楊永鋒 馮挺 邵濤

西安三環(huán)科技開發(fā)總公司 陜西西安 710077

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20a。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。但是，一旦管道在輸送過程中出現(xiàn)了破損、裂痕等情況就極易發(fā)生能源泄露以及爆炸，從而危害到人民群眾的安全，因此，管道焊縫的質(zhì)量直接影響到了管道結(jié)構(gòu)的整體性和安全性。為了更好地檢查管道焊縫的質(zhì)量，一般采取管道焊縫的無損檢測(cè)技術(shù)，無損檢測(cè)技術(shù)是判定管道焊縫是否合格、完整、安全的關(guān)鍵手段，采用合適的無損檢測(cè)技術(shù)可以更好地判斷出管道的質(zhì)量。為了更好地減少管道事故，提高管道運(yùn)輸能源的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，我國(guó)需要不斷提高管道焊縫無損檢測(cè)技術(shù)，從而及時(shí)地修復(fù)管道焊縫中的缺陷，保證管道焊縫的完整性、安全性、可靠性。

1 管道焊縫概述

管道焊縫主要是指通過適當(dāng)?shù)奈锢矸绞綇亩B接管道與管道，使得管道和管道兩個(gè)固態(tài)物體產(chǎn)生原子間的結(jié)合力而連接在一起。管道焊縫是打造大規(guī)模管道系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，激光焊是常見的管道焊縫技術(shù)，具有較高能量、較高精度的特點(diǎn)，可以適用于大口徑的管道焊縫。隨著激光焊縫技術(shù)的不斷成熟，激光焊縫技術(shù)的應(yīng)用范圍也越來越廣，并且在管道焊縫過程中也展現(xiàn)出來了更多的優(yōu)良性能，例如防止熱裂和冷裂的能力。激光焊縫技術(shù)中的組織晶粒較細(xì)，在進(jìn)行管道焊縫中可以有效地防止熱裂紋的產(chǎn)生，再加上焊縫速度較高管道熱烈變敏感度也會(huì)變低，激光焊縫技術(shù)加熱區(qū)域小，對(duì)于管道焊縫具有著重要的意義，因此激光焊縫金屬成為了管道焊縫先進(jìn)制造技術(shù)，可以將管道焊縫過程簡(jiǎn)單化、集中化、自動(dòng)化[1]。

2 典型焊縫缺陷分析

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1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]。

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。

3 基于TOFD的管道焊縫無損檢測(cè)技術(shù)

3.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與仿真計(jì)算

考慮到長(zhǎng)輸管道常用壁厚多在10～30mm之間，根據(jù)NB/T47013.10—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12mm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20mm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SMAW，坡口型式為X型，分別在試件上預(yù)設(shè)上表面開口、埋藏缺陷和下底面開口（較腐蝕更難以檢測(cè)到）等人工缺陷。試件解析模型如圖1所示。

圖1 試件及缺陷設(shè)置示意圖

TOFD檢測(cè)采用美國(guó)聲學(xué)公司制造的POCK-ETUT檢測(cè)儀器，探頭的參數(shù)參照NB/T47013.10—2015附錄選擇60°，探頭中間間距取69mm，晶片尺寸6mm，晶片頻率5MHz，掃查方式采用沿焊縫方向非平行掃查。為了更好地進(jìn)行不停產(chǎn)檢測(cè)，分別對(duì)管道內(nèi)部有無油層狀態(tài)下的三種缺陷形式進(jìn)行檢測(cè)和掃描，檢測(cè)結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 無油層狀態(tài)下的TOFD檢測(cè)結(jié)果

圖3 油層狀態(tài)下的TOFD檢測(cè)結(jié)果

由圖2、圖3可知，當(dāng)?shù)撞坑杏凸笗r(shí)，實(shí)際掃查結(jié)果明顯存在底部反射信號(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。

為了提高缺陷檢測(cè)效率，減少噪聲對(duì)信號(hào)的影響，將深度學(xué)習(xí)引入信號(hào)識(shí)別和降噪全過程。其中，小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的非線性映射能力，具有廣泛的適應(yīng)性，已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域成功應(yīng)用，可以對(duì)文字、圖像、語音進(jìn)行有效識(shí)別。在此，主要應(yīng)用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的閾值去噪功能，基于噪聲和有效信號(hào)頻率、幅值的不同，通過對(duì)不同類型的小波系數(shù)進(jìn)行閾值處理，高于閾值的小波系數(shù)被保留，低于閾值的被清零，從而有效控制噪聲，進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)。

在小波閾值去噪的過程中，最重要的是閾值函數(shù)和閾值規(guī)則的選取。對(duì)于閾值函數(shù)，常用的主要有硬閾值和軟閾值兩種，硬閾值會(huì)造成小波系數(shù)篩選的不連續(xù)性，容易出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象；而軟閾值雖然將輸入、輸出函數(shù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)函數(shù)，但在小波重構(gòu)的過程中容易出現(xiàn)奇異點(diǎn)缺失的現(xiàn)象。在此，引入一個(gè)折中方案，即采用改進(jìn)的一致函數(shù)，當(dāng)小波系數(shù)低于設(shè)置的閾值時(shí)，不進(jìn)行直接置零，而是進(jìn)行平滑置零處理，可保證加、減閾值后的過渡處理[3]。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及結(jié)果分析

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9mm、長(zhǎng)度2mm、高度1.1mm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10mm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9.6mm、高度2.1mm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。

通過缺陷模型，在室內(nèi)對(duì)20mm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12mm，但部分油氣田集輸管道的壁厚往往小于10mm，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。

4 結(jié)語

為了更好地加強(qiáng)管道焊縫檢測(cè)技術(shù)，在進(jìn)行管道焊縫檢測(cè)過程中，可以采用紅外線+TOFD超聲波檢測(cè)技術(shù)，兩種檢測(cè)技術(shù)通過使用可以有效地解決兩者的不足，相互補(bǔ)充、取長(zhǎng)補(bǔ)短，將檢測(cè)效果達(dá)到極致，我們稱這樣的管道檢測(cè)技術(shù)為綜合無損檢測(cè)技術(shù)。