巨佳 王銀強(qiáng) 劉天時(shí)

摘要：本文主要介紹了超聲檢測(cè)缺陷定量的基本原理以及管道焊縫超聲檢測(cè)的主要?dú)v程，并對(duì)各歷程存在的優(yōu)缺點(diǎn)作了簡(jiǎn)單介紹。其對(duì)進(jìn)一步完善我國(guó)油氣管道焊縫超聲檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)設(shè)備具有一定的推動(dòng)作用，從而使管道焊縫缺陷超聲檢測(cè)的準(zhǔn)確性不斷提高，使管道更加安全可靠及長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行，以便減少因焊縫缺陷而引起的重大事故。

關(guān)鍵詞：管道 焊縫 超聲檢測(cè) 缺陷 定量

0 引言

管道是油氣輸送的主要工具，其焊接工作量大，基本全線(xiàn)焊接量的80%都依靠組合焊（手工電弧焊+半自動(dòng)焊）施工，從而使得焊縫質(zhì)量更為關(guān)鍵[1]。對(duì)于野外現(xiàn)場(chǎng)組焊的管道，其焊縫大多采用超聲波方法檢測(cè)。超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波。用于超聲檢測(cè)的聲波頻率范圍為0.4～25MHz。在超聲探傷中，脈沖反射法使用最多。其中，斜射的橫波探傷由于容易發(fā)現(xiàn)垂直于探測(cè)面或傾斜較大的缺陷而主要用于焊縫探傷[2]。采用超聲斜射法檢測(cè)內(nèi)部缺陷，其有效探測(cè)深度可達(dá)400mm。在焊縫缺陷超聲檢測(cè)中，一般需要確定的缺陷有點(diǎn)狀缺陷、條渣、未焊透、未融合、裂紋等。這些缺陷會(huì)減小結(jié)構(gòu)承載橫截面的有效面積，同時(shí)會(huì)在缺陷周邊區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中而降低焊件結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，從而對(duì)其使用性能及壽命產(chǎn)生不利影響。而焊縫缺陷超聲檢測(cè)主要有兩個(gè)任務(wù)：一是判斷焊縫有無(wú)缺陷；二是當(dāng)判斷有缺陷后，就要對(duì)其進(jìn)行評(píng)定，而評(píng)定的關(guān)鍵內(nèi)容之一就是對(duì)缺陷的定量。通過(guò)對(duì)缺陷定量，進(jìn)而評(píng)價(jià)該焊縫有無(wú)實(shí)用價(jià)值及修復(fù)的可能性。因此，應(yīng)定期對(duì)有焊縫的管道進(jìn)行全面的缺陷檢測(cè)并加以分析，以便進(jìn)行安全評(píng)估，從而保證管道安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

1 超聲檢測(cè)缺陷定量的基本原理

管道焊縫中的實(shí)際缺陷是多種多樣的，而且超聲波的波長(zhǎng)又較小，因此，要確定其真值大小是非常困難的，甚至是不可能的。目前主要是利用來(lái)自缺陷的反射波高、沿試件表面測(cè)出的缺陷延伸范圍以及存在缺陷時(shí)底面回波的變化等信息，對(duì)缺陷的尺寸進(jìn)行評(píng)定。評(píng)定的方法包括回波高度法、當(dāng)量評(píng)定法和長(zhǎng)度測(cè)量法。當(dāng)缺陷尺寸小于聲束截面時(shí)，可用缺陷回波幅度當(dāng)量直接表示缺陷的大??；當(dāng)缺陷尺寸大于聲束截面時(shí)，則需用缺陷指示長(zhǎng)度測(cè)定方法確定缺陷的延伸長(zhǎng)度。當(dāng)把高頻超聲波入射到被檢測(cè)物中時(shí)，如果遇到缺陷（界面），則一部分入射超聲波被反射，并利用探頭接收反射信號(hào)，從而可不損壞工件而檢測(cè)出缺陷的大?。ǔ叽纾┖臀恢?。當(dāng)采用當(dāng)量法時(shí)，實(shí)際缺陷與人工規(guī)則缺陷比較的具體方法是這樣的：在靈敏度、耦合損失、材質(zhì)衰減等檢測(cè)條件相同時(shí)，工件某一聲程上的實(shí)際缺陷的回波聲壓或高度，與試塊同聲程上規(guī)則的人工缺陷的回波聲壓或高度相等時(shí)，則認(rèn)為該試塊上人工缺陷的尺寸或面積就相當(dāng)于工件中實(shí)際缺陷的尺寸或面積，這就是缺陷定量中的“當(dāng)量法”[3]。

對(duì)于長(zhǎng)輸管線(xiàn)，當(dāng)管道焊縫為點(diǎn)狀缺陷時(shí)，一般采用當(dāng)量法來(lái)確定其大?。划?dāng)缺陷為線(xiàn)狀缺陷時(shí)，一般根據(jù)波形情況采用端點(diǎn)衍射法、6dB法或端點(diǎn)6dB法測(cè)高；當(dāng)缺陷為體積型缺陷時(shí)，可采用6dB法或端點(diǎn)6dB法測(cè)量長(zhǎng)度和斷面尺寸；當(dāng)缺陷為平面缺陷時(shí)，也可采用同樣的方法測(cè)長(zhǎng)、測(cè)高；對(duì)于最大回波高度可用距離-波幅曲線(xiàn)進(jìn)行評(píng)定[4]。

2 超聲檢測(cè)管道焊縫缺陷的歷程

利用超聲定量檢測(cè)的方法對(duì)管道焊縫缺陷進(jìn)行檢測(cè)，主要經(jīng)歷了三個(gè)階段，與此相對(duì)應(yīng)的也有三種相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)。

第一階段：20世紀(jì)90年代初以前，對(duì)管道焊縫缺陷進(jìn)行檢測(cè)主要使用傳統(tǒng)的A型顯示脈沖反射超聲波探傷儀，通過(guò)示波屏顯示回波，模擬信號(hào)為當(dāng)時(shí)的采集處理信號(hào)[5]。根據(jù)示波屏上反射信號(hào)的有無(wú)、反射信號(hào)和入射信號(hào)的時(shí)間間隔、反射信號(hào)的高度，確定反射面的有無(wú)、其所在位置及相對(duì)大小。圖1即為A型脈沖反射式超聲檢測(cè)儀的基本電路框圖。

在掃描電路和發(fā)射電路中，同時(shí)加入了同步電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖，在觸發(fā)的作用下，掃描電路開(kāi)始工作，在示波管水平偏轉(zhuǎn)板加入了產(chǎn)生的掃描電壓，使電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)在熒光屏上產(chǎn)生一條掃描線(xiàn)。同時(shí)，發(fā)射產(chǎn)生調(diào)頻窄脈沖，加至探頭，激勵(lì)壓電晶片振動(dòng)，在工件中產(chǎn)生超聲波，同時(shí)在工件中傳播，超聲波遇到缺陷或底面反射，返回探頭時(shí)，重新被壓電晶片轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)接收電路處理后，加至示波管垂直偏轉(zhuǎn)板上，使電子束發(fā)生垂直偏轉(zhuǎn)，在相應(yīng)位置上產(chǎn)生缺陷波和底波。由于儀器水平掃描線(xiàn)的長(zhǎng)短與掃描電壓有關(guān)，而掃描電壓與時(shí)間成正比，因此反射波的位置能反映聲波傳播的時(shí)間。又由于反射波幅度的高低與接收的電訊號(hào)大小有關(guān)，電訊號(hào)的大小取決于接收的反射聲能多少，而反射聲能又與缺陷反射面的形狀和尺寸有一定關(guān)系，故由此可以對(duì)缺陷定量和評(píng)價(jià)。

通常情況下，在現(xiàn)場(chǎng)由人工完成許多計(jì)算，以及人工繪制DAC曲線(xiàn)，在這種情況下，勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)。其中，DAC曲線(xiàn)是表示某一大小的缺陷在不同聲程位置上波幅的變化曲線(xiàn)，是距離-波幅曲線(xiàn)的簡(jiǎn)稱(chēng)。距離-波幅曲線(xiàn)應(yīng)按所選用的儀器-探頭系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)試塊上的實(shí)測(cè)值（波幅）繪制，其由判廢線(xiàn)、定量線(xiàn)和測(cè)長(zhǎng)線(xiàn)（又稱(chēng)評(píng)定線(xiàn)）組成。通過(guò)這條曲線(xiàn)，可以判定被檢測(cè)到的缺陷相對(duì)于這條曲線(xiàn)的當(dāng)量。此外，在焊縫探傷中，一方面要求探傷人員必須熟練掌握超聲波探傷技術(shù)，另一方面要求探傷人員了解焊接接頭型式、焊接坡口型式、焊接方法和焊接缺陷等有關(guān)的焊接基本知識(shí)。只有這樣，探傷人員才能根據(jù)焊縫的實(shí)際情況，選擇科學(xué)合理的探測(cè)方法，進(jìn)而取得正確的探測(cè)結(jié)果。由于其受人為主觀(guān)因素干擾大，因此需要有經(jīng)驗(yàn)的人員認(rèn)真操作，在一定程度上確保檢測(cè)結(jié)果的可靠性，對(duì)所發(fā)現(xiàn)缺陷作十分準(zhǔn)確的定性、定量表征仍有困難。

第二階段：20世紀(jì)90年代中后期至2002年，在這一階段數(shù)字式超聲波檢測(cè)技術(shù)占主導(dǎo)地位，相對(duì)于模擬檢測(cè)技術(shù)來(lái)說(shuō)，波形的數(shù)字處理與傳輸提高了檢測(cè)的速度和可靠性。在計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合的背景下，使超聲檢測(cè)技術(shù)向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通過(guò)程序來(lái)完成數(shù)字信號(hào)的處理工作。通常情況下，首先消除信號(hào)中的噪聲；其次通過(guò)UT對(duì)除去噪聲的信號(hào)進(jìn)行增益控制、衰減補(bǔ)償、取得信號(hào)包絡(luò)線(xiàn)等檢測(cè)處理。接收部分對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行放大處理，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的作用下將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)同時(shí)傳給計(jì)算機(jī)，借助計(jì)算機(jī)或者人工操作的方式對(duì)換能器的位置進(jìn)行控制，位置通過(guò)轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字進(jìn)而傳給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)對(duì)隨時(shí)間和位置變化的超聲波形進(jìn)行處理，通過(guò)控制探傷系統(tǒng)對(duì)將處理結(jié)果通過(guò)波形、探傷儀圖形的方式顯示在屏幕上，或者打印出來(lái)，或給出相應(yīng)的光、聲識(shí)別及報(bào)警信號(hào)。如圖2所示是數(shù)字化超聲波探傷儀的整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

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同傳統(tǒng)探傷儀相比，數(shù)字化超聲探傷儀具備以下優(yōu)點(diǎn)：

①速度快。對(duì)于數(shù)字化超聲探傷儀來(lái)說(shuō)，通常情況下都能夠進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、計(jì)算、記錄，甚至能夠自動(dòng)進(jìn)行深度補(bǔ)償，以及對(duì)靈敏度進(jìn)行自動(dòng)設(shè)置，進(jìn)而提高了檢測(cè)速度和檢測(cè)效率。

②精度高。同傳統(tǒng)儀器的檢測(cè)結(jié)果相比較，由于數(shù)字化超聲探傷儀直接對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集、量化、計(jì)算、判別，因而其檢測(cè)精度大大提高。

③記錄和檔案檢測(cè)。對(duì)于數(shù)字化超聲探傷儀來(lái)說(shuō)，可以直接提供檢測(cè)記錄和缺陷圖像。

④可靠性高，穩(wěn)定性好。由于數(shù)字化超聲探傷儀能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行全面、客觀(guān)地采集和存儲(chǔ)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理或事后處理，分析信號(hào)的時(shí)域、頻域或圖像，對(duì)工件質(zhì)量通過(guò)模式進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)進(jìn)行分級(jí)，在一定程度上減少了人為因素的影響，檢索的可靠性和穩(wěn)定性都明顯提高。

由于其實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)判傷，自動(dòng)讀出和顯示缺陷位置與當(dāng)量值，并存儲(chǔ)和打印輸出探傷報(bào)告，大大地提高了探傷結(jié)果的可信度。在檢測(cè)技術(shù)方面，數(shù)字式與模擬式都通過(guò)單發(fā)單收探頭和A型脈沖波進(jìn)行顯示，而且其模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（即A/D轉(zhuǎn)換器）使得采樣頻率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、顯示器的分辨率、刷新速度等帶來(lái)的信號(hào)失真，可能對(duì)檢測(cè)信號(hào)的評(píng)價(jià)帶來(lái)一定的影響。在使用時(shí)，必須對(duì)這些因素加以考慮，以免造成缺陷的漏檢、誤檢等問(wèn)題[6]。

第三階段：21世紀(jì)始至今，在這段時(shí)期主要應(yīng)用全自動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)（AUT）。在A(yíng)UT技術(shù)中，融合了A掃描、B掃描以及超聲衍射時(shí)差法（TOFD）和相控陣技術(shù)等，對(duì)焊縫通過(guò)多通道（或多探頭）分區(qū)法進(jìn)行分層檢測(cè)，對(duì)雙門(mén)帶狀A(yù)型、B型和TOFD顯示圖可以實(shí)時(shí)獲得，同時(shí)對(duì)焊縫的三維缺陷分布圖進(jìn)行重建，完成超聲成像檢測(cè)。目前，AUT技術(shù)成為管道焊縫超聲檢測(cè)的主流方向。

2.1 TOFD超聲波成像檢測(cè)技術(shù)

所謂超聲TOFD技術(shù)（衍射波時(shí)差法）是指借助超聲波與缺陷端部之間的相互作用，發(fā)出的衍射波對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行定量。超聲TOFD技術(shù)采用一發(fā)一收的雙探頭結(jié)構(gòu)，使用壓力探頭，通常情況下反射角范圍在45°～70°，橫向縱波通過(guò)發(fā)射探頭進(jìn)行發(fā)射。焊縫中的橫向縱波在傳播的過(guò)程中，遇到缺陷后在缺陷尖端產(chǎn)生衍射波，如果缺陷部位的高度足夠，在時(shí)間上缺陷兩端點(diǎn)的信號(hào)是可以進(jìn)行分辨的，通過(guò)對(duì)缺陷部位上下端部散射波和衍射波的傳播時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，那么缺陷的埋藏深度和自身高度就可以計(jì)算出來(lái)。

TOFD法是利用固體中聲速最快的縱波來(lái)檢測(cè)的，它不受變型波的影響，它不像單斜探頭橫波法，會(huì)受接收信號(hào)回波高度和探頭掃查距離的影響。其信噪比高，且與接收波強(qiáng)度無(wú)關(guān)，而只與接收時(shí)間有關(guān)，故定量精度比傳統(tǒng)方法高。

超聲TOFD技術(shù)對(duì)焊縫未融合、未焊透檢出率較高，一方面對(duì)缺陷的長(zhǎng)度和高度進(jìn)行檢測(cè)，另一方面聲束角度、探測(cè)方向、缺陷表面粗糙度、及探頭壓力等對(duì)定量不會(huì)造成影響，可實(shí)時(shí)得到焊縫斷面的透視圖像。通過(guò)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行掃描，完成后自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并生成報(bào)告，通過(guò)硬拷貝的形式將操作者標(biāo)記出來(lái)的缺陷打印輸出。然而，缺陷的定量仍由探傷人員進(jìn)行，不同人員對(duì)信號(hào)的解釋仍存在差異。

2.2 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)

在國(guó)外，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)輸管線(xiàn)的環(huán)焊縫檢測(cè)。它是一種多聲束掃描成像技術(shù)，超聲波檢測(cè)探頭是由多個(gè)晶片組成的換能器陣列，陣列單元在激發(fā)電路激勵(lì)下以可控的相位激發(fā)出超聲波，并使超聲波聲束在確定的聲場(chǎng)處聚焦。相控陣超聲波各聲束相位可控，由電子控制聚焦焦點(diǎn)，使超聲波檢測(cè)的靈敏度和缺陷分辨力更高、檢測(cè)圖象更清晰、檢測(cè)速度更快，可高質(zhì)量完成對(duì)焊縫的線(xiàn)性?huà)卟椤?shí)時(shí)顯示及結(jié)果評(píng)價(jià)。對(duì)于研制的新型管道環(huán)焊縫相控陣超聲設(shè)備，數(shù)據(jù)處理顯示軟件可對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，通過(guò)圖形的方式將檢測(cè)結(jié)果顯示出來(lái)，對(duì)缺陷的位置、大小、類(lèi)型等以圖形/數(shù)據(jù)等方式進(jìn)行顯示。主視圖、左側(cè)視圖、右側(cè)視圖、通道視圖等共同組成圖形畫(huà)面。另外，圖形具有局部放大、縮小的功能，提供缺陷標(biāo)定、缺陷列表顯示、報(bào)表預(yù)覽和報(bào)表打印功能[7]。

2.3 全自動(dòng)超聲波檢測(cè)（AUT）

帶狀圖、TOFD和B掃描分三部分共同組成全自動(dòng)超聲波的掃查圖。對(duì)于缺陷的位置和性質(zhì)，檢測(cè)設(shè)備通過(guò)在每個(gè)通道的閾門(mén)進(jìn)行判斷，計(jì)算單元通過(guò)對(duì)聲束的延遲時(shí)間進(jìn)行計(jì)算來(lái)完成對(duì)閾門(mén)的設(shè)置，同時(shí)將門(mén)內(nèi)的反射信號(hào)搜集到采集單元，作為缺陷記錄，而濾掉門(mén)外的信號(hào)。通過(guò)A掃描的形式顯示帶狀圖，探頭移動(dòng)距離通過(guò)縱軸顯示，回波幅度和回波時(shí)間通過(guò)橫軸顯示；TOFD是焊縫的側(cè)視圖，探頭移動(dòng)距離用縱軸表示，缺陷在焊縫中的深度用橫軸表示；B掃描是焊縫的俯視圖，探頭移動(dòng)距離用縱軸表示，缺陷在焊縫中的水平分布用橫軸表示[8]。

對(duì)于管道，根部焊接尤為關(guān)鍵，而且其評(píng)定也復(fù)雜，通常都要通過(guò)對(duì)幾個(gè)通道綜合分析來(lái)評(píng)判缺陷的性質(zhì)和長(zhǎng)度。熱焊區(qū)域的缺陷主要是由于鈍邊的厚度和坡口角度原因造成的。根據(jù)對(duì)缺陷產(chǎn)生的原因分析，可以得到在熱焊部位的缺陷性質(zhì)和深度。對(duì)于填充層缺陷，按照缺陷占有通道的數(shù)量對(duì)缺陷自身的高度進(jìn)行粗判，如果需要對(duì)缺陷高度進(jìn)行精確測(cè)量，可以利用TOFD通道對(duì)缺陷自身的高度進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)系統(tǒng)對(duì)一道焊縫掃查完成后，AUT系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入數(shù)據(jù)分析模式。檢測(cè)人員應(yīng)根據(jù)顯示圖像、設(shè)計(jì)要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析和評(píng)定焊接質(zhì)量。

全自動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)提高了對(duì)缺陷的定量能力，其能測(cè)量出垂直方向上每個(gè)分區(qū)深度內(nèi)的缺陷尺寸，對(duì)缺陷定位準(zhǔn)確，檢測(cè)靈敏度高、定量精度高。此外，其還能通過(guò)調(diào)整入射角得到最佳的反射回波，能檢測(cè)出位于熔合線(xiàn)和焊縫中心的缺陷，測(cè)量結(jié)果接近客觀(guān)值（自動(dòng)記錄缺陷的長(zhǎng)度、深度和位置）。

雖然全自動(dòng)超聲波檢測(cè)在管道焊縫檢測(cè)中具有速度快、對(duì)面積型缺陷檢出率高、缺陷定位準(zhǔn)確和顯示直觀(guān)等特點(diǎn)，但其也具有不適用于手工焊打底或手工焊焊縫、試塊制備以及調(diào)試過(guò)程復(fù)雜、指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)欠缺和設(shè)備昂貴等缺陷。

3 結(jié)束語(yǔ)

①焊縫缺陷屬于管道失效原因中的固有因素，主要與管道本身制造質(zhì)量、安裝過(guò)程有關(guān)。對(duì)管道采取有效的檢測(cè)與維護(hù)措施，將有效降低管道運(yùn)行中失效的風(fēng)險(xiǎn)。

②管道焊縫的探傷面是曲面，對(duì)于薄壁管，在上下壁厚及焊縫表面易產(chǎn)生幾何反射而造成假缺陷信號(hào)引起誤判。對(duì)于厚壁管，一般選用較低的頻率，較小的K值探頭。與一般焊縫超聲波檢測(cè)相比，具有一定的難度，因此在進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)應(yīng)更為嚴(yán)格和謹(jǐn)慎。

③超聲波掃描自動(dòng)探傷是用于識(shí)別缺陷位置及大小的有效手段，可檢測(cè)到缺陷的精確尺寸，方便地記錄評(píng)定指標(biāo)、打印圖像及綜合處理多次探傷的圖像信息。

④隨著自動(dòng)焊技術(shù)的不斷發(fā)展，全自動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)（AUT）也趨于成熟和完善，其中AUT掃查圖的評(píng)判是一項(xiàng)技術(shù)含量非常高的工作，一方面需要對(duì)檢測(cè)人員進(jìn)行大量的培訓(xùn)，另一方面需要掌握評(píng)判的技巧和經(jīng)驗(yàn)。

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作者簡(jiǎn)介：巨佳（1985-），女，陜西永壽人，西安石油大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用。