一種輸氣管道環焊縫缺陷自身高度精準預測模型

張鴻博 劉 琰 闕永彬 楊鋒平 莫潤陽

1.中國石油集團工程材料研究院有限公司 2. 國家石油天然氣管網集團有限公司西部管道有限責任公司 3. 陜西師范大學

0 引言

截至2020年底，中國在役油氣管道總里程已達到 14.4×104km[1]，管道環焊縫超過 1 000×104道。2015年之前建設的大部分管道環焊縫多采用半自動焊接，焊接環境條件較為苛刻[2-4]，出現焊接缺陷的幾率較高，缺陷在服役中可能發生擴展而造成災難[5-11]。如西氣東輸二線某段約900 km管線在2014—2015年間首次內檢測，發現存在13 000多處環焊縫異常，經開挖無損檢測確認多為焊縫超標缺陷[12-13]。對于在役管道而言，由于巨大經濟成本限制，不可能對所有超標缺陷進行維修或更換，由此對超標缺陷尺寸進行精準預測，使危害性較低的缺陷繼續服役而修復少量危害性大的缺陷，是兼顧管道安全性和經濟性的有效做法。缺陷尺寸尤其是缺陷的自身高度（缺陷在管體壁厚方向的延伸程度），使焊縫厚度減薄的同時形成應力集中，是評判含缺陷環焊縫是否能夠安全服役的關鍵參數[14]。

適用于油氣管道焊接缺陷檢測的無損檢測技術有多種，包括常規的脈沖回波超聲檢測（UT）、射線檢測（RT）、磁粉檢測（MT），還有近年日益成熟的相控陣超聲檢測（PAUT）、超聲衍射時差法檢測（TOFD）、切向渦流陣列檢測（TECA）及場梯度成像檢測（FGI）等新技術。實踐中需根據被檢管道的材質、壁厚及缺陷類型等選擇適合的檢測方法[15-18]。為了盡可能使缺陷不漏檢、提高無損檢測結果的可靠性，對一些重要環焊縫通常采用多種無損檢測技術組合實施以期優勢互補。劉晴巖[19]研究了射線檢測和超聲檢測兩種常用無損檢測技術測定未焊透缺陷自身高度的方法和測試過程，并對實物試驗結果和誤差進行了分析。田雙等[20]根據缺陷的產生部位、缺陷的性質、缺陷的方向，采用射線檢測和超聲波檢測方法，對夾渣、未焊透、未熔合缺陷的識別方法和自身高度的測量進行研究，提出可綜合運用射線檢測技術和超聲檢測技術對缺陷進行識別和高度測量。采用多種技術組合對缺陷進行綜合評估目前已經成為管道無損檢測的趨勢，但因技術特點的差異性，導致缺陷尺寸評定結果間往往存在差異，有時差異很大[21-25]。若將缺陷解剖測量高度作為其實際高度，無損評定結果與實際高度往往也會不一致。以哪種檢測方法定量結果作為依據對缺陷進行最終評判及焊縫適用性評價，非常關鍵。隨著對產品損傷容限要求和產品質量評價研究的進一步發展，提高缺陷自身高度的定量精度成為無損檢測應用中的難題之一[26-29]。

筆者以輸氣管道環焊縫為研究對象，設計制作多規格不同缺陷試樣，選擇適宜的多種無損檢測技術對缺陷高度進行無損評定，然后將這些缺陷解剖測量，以所獲缺陷最大高度值作為缺陷的實際高度，再以這些數據為基礎，通過SPSS軟件進行統計回歸，建立一個評估觀測數據的函數以估計被測缺陷的實際高度[30-31]。

1 環焊縫缺陷高度統計樣本

1.1 環焊縫缺陷試樣及缺陷高度組合無損定量

為充分反映管道環焊縫缺陷種類和特征，選取壁厚分別為8.4 mm、14.6 mm、18.4 mm和30.8 mm規格的典型輸氣管道，并從每種規格的鋼管上割取管段，按照各類型焊接缺陷的產生機理并模仿其形成條件、焊接工藝和手法控制，預埋制作含有各類缺陷的對接環焊縫缺陷試樣，缺陷按位置分為上表面、下表面及埋藏缺陷，其中上表面缺陷性質為裂紋，埋藏型缺陷為夾渣和層間未熔合，下表面缺陷為根部裂紋和未熔合，缺陷高度為2～6 mm。

無損檢測工藝及規程、檢測方法的組合形式和應用程序、檢測人員的技術水平等都直接關系到缺陷定量結果的可靠性。為盡可能對試樣內的缺陷進行準確定量，無損檢測方法盡可能選用現階段應用最成熟、最適宜及最先進的技術。檢測工藝與實際應用中的檢測工藝完全相同。無損檢測實施人員均為具有相應類別Ⅱ級或以上資質的專業技術人員。為此，上表面裂紋深度分別采用切向渦流陣列（TECA）、場梯度成像（FGI）及超聲衍射時差法（TOFD）3種方法進行無損檢測定量，當然考慮技術應用的局限性，比如《承壓設備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測：NB/T 47013.10》規定，TOFD僅適用于管壁厚度T≥12 mm試樣檢測，因而對T＜12 mm的樣管該方法無法應用[32]。對埋藏型缺陷（夾渣、未熔合），分別采用PAUT及TOFD進行無損檢測定量；對下表面缺陷（未熔合、裂紋），分別采用PAUT及TOFD進行無損檢查定量。

TECA采用全功能Ectane渦流陣列檢測設備（ECTANE-E128RNMI)，FGI采 用 Lizard M8多 通道檢測設備（LP801筆式陣列探頭)，PAUT使用Flexscan32/64檢測設備，TOFD使用SONATEST VEO+32:128檢測設備。

上表面、埋藏型及下表面缺陷高度無損檢測定量結果分別見表1～3，表中“×”表示該方法在此種情況下失效。

表1 上表面裂紋缺陷高度無損定量結果表 單位：mm

表2 埋藏型缺陷自身高度無損定量結果表 單位：mm

表3 下表面缺陷自身高度無損定量結果表 單位：mm

1.2 缺陷解剖及金相測量實際高度

對以上環焊縫試樣的缺陷部位使用線切割垂直于焊縫方向進行切割（4～5 mm/刀），制成金相分析試樣，在金相顯微鏡下對每個缺陷沿壁厚方向的自身高度用激光共聚焦方法進行精確測量，以解剖最大值作為缺陷的實際高度。表4～6分別為表1～3中試樣解剖后的缺陷高度的最大值，也即缺陷實際高度。表中字體標紅的試樣不參與統計分析及建模，而是作為后期模型預測精度檢驗使用。

表4 上表面缺陷解剖高度表 單位：mm

表5 埋藏缺陷解剖高度表 單位：mm

表6 下表面缺陷解剖高度表 單位：mm

環焊縫缺陷高度無損定量與解剖結果對比如圖1所示，由圖1可見，無論是上表面、下表面還是埋藏缺陷，不同無損檢測方法對同一缺陷的高度定量結果間存在差異，并且無損定量結果與實際高度存在一定差異、有的甚至很大，如TOFD定量偏差大多在2 mm內，PAUT定量偏差往往大于2 mm。在依靠無損檢測技術對環焊縫質量控制的過程中，缺陷高度到底該以誰為準，如何合理地對缺陷進行評定成為了組合檢測應用中最大的問題，需要更加合理的方法對缺陷的實際高度進行評定。

圖1 檢測結果與解剖實測結果整體比對分析圖

2 環焊縫缺陷自身高度估算數學建模

2.1 無損定量基礎數據及數據增容

統計分析中，首先要求檢測數據可靠，其次要求有海量數據，最后還要求運用合適的統計分析方法。傳統統計學立足于海量樣本，理論上當樣本數趨于無窮大時各種建模和預測方法才能得到理論上的保證。然而，實際中受輸氣管道實際狀況、成本及時間等因素限制，獲取缺陷無損檢測數據及解剖數據的數量極為有限，尤其在對檢測結果可靠性進行驗證時，解剖樣本數量相對更少。為保證有限樣本數量條件下統計建模的可靠性，除了保證有限數據樣本的質量外，開發小樣本條件下提高數學建模精度的方法尤為重要。數據增容是在神經網絡和機器深度學習過程中，當缺少海量數據時廣泛采用的數據處理方法，其本質是對已有數據按照一定的方法進行處理，創造出更多新的數據，防止過擬合，從而提高統計模型的泛化能力和魯棒性。

文中數據增容采用的方法是，將各種無損定量數據在允許范圍進行擾動以衍生新數據。其實質為通過對所得檢測數據加入測量誤差，即將測量數據在所用技術的誤差限度范圍進行擾動，對數據進行人工可控增容。具體方法為：

1）自變量擴容：對切向渦流陣列檢測（TECA）和場梯度成像檢測（FGI）方法，按照ASTM E3052標準規定，TECA/FGI測量結果的±30%范圍所有取值均合理[33]；對超聲衍射時差法檢測（TOFD）方法，因其理論檢測誤差為1 mm，所以TOFD取測量值±1 mm認為也是合理的；對相控陣超聲檢測（PAUT）方法，在其±1 mm范圍內進行取值作為自變量。

2）因變量擴容：取缺陷解剖測量值的最大值及其±1 mm內的隨機取值作為因變量。針對環焊縫的上表面、埋藏、下表面共3種不同部位缺陷，分別選用不同的無損檢測組合方法進行缺陷檢測及定量，將檢測結果作為回歸分析的自變量，以這些缺陷的實際解剖結果作為因變量，建立各類缺陷線性、非線性回歸模型，然后再用未參與建模試塊的缺陷檢測數據和解剖數據進行模型驗證以確認其預測精度。由于各種無損檢測方法各自適用性不同，對以上3種不同部位的缺陷適用的檢測方法的個數及種類也就不同，有的部位只使用了一種，有的部位使用多種（如上表面缺陷使用了TECA、FGI等），因此回歸分析中，基于增強數據分別采用SPSS軟件進行一元線性回歸和多元線性回歸，考慮到檢驗方法之間可能存在某些聯系，又用了線性回歸及非線性回歸。

2.2 環焊縫缺陷自身高度估算模型

按照《承壓設備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測：NB/T 47013.10》[32]規定，TOFD僅適用于管壁厚度T≥12 mm試樣檢測，本工作對T＜12 mm采用TECA、FGI及PAUT方法檢測，因此按T＜12 mm和T≥12 mm兩種不同情況進行分段建模及合并建模。根據上述方法進行統計分析，可得不同檢測條件下，對接環焊縫上表面、埋藏及下表面缺陷自身高度的預估數學模型分別見表7～9，T表示管壁厚度，x1表示TECA檢測的深度結果，x2表示FGI檢測的深度結果，x3表示TOFD檢測的深度結果，x4表示PAUT檢測的深度結果，y表示最終深度估算值，h表示缺陷自身高度極值。

表7 上表面開口型缺陷深度估算模型表

表8 埋藏型缺陷自身高度估算模型表

表9 下表面開口型缺陷自身高度估算模型表

2.3 模型檢驗結果

對所構建的數學模型的有效性及預測精度進行檢驗，采用未參與統計分析與建模的試樣或從管道現場發現的缺陷試樣的解剖結果與相同條件（外徑、厚度、檢測方法等）下的理論預測結果進行對比，將差值作為預測精度。

對上表面裂紋，用未參與建模的表1中2號和5號試樣進行模型檢驗。兩個試樣組合無損定量及模型預測結果如表10所示，其中2號試樣T＜12 mm，適合用單參數（FGI）線性回歸方程進行預測；5號試樣T＞12 mm，TOFD檢測缺陷自身高度h＜5 mm，適用單參數（FGI）線性回歸方程預測。對上表面裂紋深度預測的準確性進行檢驗，將該兩個試樣用線切割垂直于焊縫方向進行切割做金相分析，并對每個缺陷沿壁厚方向的高度用激光共聚焦顯微鏡（OLS 4100）測量，圖2為表1中5號樣品解剖前、后及金相照片，解剖所測缺陷高度為4.76 mm，與模型預測高度5.12 mm對比，模型預測結果與實際高度偏差為0.36 mm，類似地，2號樣品預測與實際偏差為0.68 mm，兩樣品模型預測精度均在1 mm內，可見上表面裂紋高度預測采用分段的線性回歸模型效果較好。

表10 上表面裂紋深度預測模型驗證結果表 單位：mm

圖2 表1中5號試樣裂紋解剖前、后及金相照片

對埋藏型缺陷，用未參與建模的表2中1號和4號試樣進行模型檢驗，結果如表11所示。從表11可以看出，埋藏型缺陷高度預測模型預測值與缺陷試樣解剖實測結果，預測誤差分別為0.56 mm、0.06 mm、-0.23 mm、-0.16 mm，精度誤差均小于1 mm，能夠滿足工程實際需要。對于T≥12 mm的埋藏型缺陷，如果經評估該環焊縫為高風險點，則應使用組合無損檢測方法檢測。如果評估為普通風險點，建議僅進行TOFD檢測并以TOFD檢測自身高度作為適用性評價的依據。

表11 埋藏型缺陷自身高度預測模型驗證結果表 單位：mm

對下表面缺陷，用表3中未參與建模的其他樣品進行模型檢驗，結果如表12所示。

表12 下表面缺陷自身高度預測模型驗證結果表 單位：mm

比較下表面缺陷自身高度兩種估算模型預測值與6塊試樣解剖實測結果：T＜12 mm，線性模型對下表面缺陷的預測誤差最大值為-0.66 mm，非線性模型對下表面缺陷的預測誤差最大值為-0.67 mm，精度誤差均小于1 mm，相較而言線性模型效果更好；T≥12 mm，除8號試樣外，合并線性模型對下表面缺陷的預測誤差最大值為0.95 mm，精度誤差均＜1 mm；8號試樣下表面裂紋考慮到PAUT和TOFD檢測結果取值位數誤差，合并線性模型精度誤差也＜1 mm；8號試樣根部未熔合缺陷合并線性模型對下表面缺陷的預測誤差為-5.17 mm，不滿足精度誤差1 mm的要求，這是因為兩種檢測技術在方法和精度上偏差較大，TOFD檢測自身高度時其上端點處缺陷開口往往較小，端點衍射波不明顯，此時TOFD檢測的缺陷深度變大，相應的缺陷自身高度會變小，而PAUT檢測結果離散性較大。二者的檢測結果差值大是線性模型預測誤差大于1 mm的原因。經對檢測數據分析，PAUT與TOFD檢測結果差值大于等于100%時，表明檢測數據失效，故不適用于估算模型，此時建議直接采用PAUT與TOFD檢測結果中較大者作為缺陷自身高度。T≥12 mm，除8號試樣根部未熔合缺陷外，合并非線性模型對下表面缺陷的預測誤差最大值為1.22 mm，不滿足精度誤差1 mm的要求。因而，推薦使用的下表面缺陷自身高度估算模型如下：

2.4 實際驗證案例

某管道公司在2021年的管道缺陷開挖復拍復評過程中，發現一處?914 mm×16 mm/17.5 mm環焊縫存在根部裂紋，TOFD檢測自身高度為5.95 mm，對該缺陷使用估算模型y= -0.389x1+ 1.659x2-0.091進行計算得到自身高度為7.47 mm（現場未進行PAUT檢測，計算中將PAUT取與TOFD相同數值）。該處環焊縫換管處理后對該缺陷進行解剖，使用金相顯微鏡測量其實際高度為7.33 mm（圖3）。未使用估算模型時，檢測值與實際高度的偏差為-1.38 mm，結果為負偏差，負偏差使缺陷韌性比偏小，造成評價結果不保守或者不可接受缺陷變為可接受；模型預測結果與實際高度的偏差為0.14 mm，且結果為正偏差，有利于提高適用性評價的安全裕度。

圖3 根部裂紋金相照片

3 結論

1）針對在役輸氣管道常用4種規格，預制了24塊試樣共32個缺陷，采用TECA、FGI、PAUT、TOFD等4種方法組合進行了檢測，并對其中15塊試樣進行了解剖驗證，發現TOFD檢測方法精度誤差大多在2 mm內，PAUT檢測方法精度誤差多大于2 mm。

2）基于檢測及解剖數據，采用數據增容及回歸分析，建立了基于組合式無損檢測方法的管道環焊縫缺陷自身高度預測模型，模型經解剖和實際現場應用，精度可達1 mm。

3）應用本模型，可在一定精度范圍預測環焊縫缺陷真實自身高度，減少了現有無損檢測方法和檢測工藝對檢測精度的限制，提高了用于環焊縫適用性評價的缺陷自身高度數據的準確性，從而提高了管道安全評估的準確性，滿足輸氣管道環焊縫綜合檢測、安全評估及修復的需要。