摘要：在高温、高压、高流速、高腐蚀环境下，油气长输管道焊缝处在应力和腐蚀的交互作用下极易出现各种裂纹和腐蚀缺陷。针对该问题，采用超声波衍射时差法（TOFD）开展了管道焊缝的相关检测，研究了TOFD相关信号的特征及缺陷信号的提取；对典型焊缝缺陷分析后，应用小波变换进行了增益数的模型优化。在现场，通过检测某段管道的环焊缝以及支架角焊缝，得到以下验证：TOFD可以用于壁厚大于12mm的管道检测，可快速、准确地定位和检测焊缝缺陷，为管道完整性的评估提供理论依据。
关键词：超声波衍射时差法；仿真计算；小波变换；缺陷信号
随着国家经济的快速发展，截止2017年中国陆上油气长输管道总里程达到2×105km，其中60％～70％的管道服役时间超过20a［1－2］。油气长输管道多为大管径、厚壁管道，在高温、高压、高流速、高腐蚀环境条件下，焊缝处存在缺陷，在应力和腐蚀的共同作用下，将会出现应力腐蚀裂纹（SCC）、氢致裂纹（HIC）、硫化物应力腐蚀裂纹（SSC）、疲劳裂纹、晶间腐蚀开裂等，最终导致管道失效泄漏，对经济和环境产生重大影响。通过调研当前国内外管道焊缝无损检测技术的最新进展，结合现状，决定采用超声波衍射时差法（TOFD）开展管道焊缝的相关检测［3］，研究了TOFD相关信号的特征及缺陷信号的提取，通过仿真计算和室内试验进行模型解析，随后应用小波变换进行了增益数的模型优化，在现场实际工况条件下对管道的环焊缝以及角焊缝进行检测验证，以保证现场无损检测的准确性。
1TOFD原理
TOFD是近年来发展的一项可以指导实际工程应用的无损检测技术，基本原理是将1对尺寸大小、相位角度以及收发频率相同的纵波探头放置在待检测的焊缝两侧，其中1个探头发射超声波脉冲，另1个探头接收脉冲。如果焊缝表面或内部没有缺陷，则会接收到表面直通波信号（LW）和底面回波信号（BW）；如果有缺陷，则还会接收到缺陷上部和下部产生的衍射波［4－5］。根据纵波在焊缝中的传播速度以及探头接收到不同回波的时间差，可以准确地计算出焊缝内缺陷的埋藏深度；同时，由于TOFD选取的探头角度一般为45°，60°，70°，在实际应用中缺陷深度的差值（dmax－dmin）一般不会超过10％，因此可满足多数场合的应用要求。为了研究TOFD是否能够对缺陷进行准确定位和定量，分析了表面开口型缺陷、气孔缺陷、夹渣缺陷、根部未焊透缺陷、裂纹缺陷等几种典型焊缝缺陷，总结了典型焊缝缺陷的TOFD图像特点；针对油层状态下的信号识别，并采用小波变换优化了增益数。
2典型焊缝缺陷分析
考虑到长输管道常用壁厚多在10～30mm［6］，根据NB／T47013．10―2015《承压设备无损检测第10部分：衍射时差法超声检测》中的相关规定，TOFD适用于壁厚12mm及以上的压力管道及压力容器检测，因此根据现场管道的材质、壁厚、坡口型式以及焊接工艺，设计了厚度20mm对接焊缝模型和试件，母材为低合金、高强度结构钢16MnR，焊接方式为手工电弧焊（SMAW），坡口型式为V型。TOFD采用美国声学公司制造的POCK－ETUT检测仪器，探头角度参照NB／T47013．10―2015《承压设备无损检测第10部分：衍射时差法超声检测》附录选择为60°，探头中间间距取69mm，晶片尺寸6mm，晶片频率5MHz，扫查方式采用沿焊缝方向的非平行扫查。为了更好地施行不停产检测，分别对管道内部的几种典型缺陷形式进行了检测。超声TOFD通常提供3种类型的数据显示，分别是A扫描、D扫描、B扫描。TOFD技术中探头所接收到的信号为A扫描信号，通过信号处理，将信号转换为D扫描（或B扫描）图像，D扫描（或B扫描）图像较A扫描信号具有更大的信息量，更有利于缺陷的识别和分析。
2．1表面开口型缺陷
表面开口型缺陷包括：上表面开口缺陷、下表面开口缺陷和贯穿缺陷。1）上表面开口缺陷。信号特征为A扫描信号中未出现直通波，D扫描图像中直通波断开，未检测到缺陷上端点的衍射信号，仅观察到与直通波相位相同的缺陷下端点的衍射信号，底面回波信号基本无变化。2）下表面开口缺陷。信号特征为底面回波消失或中断，图像中无缺陷下端点的衍射信号，只有与直通波相位相反的缺陷上端点衍射信号，表面直通波的信号无明显变化。3）贯穿缺陷。由于缺陷在试件的上、下表面完全裂开，因此发射探头和接收探头的衍射波信号会完全中断，直通波和底面回波信号也会中断，该缺陷相对容易识别。
2．2气孔缺陷
气孔属于点状缺陷，按照气孔数量和分布特点可以分为单个气孔、密集气孔和连续气孔。气孔的D扫描图像为多个独立的点状缺陷图像的叠加，由于缺陷内部充满空气，在对应的射线检测底片上，表现为深浅不一的圆点。
2．3夹渣缺陷
夹渣缺陷中，小夹渣与气孔的检测图像特征类似，在此不再重复。条状夹渣缺陷的D扫描图像比较杂乱，在长度方向会出现1条比较长的直线，但深度不一，且缺陷上端为反射信号，信号较强；缺陷下端为衍射信号，信号较弱。
2．4根部未焊透缺陷
根部未焊透缺陷与焊缝的坡口型式密切相关，如为X型坡口，则信号图像位于检测图像的中间位置；如为V型坡口，则信号图像位于检测图像的底面位置，属于下表面开口型缺陷，该缺陷会表现出很强的衍射信号，该信号与底面回波的相位相反，缺陷高度对底面回波的影响较小。
2．5裂纹缺陷
裂纹缺陷的图像具有参差不齐的轮廓，其上、下端点的衍射信号既不规则，也不连续，端点信号之间还会出现很多杂乱无章的信号，但裂纹缺陷在射线检测底片上容易识别，一般具有中间略宽、两端细小的成像特征。TOFD的最大缺点：当管道的底部有油垢存在时，实际扫查结果存在明显的底部反射信号较强的现象，在同等增益的情况下，导致直通波信号偏弱，上表面缺陷不易识别，但如果降低整个增益，又会导致底部缺陷不易检出。因此，采用小波变换进行简单处理，小波变换是将不同的参数进行归一化处理后进行积分变换。用Matlab软件进行小波变化处理后可提高增益数，同时达到检测效果，解决管道带压、带液条件下导致的上表面缺陷不易识别和底部缺陷漏检的问题，油层状态下处理后的检测结果，图像的深度和质量较常规方式均有明显提高。
3现场试验
在实验室计算和验证取得预期效果的情况下，针对某输油管道开展了实际检测验证对比试验，试验对象母材为L365N，尺寸为?813mm×15mm，设计压力11．5MPa，设计温度78℃，检测长度2km，工作介质为原油。检测部位为部分环焊缝、角焊缝的焊缝区和热影响区，试验原定为停产、不卸料，拆除保温层后进行试验，但由于生产工作的连续性，未实现停产检测，采取了拆除保温层、砂纸打磨部分区域的方式进行试验。TOFD检测将管道按照环向90°分成了4段，并与常规射线检测结果进行对比，其中第1段环焊缝经TOFD检测发现了1处为深度9mm、长度2mm、高度1．1mm的条状埋藏缺陷和3处底部腐蚀缺陷，射线只发现了1处缺陷；第2段经TOFD检测发现了1处在近表面长约10mm的埋藏缺陷和2处底部腐蚀缺陷，射线只发现了1处缺陷；第3段经TOFD检测发现了1处深度9．6mm、高度2．1mm的面积状埋藏缺陷和1处底部腐蚀缺陷，射线未发现缺陷；第4段经TOFD检测发现了3处埋藏缺陷和5处底部腐蚀缺陷，射线发现了2处缺陷。由于之前该段管道的支架连接部位多次出现渗漏现象，采用TOFD检测了其中一处角焊缝，检测出内壁侧1处根部缺陷，但由于检测空间的限制，未能进行定位检测和常规射线对比试验。通过与常规射线的检测结果对比，发现TOFD检测在不卸料、不停产情况下，可以检测到管道多处埋藏缺陷和内壁腐蚀情况，不仅能够给出准确的位置和尺寸，还较射线可检测出更多的缺陷类型。
4结束语
通过缺陷模型，在室内对20mm试件的对接焊缝进行了缺陷检测，并针对TOFD检测结果不易识别出上表面缺陷和底部缺陷的特点，利用小波变化优化了模型参数，最后在现场对管道的环焊缝和角焊缝缺陷情况进行了对比验证，证明了TOFD可在不停产、不卸料的条件下检测出更多的缺陷和内壁腐蚀情况，但在实际应用中还有以下问题值得注意：1）高温条件对TOFD的影响。目前国际通用的标准中规定检测温度不应超过50℃，但现场实际工况条件基本上均超过该上限温度，为了符合当前标准法规的要求，需要考虑温度因素对检测结果的影响。2）国内TOFD标准规定的适用壁厚下限为12mm，但部分油气田集输管道的壁厚往往小于10mm，因此对该类管道使用TOFD检测时，需要考虑与标准的冲突和演示验证的问题。
参考文献：
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作者:李大林 司宗庆 贾向明 李颖 侯涛 单位:中国石油大连石化公司 中国石油华北油田公司 中国石油西南管道天水输油气分公司 中国石油吐哈油田分公司 中国石油青海油田分公司
