基于相似路徑的管道焊縫區域超聲導波缺陷檢測*

衛小龍 杜國鋒 周 凱 馬 騏 袁洪強 余澤禹

(1.荊州職業技術學院 2.長江大學城市建設學院 3.長江大學電子信息學院)

0 引 言

管道作為現行的主要運輸手段之一，廣泛應用于石油、天然氣等資源的傳輸，被稱為國民經濟發展的大動脈，是加快國家發展、均衡資源分布、維護國防穩定的重要組成部分。傳輸管道需要焊接，受到外力、腐蝕等因素破壞或者焊接質量不合格時，容易造成管道泄漏，給國民經濟、自然環境和居民生活帶來難以挽回的重大損失。因此，管道焊縫健康監測是一個具有重要意義的研究課題。目前，焊縫檢測常用的手段有射線檢測和超聲波檢測[1]。射線檢測精度高、顯示直觀、易于判別，不足之處是缺陷的檢出受透照角度影響，且該方法應用于實際工程中時檢測成本較高，檢測效率較低，對操作人員身體危害較大[2]。超聲波檢測優點在于檢測成本相對較低，檢測速度快，設備便于攜帶；然而檢測結果顯示不直觀，容易漏檢，并且要求傳感器靠近檢測部位[3]。在這種背景下，超聲導波檢測技術應運而生。超聲導波檢測技術隨著在基本理論、數值仿真模擬、試驗技術等方面的快速發展，特別是近幾年商業化的應用，以其具有長距離、大范圍、效率高等優勢[4]，得到了廣大學者的高度關注。

管道導波理論是在 19 世紀末的柱面導波傳播理論基礎上展開的[5]。B.L.POCHAMMER和C.CHREE最早研究了自由棒中的導波傳播，隨后眾多學者在此基礎上研究了縱向模態和扭轉模態的頻散曲線以及群速度的求解。基于縱向L(0，2)模態在特定區域內不產生頻散行為的特性和對管道缺陷檢測靈敏度較高的優點，R.JARVIS等[6-7]分析了頻散曲線，并針對管道中導波散射問題進行了大量管道切槽類缺陷研究。T.HAYASHI等[8]、A.DEMMA等[9]將導波應用于彎曲管道的無損評估，導波在管道中傳播的理論發展在初期很困難，僅在數值仿真技術階段來研究。接著T.HAYASHI引入了一種半解析有限元方法，大大提高了計算效率。在此基礎上，S.HEINLEIN等[10]結合數值仿真和試驗研究，對一系列具有不同彎曲半徑的管道進行了分析。在縱向模態導波激勵下，得出由于管道彎曲的存在，模態在彎曲部位發生了轉換，最終給出了彎管的彎曲半徑和長度對入射波透射率的影響。除了縱向模態波之外，扭轉模態波對于研究人員也非常有吸引力，原因在于扭轉模態T(0，1)沒有頻散，傳播速度穩定，因此也是較為常用的模態之一。在導波與缺陷的交互作用方面，J.LEE等[11]使用互易定理求解管道缺陷引起的最低軸對稱扭轉模態散射的封閉形式。Y.W.KIM等[12]對軸向和傾斜缺陷進行了定量研究，分析了裂紋長度和傾角對反射的影響。R.CARANDENTE等[13]對不同形狀的管道三維 (3D)缺陷進行分析，研究復雜缺陷輪廓對反射系數的影響。在換能器方面，NIU X.等[14]研究了缺陷類型、缺陷尺寸和傳感器排列之間的關系，對換能器的布置進行優化設計，提出了一種用于檢測管道缺陷的有效方法。在管道涂層方面，R.KIRBY等[15]重點分析扭轉模態的行為，并量化瀝青涂層對軸對稱缺陷產生的反射系數的影響。在工程實際方面，N.ANDRUSCHAK等[16]利用對腐蝕類型缺陷和支撐條件的反射特征，發明了一種檢測管道支架腐蝕缺陷的篩選方法。李立等[17]、李子明等[18]、鄭陽等[19]、劉增華等[20-21]，在管道缺陷檢測、定位、定量、成像以及傳感器研發等方面都做了大量研究工作。

綜上所述，超聲導波檢測技術已廣泛用于直管、彎管以及含包覆層管道缺陷的檢測。然而，當管道中存在焊縫結構時，超聲導波遇到焊縫會發生頻散以及模態轉換，大大增加了缺陷檢測難度，導致近些年相關研究成果較少。基于此，筆者提出了相似路徑的管道焊縫缺陷識別方法，利用傳播路徑相同的超聲導波信號相同的原理，通過對比不同周向位置采集到的超聲導波信號，結合傳播路徑的缺陷指數計算方法，實現管道焊縫區域缺陷識別。研究結果可為管道焊縫缺陷檢測提供參考。

1 基于相似路徑的超聲導波缺陷識別方法

1.1 相似路徑的構造

對于管道焊縫區域，由于超聲導波散射特性相對復雜，難以對缺陷信號進行識別。通過合理設置信號激勵和采集點，利用管道和焊縫的對稱性，構造相似信號傳播路徑，使不同信號激勵點激勵出的超聲導波經過相同的空間歷程到達信號采集點。將管道沿軸向展開，外表面展開為一個矩形，如圖1所示。在焊縫兩側分別設置1條平行于焊縫軸線的信號激勵帶和信號采集帶，用于標定信號激勵點和信號采集點的位置。等間距設置N個信號激勵點，在采集帶位置設置N個信號采集點，信號激勵點和采集點分別依次編號為Ai和Si，i=1，2，…，N。連接任意一個激勵信號的傳感器和一個信號采集傳感器，形成信號激勵-傳感路徑，記為Pij，其中i和j分別表示信號激勵傳感器和信號采集傳感器編號，例如P12表示連接信號激勵傳感器A1和信號采集傳感器S2的路徑。由于管道周向的封閉性，信號激勵傳感器AN同樣可以與信號采集傳感器S1連接形成激勵-傳感路徑PN，1，與路徑P12信號傳播空間歷程相似。

圖1 管道展開圖和采集點設置圖Fig.1 Schematic diagram of flattened pipeline and measuring point distribution

根據設定的信號激勵點和采集點的位置，構造相似信號傳播路徑。考慮到常見的焊縫缺陷類型，選用信號激勵傳感器和采集傳感器編號相近的路徑(編號值差不超過2)，即對于第i個信號激勵傳感器Ai，可設置5條路徑，分別為Pi，i-2、Pi，i-1、Pi，i、Pi，i+1、Pi，i+2(若傳感器編號大于N，則實際傳感器編號=原始傳感器編號-N)。根據管道、焊縫、信號激勵點以及信號采集點的對稱性，傳感器編號差相等的路徑為相似路徑，即Pi，i為相似路徑，Pi，i-1和Pi，i+1為相似路徑，Pi，i-2和Pi，i+2為相似路徑。

1.2 缺陷信號的提取與缺陷識別方法

對于理想焊縫，在保持與1.1節(相似路徑)中信號激勵和采集設置一致的情況下，相似激勵-傳感路徑對應的超聲導波信號相同，通過對比相似路徑的信號，可實現缺陷信號提取。然而，由于焊接工藝問題，實際管道焊縫結構并非都是理想焊縫，即焊縫在周向上的特性并非完全相同，如果這種差異過大，對缺陷信號提取產生影響，即2條不受缺陷影響的相似路徑信號之間會存在差異，這種差異會被識別為缺陷信號。針對這個問題，可采用相鄰路徑信號對比，實現缺陷信號提取。事實上，管道焊縫區域的特征一般是連續變化(若存在突變，則可將突變視為缺陷)[22-23]，若相鄰路徑間隔足夠小，則可減小焊縫本身不均勻對缺陷信號提取的影響。采用相鄰路徑對比的缺陷信號提取方法可表示為：

(1)

根據提取出的缺陷散射信號，可計算相關路徑表征缺陷的指數，具體的計算公式可以表示為：

(2)

式中：Di，j表示對應于路徑的缺陷指數；E表示信號能量。

(3)

式中：S(t)為所關注信號時間段的缺陷指數；t1和t2表示所關注信號的開始時間和結束時間。

根據計算的缺陷指數，結合設定的信號激勵-傳感路徑，確定焊縫缺陷位置，缺陷指數越大，表示路徑受缺陷影響越大。

2 管道焊縫區域缺陷識別數值仿真

2.1 模型建立

采用ABAQUS有限元軟件建立帶焊縫管道模型，管長L=1 000 mm，外徑和內徑分別為600和580 mm，壁厚d=10 mm，密度為7.8 g/cm3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。在管道中心處設置一條焊縫，焊縫寬度為20 mm，在焊縫左側和右側分別設置一列平行于焊縫的節點，作為信號激勵點和信號采集點。信號激勵點共有8個，分別記為A3～A10(為了與信號采集點編號對應)，信號采集點共12個，分別記為S1～S12。信號激勵點和信號采集點距離焊縫中心均為110 mm，相鄰2個信號激勵點和信號采集點的距離都是20 mm。信號激勵-傳感路徑設置如圖2所示。在缺陷檢測中，依次采用一個信號激勵點激勵超聲導波，采用與其相鄰的5個信號采集點采集超聲導波信號，共40條激勵-傳感路徑。例如，當采用信號激勵點A5激勵超聲導波時，采用S3～S7信號采集點采集信號。采用在信號激勵點中施加集中力載荷的方式激勵超聲導波，集中力的方向為沿管道法向向外，激勵信號采用漢寧窗調制的10周期信號，信號中心頻率為60 kHz，信號采集點采集管道軸向位移信號。在管道焊縫上設置圓形貫通缺陷，直徑為10 mm。

圖2 缺陷檢測激勵-傳感路徑設置Fig.2 Configuration of defect detection excitation-sensing paths

2.2 缺陷定位結果

根據數值仿真設置的激勵-傳感路徑，可提取出其中的相似路徑。首先將路徑進行分組，取相互平行的路徑為同一組相似路徑進行分析，每一組包括8條路徑，具體見表1。理論上，第1組和第5組、第2組和第4組分別為相似路徑，然而為了缺陷信號提取方便，本節采用表1中的分組方式。為方便表達，本小節采用路徑編號的方式，對同一組路徑依次進行編號，分別記為P1～P8，其中P1表示信號激勵點為A3的路徑，P2表示信號激勵點為A4的路徑，并以此類推。

表1 缺陷檢測相似路徑分組Table 1 Groups of similar paths for defect detection

圖3為管道超聲導波傳播數值仿真位移云圖。超聲導波從信號激勵點出發，同時往不同方向傳播，采用的是單點激勵方式，因此在管道中不會快速形成管道超聲導波，其傳播類似于板類結構的Lamb波。事實上，大口徑管道可近似看作具有一定曲率的曲面薄壁結構，因此超聲導波的傳播類似于薄壁結構中的Lamb波。圖3中可見超聲導波在遇到焊縫和缺陷時都會發生類似的相互作用，故穿過缺陷的信號比不穿過缺陷的信號情況更加復雜，更加難以解釋，因此直接識別焊縫缺陷信號比較困難。

圖3 管道超聲導波傳播數值仿真位移云圖Fig.3 Displacement nephogram derived from numerical simulation of ultrasonic guided wave propagation in pipeline

圖4所示為不同分組健康區域(不受缺陷影響的區域)和受缺陷影響區域相鄰路徑位移信號對比。

圖4 不同分組健康區域和受缺陷影響區域相鄰路徑信號對比Fig.4 Comparison of adjacent path signals between healthy and defect-affected areas between different groups

由圖4可見，健康區域路徑距離缺陷較遠，受缺陷影響較小，因此信號中幾乎不含缺陷信號；而受缺陷影響區域路徑信號中會包含缺陷信號。對于不同分組，健康區域路徑信號符合較好，說明數值仿真模型管道和焊縫的對稱性較好，受缺陷影響區域相鄰路徑信號之間存在差異，這種差異是缺陷引起的。因此，通過對比相鄰路徑信號，可獲取結構焊縫處的缺陷信號。

圖5給出了不同分組路徑的原始信號與提取的缺陷信號對比。其中缺陷信號按照式(1)的方法進行提取。

圖5 不同路徑原始信號與缺陷提取信號對比Fig.5 Comparison of original and defect extraction signals of different paths

由圖5可知，分組1路徑P2和分組3路徑P1中都提取出了明顯的缺陷信號，而分組5路徑P3中未提取到缺陷信號。根據設置的缺陷位置和對應的激勵傳感路徑可知，分組1中路徑P2通過缺陷中心，分組3中路徑P1通過缺陷中心，而分組5所有路徑均離缺陷較遠。

因此，缺陷信號提取結果與數值仿真實際設置的缺陷信息相符合。

圖6給出了不同分組路徑的缺陷指數，其中缺陷指數按照式(2)計算。對于分組1，缺陷指數在路徑P1～P3處較大，在路徑P2處達到最大，在路徑P4和P7處較小，這說明了路徑分組1中P2受缺陷影響最大。對于分組2，路徑P1～P7缺陷指數較小，路徑P8缺陷指數最大。然而與分組1缺陷指數相比，分組2所有缺陷指數都比較小，說明了相比于分組1路徑P2，分組2路徑受到缺陷影響較小。事實上，根據缺陷位置、尺寸以及設置的激勵-傳感路徑，缺陷恰好介于分組2的P1和P2路徑(路徑A3-S2和A4-S3)之間，故分組2中沒有路徑穿過缺陷。對于分組3，路徑P1缺陷指數最大，路徑P5缺陷指數最小，其余路徑缺陷指數約為路徑P1的，這說明分組3的P1路徑受缺陷影響最大。對于分組4和5，其路徑缺陷指數較小，說明分組4和分組5中所有路徑受缺陷影響較小。

圖6 不同分組路徑缺陷指數Fig.6 Defect indexes of paths by groups

綜合分組1～分組5的路徑缺陷指數可知，分組1中路徑P2和分組3中路徑P1穿過缺陷中心，即缺陷中心位于這兩條路徑交點處，這與實際設置的缺陷位置相符合，如圖7所示。

圖7 缺陷中心定位Fig.7 Locations of defect centers

3 管道焊縫區域缺陷檢測試驗

3.1 試驗設置

焊縫缺陷超聲導波檢測試驗在不銹鋼焊接管道上進行，如圖8所示。管道長1 000 mm，外徑610 mm，內徑590 mm，壁厚10 mm。在管道中間設置一條焊縫，焊縫寬20 mm，在焊縫中特定周向位置處預制有3種缺陷，分別為未焊透缺陷(長23 mm)、裂紋缺陷(長10 mm)和未熔合缺陷(長18 mm)。采用固定距離移動式傳感器組對管道焊縫進行掃描，以檢測焊縫缺陷。采用超聲導波損傷診斷系統控制信號的激勵和采集，激勵信號為漢寧窗調制的10周期正弦信號，信號中心頻率為90 kHz。

圖8 管道焊縫缺陷檢測試驗Fig.8 Pipeline weld defect detection testing

管道焊縫缺陷檢測示意圖如圖9所示。在管道展開平面上，對于選定的缺陷檢測區域，建立平面直角坐標系，其中Y方向與焊縫平行，缺陷檢測區域下端對應Y=0。將傳感器組從缺陷檢測區域沿平行于焊縫的Y方向進行掃描，每次信號采集完成之后平移一個步長再采集數據，直至完成整個缺陷檢測區域掃描。試驗中選取的待檢測焊縫長度為480 mm，共設置25條信號激勵-傳感路徑，依次記為P1～P25，相鄰2條路徑距離間隔為20 mm，每條路徑處采集一組信號。試驗中未焊透缺陷中心位于路徑P3對應的周向位置處，裂紋缺陷中心位于路徑P14對應的位置處，未熔合缺陷中心位于路徑P20處。管道焊縫缺陷檢測試驗圖如圖10所示。

圖9 管道焊縫缺陷檢測示意圖Fig.9 Schematic diagram of pipeline weld defect detection

圖10 管道焊縫缺陷檢測試驗圖Fig.10 Illustrative diagram of pipeline weld defect detection testing

3.2 試驗結果分析與討論

圖11為健康區域(不受缺陷影響區域)超聲導波信號對比。傳感器采集信號中有2個明顯波包，第一個是串擾信號(無效信號)，第二個為由信號激勵傳感器激勵出的穿過焊縫的超聲導波信號，故只需關注第二個波包信號，以下所提的信號均表示第二個波包信號。

圖11 健康區域不同路徑信號對比Fig.11 Comparison of signals from different paths in healthy areas

對于路徑P5和路徑P6，兩者信號基本重合，一致性較好。這是由于兩者為相鄰路徑，在管道周向上距離間隔為20 mm，距離相對較近，焊縫在這2條路徑對應周向位置處的性質差異不大，即這2條路徑相似性較好。對于路徑P5和P7、P5和P8，兩者之間間隔一條路徑，在管道周向上的間距為40 mm。這2條路徑信號在幅值上存在少量差異，這是由于這2條路徑在周向上間隔距離較遠，焊縫在這2條路徑對應的周向位置處的性質存在一定差異，這2條路徑雖然都未受到缺陷影響，但受到焊縫的影響，兩者已不是理論上的相似路徑。分析可知，由于實際結構焊縫往往在周向上特性并不完全一致，故相鄰路徑信號之間更具有對比性，且為了保證缺陷識別的可靠性，相鄰路徑之間的間距不宜過大。

未熔合缺陷(路徑P3)附近不同路徑信號對比如圖12所示。由于缺陷正對P3路徑，且長度較小，故只有P3路徑穿過缺陷，受缺陷影響較大，其余路徑受缺陷影響較小。路徑P1和P2信號基本重合，表面這2條路徑受到缺陷的影響都比較小，與以上分析相吻合。路徑P2和P3的信號存在明顯差異，路徑P3的信號幅值小于路徑P2，說明路徑P3在穿過未熔合缺陷時，部分能量發生了反射，故透射波能量減小。同理，路徑P3幅值小于路徑P4。路徑P4和P5信號基本重合，說明這2條路徑受缺陷影響都比較小。分析結果可知，在路徑P1和P2處采集到的信號為超聲導波穿過缺陷之后的透射信號，這2條路徑受缺陷影響較小。當傳感器組掃描至路徑P3時，由于此時正對缺陷中心，傳感器采集到的信號是超聲導波穿過焊縫和缺陷的信號，此時信號相比于相鄰路徑發生了變化。當傳感器組通過未熔合區域之后，采集到的信號為受未熔合缺陷影響較小的信號。因此，通過對比相鄰路徑信號，可實現缺陷周向位置識別。

圖12 未熔合缺陷附近不同路徑信號對比Fig.12 Comparison of signals from different paths near unfused defects

圖13為裂紋缺陷區域不同路徑信號對比。

圖13 裂紋缺陷區域不同路徑信號對比Fig.13 Comparison of signals from different paths in the crack defect area

由圖13可知，與未熔合缺陷情況類似，路徑P11～P13受裂紋缺陷影響較小，故相鄰路徑信號對比差異較小；路徑P14正對裂紋中心，故P14與相鄰路徑信號之間都有一定差異，其中路徑P14與P13信號幅值和相位都有一定差異；而路徑P14與P15之間信號差異小于路徑P14與P13。結果同樣說明，通過對比相鄰路徑信號，可實現缺陷周向位置識別。

通過對比相鄰路徑信號計算得到的所有路徑缺陷指數如圖14所示，其中缺陷指數按照式(2)和式(3)給出的方法計算。由圖14可知，有3條路徑缺陷指數明顯比較大，分別為路徑P3、P14和P20，這3條路徑分別正對未熔合缺陷、裂紋缺陷和未焊透缺陷中心。除了路徑P3、P14和P20之外，其余路徑缺陷指數都比較小，最大缺陷指數都小于這3條路徑缺陷指數的。這說明采用這種相似路徑的方法識別焊縫缺陷精度較高，即可實現較小缺陷的識別。

圖14 不同路徑缺陷指數Fig.14 Defect indexes of different paths

4 結 論

(1)提出了基于相似路徑的管道焊縫缺陷無基準超聲導波檢測方法。通過合理設置信號激勵和采集點，利用管道和焊縫的對稱性，設置多條信號激勵-傳感路徑。根據提取出的缺陷散射信號，可計算相關路徑表征缺陷的指數。結合設定的信號激勵-傳感路徑，確定焊縫缺陷位置，缺陷指數越大，表示路徑受缺陷影響越大，最終實現管道焊縫缺陷的周向定位。

(2)管道焊縫缺陷檢測數值仿真，以驗證所提出的基于相似路徑焊縫缺陷檢測方法的有效性。數值仿真在焊縫上設置了圓形通孔缺陷，同時設置了相互交叉的相似路徑，通過路徑缺陷指數識別出通過缺陷路徑，進而利用通過缺陷路徑的交點實現缺陷中心的識別。

(3)通過對比相鄰路徑信號計算得到的所有路徑缺陷指數，有3條路徑缺陷指數明顯比較大，分別為路徑P3、P14和P20，這3條路徑分別正對未熔合缺陷、裂紋缺陷和未焊透缺陷中心。數值仿真和試驗結果都證明了基于相似路徑的方法在管道焊縫缺陷檢測中的有效性。