的檢測原理，直通波信號遮擋會造成固有表面盲區，根據檢測工藝參數設置TOFD檢測盲區會存在差異。因此，在檢測前明確TOFD檢測的表面盲區尺寸，對于數據判讀人員至關重要。對于壁厚為12.5 mm和14.2 mm的待檢管道，其上表面盲區約為4 mm。

(5)焊縫坡口角度。

采用超聲波進行檢測時，超聲波入射角度與反射體之間的夾角會對檢測回波信號的波幅產生較大影響。當波束角度與理想角度相差超過2°～3°時，缺陷反射回波波幅幅值下降到最高波的50%以下。因此，為了保證檢測質量，波束實際角度與理想角度之間的角度差異不應大于2.5°，即焊縫坡口角度變化應控制在±2.5°以內。

(6)焊縫坡口熔合線偏移。

實際檢測中，坡口缺陷位置會隨著焊縫坡口參數的改變而改變，存在熔合線水平偏移現象。當坡口位置缺陷水平偏移超過5 mm時，按照預設的檢測工藝，缺陷反射波幅相對于標準人工傷波幅下降超過12 dB，雖然在帶狀圖上有所顯示，但實際判讀時已經達不到記錄要求。因此，為保證半自動焊AUT工藝的檢測效果，焊縫坡口熔合線偏移量應控制在4 mm以內。

1.3 檢測工藝參數

通過AUT工藝的聲場仿真計算(圖3)，可優化確定聲束設置焦點位置、聲束角度和激發晶片，由此計算得到的相控陣超聲波探頭激活晶片數為16個，具體檢測工藝參數如表3所示。同時，優化得到TOFD探頭的頻率為10 MHz，晶片尺寸3 mm，楔塊角度70°，探頭中心距52 mm。

圖3 AUT工藝的聲場仿真計算

表3 相控陣超聲探頭檢測工藝參數

2 半自動焊AUT工藝可靠性評估

無損檢測工藝的廣義可靠性水平可綜合反映該工藝條件下的缺陷檢測能力、檢測方法的適用性和可操作性、檢測人員運用檢測方法的正確性、缺陷判定的正確性、檢測記錄和報告的完整性及追溯性以及檢測過程的控制能力等。一般而言，無損檢測工藝的狹義可靠性水平則可以用缺陷檢出率(POD)這一指標來定量表征。

2.1 可靠性評估理論及其計算模型

POD可以定量、直觀描述AUT工藝對缺陷的檢出能力。通過AUT工藝的仿真計算，可以得到不同缺陷(類型、尺寸、位置)的檢出率水平。POD(a)曲線常用下式表示

(1)

式中：a為缺陷尺寸；μ為缺陷尺寸的平均值；σ為缺陷尺寸的標準值。

考慮二項式分布下的總體檢出率置信區間，可得

(2)

式中：p為特定樣本的缺陷檢出率；ua/2為二項式分布95%置信度水平下的單側臨界值；n為檢測樣本數。

取二項式分布下的總體檢出率置信區間下限作為95%置信度下的缺陷檢出率，通過式(1)進行曲線擬合回歸，可得到95%置信度下不同尺寸缺陷檢出率的分布曲線[15-18]。一般而言，POD曲線的可靠性評估，不僅可作為AUT檢測工藝的可靠性量化評價依據，而且可為AUT工藝的工程應用提供技術依據[19-21]。

圖4 根部未熔合POD曲線

圖6 根部裂紋POD曲線

8-a 坡口未熔合上-POD8-b 坡口未熔合中-POD8-c 坡口未熔合下-POD

2.2 可靠性評估結果與分析

圖4為根部未熔合POD曲線，95%置信度90%檢出率時其臨界缺陷高度為2.5 mm。圖5為根部未焊透POD曲線，95%置信度90%檢出率時其臨界缺陷高度為2.1 mm。圖6為根部裂紋POD曲線，95%置信度90%檢出率時其臨界缺陷高度為3.1 mm。圖7為熱焊區夾渣POD曲線，95%置信度90%檢出率時其臨界缺陷高度為1.0 mm。圖8為坡口未熔合POD曲線，95%置信度90%檢出率時其焊縫上、中、下不同深度上臨界缺陷高度分別為0.9 mm、0.6 mm和1.1 mm。由此可以看出，AUT技術對于半自動焊缺陷具有較好的缺陷檢出率水平，95%置信度下90%檢出率熱焊區和坡口缺陷臨界高度均小于1.2 mm。對于根部缺陷，仿真設計中其缺陷角度按照最惡劣的工況條件設置，導致檢測聲束無法完全垂直于缺陷平面，但95%置信度下90%檢出率坡口缺陷臨界高度仍小于5.0 mm，實際檢測中根部缺陷檢測效果將優于仿真情況。因此，在坡口熔合線偏移4 mm的范圍內，AUT檢測技術能夠滿足半自動焊焊接接頭的檢測要求。

3 結論

(1)AUT檢測過程中，根部檢測角度、坡口區域波束覆蓋、體積通道波束覆蓋、TOFD表面盲區、焊縫坡口角度以及焊縫坡口熔合線偏移等均會影響AUT檢測工藝的穩定性與合理性，因此應研究分析上述因素對AUT工藝的影響規律，避免檢測盲區與缺陷漏檢，確保半自動焊缺陷的定量檢出與精準判讀。

(2)對于半自動焊焊接接頭，檢測角度對根部未熔合的缺陷檢出率影響較大。實際檢測中，為了保證檢測效果，應盡量使用較小的入射角度對根部位置進行覆蓋，避免使用60°及以上的波束。

(3)焊縫坡口質量對半自動焊AUT工藝的缺陷反射回波波幅幅值影響較大。實際檢測中，為了保證半自動焊AUT工藝的檢測質量與檢測效果，應對焊縫坡口的角度精度和熔合線偏移量提出控制要求，即坡口角度變化范圍不應超過±2.5°、坡口水平偏移量不應超過±4 mm。

(4)AUT技術對于半自動焊焊接接頭具有較好的缺陷檢出率水平，95%置信度90%檢出率下可檢測出的熱焊區和坡口缺陷臨界高度均小于1.2 mm。表明AUT技術可以應用于港區輸油管道半自動焊檢測施工，合理優化的檢測工藝能夠在滿足可靠性要求的前提下檢出各類半自動焊缺陷。