張宏亮，王寶忠，白振軍，李 健，曹立江

（廊坊北檢無損檢測公司，廊坊 065001）

自2002年西氣東輸管道工程開始，PipeWizard自動相控陣超聲波系統(tǒng)被首次引進(jìn)我國陸上長輸管道對接環(huán)焊縫檢測，該系統(tǒng)界面使用了雙門帶狀圖［1］、B掃圖、TOFD（超聲波衍射時差法）掃描圖來描述一個焊縫的超聲波檢測掃查結(jié)果。

該系統(tǒng)中有兩個概念“時間門”和“波幅門”，長期以來國內(nèi)見到的中文版本介紹兩個門的文字基本相同，但其描述不夠清晰。如：“時間門用來設(shè)定掃查范圍，濾掉指定區(qū)域以外的反射信號?！逼錄]有表達(dá)出只采集時間門和波幅門交集中波幅達(dá)到某一高度脈沖的時間信息的含義，同樣波幅門描述里也沒有描述出是一個用于決定時間門內(nèi)測量時間值所用回波的采集范圍的意思。以上兩個門內(nèi)的5%和20%的波幅限定容易和波幅門本身發(fā)生混淆?！安ǚT的起點和終點與時間門相同。”應(yīng)描述為“采集波幅信息的時間范圍與采集時間信息的時間范圍相同”，“帶狀圖以顏色塊來顯示時間門”應(yīng)描述為“帶狀圖以色塊顏色表示波幅高度，以色塊高度表示時間值”。雖然有歧義的描述并不影響系統(tǒng)的使用，但不易理解和學(xué)習(xí)，而掌握門的概念并能熟練地運用，將為排除干擾準(zhǔn)確定性打下良好的基礎(chǔ)。為此，筆者特重新翻譯英文原稿，并通過試驗，重新整理并繪圖，詳細(xì)介紹了兩個門的概念及應(yīng)用。

1 門的物理意義及作用

1.1 設(shè)置門的目的和方法

該系統(tǒng)中的雙門帶狀圖的基本原理與常規(guī)手動超聲波一樣，都是橫波脈沖反射法。每一個脈沖回波信號中都包含了波幅信息和時間信息，波幅信息用于判斷反射體的當(dāng)量大小，時間信息用于計算出反射體的位置。

如圖1所示，為便于定位，系統(tǒng)采用以坡口面為基準(zhǔn)零點的相對定位方法，可以設(shè)置一個對稱于坡口位置的時間范圍，只采集本時間范圍內(nèi)的回波波幅信息和時間信息。將絕對時間定位變?yōu)橄鄬r間定位，并不會影響反射信號的定位。

圖1 時間門與波幅門相對焊縫的位置示意

此外描述的時間范圍與常規(guī)數(shù)字超聲波中的閘門類似，常規(guī)數(shù)字超聲波中的閘門既采集時間信息也采集波幅信息，并根據(jù)閘門內(nèi)波幅最高點測定時間值自動計算出反射波位置和顯示出回波當(dāng)量。

不同廠家的系統(tǒng)中，門的設(shè)置也不相同，有的只設(shè)置一個門。在長輸管道行業(yè)實際應(yīng)用中，主要是使用PipeWizard系統(tǒng)，該系統(tǒng)為了即能保證相對坡口定位，又能進(jìn)一步保證靈活地濾除感興趣區(qū)域以外信號的干擾和降低采集數(shù)據(jù)量。設(shè)置了兩個分開的門，一個負(fù)責(zé)限定采集時間信息的范圍，一個用來限定采集波幅信息的范圍。采集反射波時間信息的時間范圍為“時間門”，采集反射波波幅信息的時間范圍為“波幅門”，一般對稱設(shè)置情況下除了焊縫根部以外，波幅門與時間門的采集時間范圍都相同。

1.2 系統(tǒng)規(guī)定

（1）為便于缺陷的定位，時間門設(shè)置成對稱于坡口面。

（2）只對波幅門與時間門共同“套住”的時間范圍內(nèi)波幅高度大于20%滿屏高的回波測量時間，兩者是“與”的關(guān)系。波幅門必須在時間門范圍內(nèi)，否則設(shè)置無意義。

（3）在波幅門內(nèi)設(shè)置一個波幅門檻，波幅小于5%滿屏高（－26dB）的信號因其幅度很低，對缺陷發(fā)現(xiàn)貢獻(xiàn)很小，其數(shù)據(jù)不予記錄，相當(dāng)于普通超聲波儀器里的“抑制”功能，也能節(jié)省存儲空間，如圖2所示。

（4）為了方便結(jié)果的評定，將波幅門與時間門共同“套住”的時間范圍內(nèi)不同幅度的反射波采用了分段假彩色顯示，如：20%～40%波幅為綠色，40%～80%波幅為紅色，高于80%波幅為黃色表示。這樣，利用人眼對色彩信息的高度敏感性，可以很快識別波幅高于40%的回波，其高度（左右方向）由時間門內(nèi)的時間決定，顏色由波幅門內(nèi)的波幅決定。一般檢測標(biāo)準(zhǔn)里規(guī)定波幅40%（紅色塊）為評定與測長線，波高大于80%的黃色則代表了反射波當(dāng)量高度已經(jīng)達(dá)到了φ2mm平底孔。

（5）波幅門內(nèi)的回波峰值包絡(luò)線以黑色曲線形式顯示。

圖2 時間門與波幅門設(shè)置示意

1.3 門的作用

如圖3所示，因為時間門對稱于坡口面，當(dāng)時間門內(nèi)色塊的長度為本層分區(qū)長度的50%時就說明反射體正好位于坡口面上，小于50%說明反射體位于熱影響區(qū)里，大于50%說明反射體位于焊縫內(nèi)。

圖3 波幅門和時間門示意

評定時，可以根據(jù)時間門內(nèi)色塊的高度判斷反射波的位置，如圖4所示。在實際評定過程中，也經(jīng)?？梢娙鐖D5的顯示波形，波幅門內(nèi)的波幅較高，顯示出彩色色塊，但其時間門內(nèi)的時間值較高，說明反射波位于焊道底部，可以判斷其為幾何反射，因為錯邊也可能造成同樣的幾何反射，此時還應(yīng)通過TOFD通道觀察該焊口有無錯邊，錯邊的TOFD通道底面反射波將出現(xiàn)“雙底邊”，如圖6所示。幾何反射如果設(shè)置沒有問題，也無錯邊，則應(yīng)該檢查軌道安裝位置是否偏移，這樣便會掩蓋到焊縫根部未熔合缺陷，造成漏判。

圖4 波幅門和時間門評定示意

圖5 實際掃查圖中的波幅信息和時間信息

圖6 焊縫根部錯邊的TOFD圖像

1.4 焊縫根部的設(shè)置

在整體門設(shè)置采用對稱門設(shè)置時，對于根焊內(nèi)坡口，如圖1所示。完全按照教科書上的“以坡口熔合線為中心，起點在熔合線外3mm左右（檢查熱影響區(qū)缺陷），終點至少過焊縫中心線1mm，保證覆蓋焊縫中心。”因為根部焊縫體積很小，設(shè)置的時間門不能保證對稱于坡口面，將造成坡口面不在帶狀圖的中間位置，不利于自動焊焊縫根部坡口未熔合缺欠的定性和定位。這種情況下，進(jìn)行對稱設(shè)置，將時間門起點選在熔合線外3mm，終點延長到熔合線以內(nèi)3mm。為了避免焊縫根部底波反射干擾評定，將波幅門縮短到不接觸根焊道底面反射波的長度，這會使波幅門短于時間門，如圖7所示。

圖7 焊縫根部的門設(shè)置

1.5 非對稱門設(shè)置

實際工作中也可以根據(jù)具體的坡口形式采用非對稱門設(shè)置。非對稱設(shè)置中的波幅門設(shè)置為焊縫熔合線外3mm，終止于過焊縫中心線1mm，而時間門的長度則依然對稱于坡口面，且時間門的起點并不一定是在坡口面前3mm，其起點位置由焊縫內(nèi)時間門的長度決定。例如：時間門在焊縫內(nèi)的長度為5mm（保證時間門終點至少過焊縫中心線1mm的前提下），時間門的起點位置則是在坡口前5mm，示意圖如圖8所示。

圖8 非對稱門設(shè)置

2 門設(shè)置中容易出現(xiàn)的錯誤及如何識別錯誤

2.1 掃查圖及校準(zhǔn)圖上下游相對應(yīng)的通道門長不一致

本應(yīng)對稱設(shè)置的上下游（上下游分別對應(yīng)于管道環(huán)焊縫的兩側(cè)，一般進(jìn)油氣方向定義為上游）相同分區(qū)的通道門長度，由于門長設(shè)置不對稱，可能會造成覆蓋不夠，從而可能造成漏檢。此處的門長是指波幅門。

對于上下游相同分區(qū)的通道的門長是否相同，一個快捷識別的方法是：直接觀察試塊掃查圖，上下游對應(yīng)通道必須能同時看到中心通孔（或通槽），這時就不需要再詳細(xì)查看門長數(shù)據(jù)了。如果一側(cè)能看到，一側(cè)不能看到，則說明門長有不一致的可能。應(yīng)采用以下方法確認(rèn)門長。

點擊想要查看的通道名稱，然后把紅藍(lán)光標(biāo)分別放置在主波峰的上下兩側(cè)，再觀察Gate的數(shù)值，如圖9～12所示。

圖9 系統(tǒng)在專用試塊上的校準(zhǔn)圖

圖10 上游根部通道數(shù)據(jù)放大圖

圖11 下游根部通道數(shù)據(jù)放大圖

2.2 時間門和波幅門的不準(zhǔn)確設(shè)置

時間門和波幅門的設(shè)置十分重要，不正確的設(shè)置可能造成定位不準(zhǔn)從而造成定性錯誤，也可能造成漏檢，在試塊校準(zhǔn)圖上根據(jù)如下步驟可檢查門的錯誤設(shè)置。

（1）查看各個通道的時間門是否對稱于坡口面，如圖13，如果顯示門位置的數(shù)值在－1～1mm之內(nèi)，此時則說明本通道的校準(zhǔn)合格，最佳顯示位置為0mm。

（2）為了保證中心區(qū)域不漏檢，應(yīng)確認(rèn)各個通道的門長度是否至少超過焊縫中心線1mm，在校準(zhǔn)圖上每個通道必須要能看到中心通孔（或通槽），其波幅在5%～100%之間，即中心通孔顯示有包絡(luò)線出現(xiàn)或呈現(xiàn)綠、紅、黃色塊均可，此處是看其能否覆蓋到中心部位，而不看中心孔的回波幅度。如圖14，紅藍(lán)測量光標(biāo)線之間為中心通孔反射波（或通槽）的波幅顯示。

圖12 下游根部通道數(shù)據(jù)局部放大圖

圖13 中心通孔的反射波

圖14 中心通孔的反射波的波幅顯示

3 結(jié)論

通過查閱翻譯原始英文資料，分析了時間門和波幅門的設(shè)置原理，并對原始資料沒有明確的內(nèi)容也給予了通俗的解釋，對于一些理解，也用相控陣超聲波設(shè)備進(jìn)行了驗證。正確掌握兩個門的含義，并能在工程實踐中熟練地使用，對于自動焊焊縫坡口未熔合缺陷的判讀和系統(tǒng)設(shè)置起著關(guān)鍵的作用。

［1］RD－TECH，PipeWIZARD Interpretation Manual［M］.［s.l.］：［s.n］2000，10.