基于TOFD的管道焊縫無損檢測(cè)技術(shù)研究

李大林，司宗慶，賈向明，李穎，侯濤

(1. 中國(guó)石油大連石化公司，遼寧 大連 116031；2. 中國(guó)石油華北油田公司 二連分公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 011200；3. 中國(guó)石油西南管道天水輸油氣分公司，甘肅 天水 741002；4. 中國(guó)石油吐哈油田分公司 工程技術(shù)研究院，新疆 哈密 839009；5. 中國(guó)石油青海油田分公司 管道輸油處，青海 格爾木 816000)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，截止2017年中國(guó)陸上油氣長(zhǎng)輸管道總里程達(dá)到2×105km，其中60%～70%的管道服役時(shí)間超過20 a[1-2]。油氣長(zhǎng)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(yīng)力和腐蝕的共同作用下，將會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋(SCC)、氫致裂紋(HIC)、硫化物應(yīng)力腐蝕裂紋(SSC)、疲勞裂紋、晶間腐蝕開裂等，最終導(dǎo)致管道失效泄漏，對(duì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境產(chǎn)生重大影響。

通過調(diào)研當(dāng)前國(guó)內(nèi)外管道焊縫無損檢測(cè)技術(shù)的最新進(jìn)展，結(jié)合現(xiàn)狀，決定采用超聲波衍射時(shí)差法(TOFD)開展管道焊縫的相關(guān)檢測(cè)[3]，研究了TOFD相關(guān)信號(hào)的特征及缺陷信號(hào)的提取，通過仿真計(jì)算和室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行模型解析，隨后應(yīng)用小波變換進(jìn)行了增益數(shù)的模型優(yōu)化，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況條件下對(duì)管道的環(huán)焊縫以及角焊縫進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證，以保證現(xiàn)場(chǎng)無損檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

1 TOFD原理

TOFD是近年來發(fā)展的一項(xiàng)可以指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用的無損檢測(cè)技術(shù)，基本原理是將1對(duì)尺寸大小、相位角度以及收發(fā)頻率相同的縱波探頭放置在待檢測(cè)的焊縫兩側(cè)，其中1個(gè)探頭發(fā)射超聲波脈沖，另1個(gè)探頭接收脈沖。如果焊縫表面或內(nèi)部沒有缺陷，則會(huì)接收到表面直通波信號(hào)(LW)和底面回波信號(hào)(BW)；如果有缺陷，則還會(huì)接收到缺陷上部和下部產(chǎn)生的衍射波[4-5]。根據(jù)縱波在焊縫中的傳播速度以及探頭接收到不同回波的時(shí)間差，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出焊縫內(nèi)缺陷的埋藏深度；同時(shí)，由于TOFD選取的探頭角度一般為45°，60°，70°，在實(shí)際應(yīng)用中缺陷深度的差值(dmax-dmin)一般不會(huì)超過10%，因此可滿足多數(shù)場(chǎng)合的應(yīng)用要求。

為了研究TOFD是否能夠?qū)θ毕葸M(jìn)行準(zhǔn)確定位和定量，分析了表面開口型缺陷、氣孔缺陷、夾渣缺陷、根部未焊透缺陷、裂紋缺陷等幾種典型焊縫缺陷，總結(jié)了典型焊縫缺陷的TOFD圖像特點(diǎn)；針對(duì)油層狀態(tài)下的信號(hào)識(shí)別，并采用小波變換優(yōu)化了增益數(shù)。

2 典型焊縫缺陷分析

考慮到長(zhǎng)輸管道常用壁厚多在10～30 mm[6]，根據(jù)NB/T 47013.10―2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第10部分： 衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》中的相關(guān)規(guī)定，TOFD適用于壁厚12 mm及以上的壓力管道及壓力容器檢測(cè)，因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管道的材質(zhì)、壁厚、坡口型式以及焊接工藝，設(shè)計(jì)了厚度20 mm對(duì)接焊縫模型和試件，母材為低合金、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼16MnR，焊接方式為手工電弧焊(SMAW)，坡口型式為V型。

TOFD采用美國(guó)聲學(xué)公司制造的POCK-ETUT檢測(cè)儀器，探頭角度參照NB/T 47013.10―2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第10部分： 衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》附錄選擇為60°，探頭中間間距取69 mm，晶片尺寸6 mm，晶片頻率5 MHz，掃查方式采用沿焊縫方向的非平行掃查。為了更好地施行不停產(chǎn)檢測(cè)，分別對(duì)管道內(nèi)部的幾種典型缺陷形式進(jìn)行了檢測(cè)。

超聲TOFD通常提供3種類型的數(shù)據(jù)顯示，分別是A掃描、D掃描、B掃描。TOFD技術(shù)中探頭所接收到的信號(hào)為A掃描信號(hào)，通過信號(hào)處理，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為D掃描(或B掃描)圖像，D掃描(或B掃描)圖像較A掃描信號(hào)具有更大的信息量，更有利于缺陷的識(shí)別和分析。

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(hào)特征為A掃描信號(hào)中未出現(xiàn)直通波，D掃描圖像中直通波斷開，未檢測(cè)到缺陷上端點(diǎn)的衍射信號(hào)，僅觀察到與直通波相位相同的缺陷下端點(diǎn)的衍射信號(hào)，底面回波信號(hào)基本無變化。

2)下表面開口缺陷。信號(hào)特征為底面回波消失或中斷，圖像中無缺陷下端點(diǎn)的衍射信號(hào)，只有與直通波相位相反的缺陷上端點(diǎn)衍射信號(hào)，表面直通波的信號(hào)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(hào)會(huì)完全中斷，直通波和底面回波信號(hào)也會(huì)中斷，該缺陷相對(duì)容易識(shí)別。

2.2 氣孔缺陷

氣孔屬于點(diǎn)狀缺陷，按照氣孔數(shù)量和分布特點(diǎn)可以分為單個(gè)氣孔、密集氣孔和連續(xù)氣孔。氣孔的D掃描圖像為多個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)狀缺陷圖像的疊加，由于缺陷內(nèi)部充滿空氣，在對(duì)應(yīng)的射線檢測(cè)底片上，表現(xiàn)為深淺不一的圓點(diǎn)。

2.3 夾渣缺陷

夾渣缺陷中，小夾渣與氣孔的檢測(cè)圖像特征類似，在此不再重復(fù)。條狀?yuàn)A渣缺陷的D掃描圖像比較雜亂，在長(zhǎng)度方向會(huì)出現(xiàn)1條比較長(zhǎng)的直線，但深度不一，且缺陷上端為反射信號(hào)，信號(hào)較強(qiáng)；缺陷下端為衍射信號(hào)，信號(hào)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(guān)，如為X型坡口，則信號(hào)圖像位于檢測(cè)圖像的中間位置；如為V型坡口，則信號(hào)圖像位于檢測(cè)圖像的底面位置，屬于下表面開口型缺陷，該缺陷會(huì)表現(xiàn)出很強(qiáng)的衍射信號(hào)，該信號(hào)與底面回波的相位相反，缺陷高度對(duì)底面回波的影響較小。

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(diǎn)的衍射信號(hào)既不規(guī)則，也不連續(xù)，端點(diǎn)信號(hào)之間還會(huì)出現(xiàn)很多雜亂無章的信號(hào)，但裂紋缺陷在射線檢測(cè)底片上容易識(shí)別，一般具有中間略寬、兩端細(xì)小的成像特征。

TOFD的最大缺點(diǎn)： 當(dāng)管道的底部有油垢存在時(shí)，實(shí)際掃查結(jié)果存在明顯的底部反射信號(hào)較強(qiáng)的現(xiàn)象，在同等增益的情況下，導(dǎo)致直通波信號(hào)偏弱，上表面缺陷不易識(shí)別，但如果降低整個(gè)增益，又會(huì)導(dǎo)致底部缺陷不易檢出。因此，采用小波變換進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，小波變換是將不同的參數(shù)進(jìn)行歸一化處理后進(jìn)行積分變換，如式(1)所示：

(1)

用Matlab軟件進(jìn)行小波變化處理后可提高增益數(shù)，同時(shí)達(dá)到檢測(cè)效果，解決管道帶壓、帶液條件下導(dǎo)致的上表面缺陷不易識(shí)別和底部缺陷漏檢的問題，油層狀態(tài)下處理后的檢測(cè)結(jié)果，圖像的深度和質(zhì)量較常規(guī)方式均有明顯提高。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室計(jì)算和驗(yàn)證取得預(yù)期效果的情況下，針對(duì)某輸油管道開展了實(shí)際檢測(cè)驗(yàn)證對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)象母材為L(zhǎng)365N，尺寸為φ813 mm×15 mm，設(shè)計(jì)壓力11.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度78 ℃，檢測(cè)長(zhǎng)度2 km，工作介質(zhì)為原油。檢測(cè)部位為部分環(huán)焊縫、角焊縫的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)，試驗(yàn)原定為停產(chǎn)、不卸料，拆除保溫層后進(jìn)行試驗(yàn)，但由于生產(chǎn)工作的連續(xù)性，未實(shí)現(xiàn)停產(chǎn)檢測(cè)，采取了拆除保溫層、砂紙打磨部分區(qū)域的方式進(jìn)行試驗(yàn)。

TOFD檢測(cè)將管道按照環(huán)向90°分成了4段，并與常規(guī)射線檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其中第1段環(huán)焊縫經(jīng)TOFD檢測(cè)發(fā)現(xiàn)了1處為深度9 mm、長(zhǎng)度2 mm、高度1.1 mm的條狀埋藏缺陷和3處底部腐蝕缺陷，射線只發(fā)現(xiàn)了1處缺陷；第2段經(jīng)TOFD檢測(cè)發(fā)現(xiàn)了1處在近表面長(zhǎng)約10 mm的埋藏缺陷和2處底部腐蝕缺陷，射線只發(fā)現(xiàn)了1處缺陷；第3段經(jīng)TOFD檢測(cè)發(fā)現(xiàn)了1處深度9.6 mm、高度2.1 mm的面積狀埋藏缺陷和1處底部腐蝕缺陷，射線未發(fā)現(xiàn)缺陷；第4段經(jīng)TOFD檢測(cè)發(fā)現(xiàn)了3處埋藏缺陷和5處底部腐蝕缺陷，射線發(fā)現(xiàn)了2處缺陷。

由于之前該段管道的支架連接部位多次出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，采用TOFD檢測(cè)了其中一處角焊縫，檢測(cè)出內(nèi)壁側(cè)1處根部缺陷，但由于檢測(cè)空間的限制，未能進(jìn)行定位檢測(cè)和常規(guī)射線對(duì)比試驗(yàn)。

通過與常規(guī)射線的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)TOFD檢測(cè)在不卸料、不停產(chǎn)情況下，可以檢測(cè)到管道多處埋藏缺陷和內(nèi)壁腐蝕情況，不僅能夠給出準(zhǔn)確的位置和尺寸，還較射線可檢測(cè)出更多的缺陷類型。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過缺陷模型，在室內(nèi)對(duì)20 mm試件的對(duì)接焊縫進(jìn)行了缺陷檢測(cè)，并針對(duì)TOFD檢測(cè)結(jié)果不易識(shí)別出上表面缺陷和底部缺陷的特點(diǎn)，利用小波變化優(yōu)化了模型參數(shù)，最后在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)管道的環(huán)焊縫和角焊縫缺陷情況進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，證明了TOFD可在不停產(chǎn)、不卸料的條件下檢測(cè)出更多的缺陷和內(nèi)壁腐蝕情況，但在實(shí)際應(yīng)用中還有以下問題值得注意：

1)高溫條件對(duì)TOFD的影響。目前國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定檢測(cè)溫度不應(yīng)超過50 ℃，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況條件基本上均超過該上限溫度，為了符合當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的要求，需要考慮溫度因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

2)國(guó)內(nèi)TOFD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的適用壁厚下限為12 mm，但部分油氣田集輸管道的壁厚往往小于10 mm，因此對(duì)該類管道使用TOFD檢測(cè)時(shí)，需要考慮與標(biāo)準(zhǔn)的沖突和演示驗(yàn)證的問題。