计算机超声检测装置在管道焊缝缺陷检测中的应用

巨佳 王银强 刘天时

摘要：本文主要介绍了超声检测缺陷定量的基本原理以及管道焊缝超声检测的主要历程，并对各历程存在的优缺点作了简单介绍。其对进一步完善我国油气管道焊缝超声检测评价技术、验收标准和检测设备具有一定的推动作用，从而使管道焊缝缺陷超声检测的准确性不断提高，使管道更加安全可靠及长期稳定地运行，以便减少因焊缝缺陷而引起的重大事故。

关键词：管道 焊缝 超声检测 缺陷 定量

0 引言

管道是油气输送的主要工具，其焊接工作量大，基本全线焊接量的80%都依靠组合焊（手工电弧焊+半自动焊）施工，从而使得焊缝质量更为关键[1]。对于野外现场组焊的管道，其焊缝大多采用超声波方法检测。超声波是指频率在20kHz以上的声波。用于超声检测的声波频率范围为0.4～25MHz。在超声探伤中，脉冲反射法使用最多。其中，斜射的横波探伤由于容易发现垂直于探测面或倾斜较大的缺陷而主要用于焊缝探伤[2]。采用超声斜射法检测内部缺陷，其有效探测深度可达400mm。在焊缝缺陷超声检测中，一般需要确定的缺陷有点状缺陷、条渣、未焊透、未融合、裂纹等。这些缺陷会减小结构承载横截面的有效面积，同时会在缺陷周边区域产生应力集中而降低焊件结构的强度，从而对其使用性能及寿命产生不利影响。而焊缝缺陷超声检测主要有两个任务：一是判断焊缝有无缺陷；二是当判断有缺陷后，就要对其进行评定，而评定的关键内容之一就是对缺陷的定量。通过对缺陷定量，进而评价该焊缝有无实用价值及修复的可能性。因此，应定期对有焊缝的管道进行全面的缺陷检测并加以分析，以便进行安全评估，从而保证管道安全经济地运行。

1 超声检测缺陷定量的基本原理

管道焊缝中的实际缺陷是多种多样的，而且超声波的波长又较小，因此，要确定其真值大小是非常困难的，甚至是不可能的。目前主要是利用来自缺陷的反射波高、沿试件表面测出的缺陷延伸范围以及存在缺陷时底面回波的变化等信息，对缺陷的尺寸进行评定。评定的方法包括回波高度法、当量评定法和长度测量法。当缺陷尺寸小于声束截面时，可用缺陷回波幅度当量直接表示缺陷的大小；当缺陷尺寸大于声束截面时，则需用缺陷指示长度测定方法确定缺陷的延伸长度。当把高频超声波入射到被检测物中时，如果遇到缺陷（界面），则一部分入射超声波被反射，并利用探头接收反射信号，从而可不损坏工件而检测出缺陷的大小（尺寸）和位置。当采用当量法时，实际缺陷与人工规则缺陷比较的具体方法是这样的：在灵敏度、耦合损失、材质衰减等检测条件相同时，工件某一声程上的实际缺陷的回波声压或高度，与试块同声程上规则的人工缺陷的回波声压或高度相等时，则认为该试块上人工缺陷的尺寸或面积就相当于工件中实际缺陷的尺寸或面积，这就是缺陷定量中的“当量法”[3]。

对于长输管线，当管道焊缝为点状缺陷时，一般采用当量法来确定其大小；当缺陷为线状缺陷时，一般根据波形情况采用端点衍射法、6dB法或端点6dB法测高；当缺陷为体积型缺陷时，可采用6dB法或端点6dB法测量长度和断面尺寸；当缺陷为平面缺陷时，也可采用同样的方法测长、测高；对于最大回波高度可用距离-波幅曲线进行评定[4]。

2 超声检测管道焊缝缺陷的历程

利用超声定量检测的方法对管道焊缝缺陷进行检测，主要经历了三个阶段，与此相对应的也有三种相应的检测技术。

第一阶段：20世纪90年代初以前，对管道焊缝缺陷进行检测主要使用传统的A型显示脉冲反射超声波探伤仪，通过示波屏显示回波，模拟信号为当时的采集处理信号[5]。根据示波屏上反射信号的有无、反射信号和入射信号的时间间隔、反射信号的高度，确定反射面的有无、其所在位置及相对大小。图1即为A型脉冲反射式超声检测仪的基本电路框图。

在扫描电路和发射电路中，同时加入了同步电路产生的触发脉冲，在触发的作用下，扫描电路开始工作，在示波管水平偏转板加入了产生的扫描电压，使电子束发生偏转，同时在荧光屏上产生一条扫描线。同时，发射产生调频窄脉冲，加至探头，激励压电晶片振动，在工件中产生超声波，同时在工件中传播，超声波遇到缺陷或底面反射，返回探头时，重新被压电晶片转换为电信号，经接收电路处理后，加至示波管垂直偏转板上，使电子束发生垂直偏转，在相应位置上产生缺陷波和底波。由于仪器水平扫描线的长短与扫描电压有关，而扫描电压与时间成正比，因此反射波的位置能反映声波传播的时间。又由于反射波幅度的高低与接收的电讯号大小有关，电讯号的大小取决于接收的反射声能多少，而反射声能又与缺陷反射面的形状和尺寸有一定关系，故由此可以对缺陷定量和评价。

通常情况下，在现场由人工完成许多计算，以及人工绘制DAC曲线，在这种情况下，劳动强度大，检测时间长。其中，DAC曲线是表示某一大小的缺陷在不同声程位置上波幅的变化曲线，是距离-波幅曲线的简称。距离-波幅曲线应按所选用的仪器-探头系统在标准试块上的实测值（波幅）绘制，其由判废线、定量线和测长线（又称评定线）组成。通过这条曲线，可以判定被检测到的缺陷相对于这条曲线的当量。此外，在焊缝探伤中，一方面要求探伤人员必须熟练掌握超声波探伤技术，另一方面要求探伤人员了解焊接接头型式、焊接坡口型式、焊接方法和焊接缺陷等有关的焊接基本知识。只有这样，探伤人员才能根据焊缝的实际情况，选择科学合理的探测方法，进而取得正确的探测结果。由于其受人为主观因素干扰大，因此需要有经验的人员认真操作，在一定程度上确保检测结果的可靠性，对所发现缺陷作十分准确的定性、定量表征仍有困难。

第二阶段：20世纪90年代中后期至2002年，在这一阶段数字式超声波检测技术占主导地位，相对于模拟检测技术来说，波形的数字处理与传输提高了检测的速度和可靠性。在计算机与传统的超声检测系统相结合的背景下，使超声检测技术向数字化、智能化方向发展。

在计算机系统中，通过程序来完成数字信号的处理工作。通常情况下，首先消除信号中的噪声；其次通过UT对除去噪声的信号进行增益控制、衰减补偿、取得信号包络线等检测处理。接收部分对超声信号进行放大处理，在模数转换器的作用下将模拟信号转变为数字信号同时传给计算机，借助计算机或者人工操作的方式对换能器的位置进行控制，位置通过转换器变为数字进而传给计算机。计算机对随时间和位置变化的超声波形进行处理，通过控制探伤系统对将处理结果通过波形、探伤仪图形的方式显示在屏幕上，或者打印出来，或给出相应的光、声识别及报警信号。如图2所示是数字化超声波探伤仪的整个系统结构。

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同传统探伤仪相比，数字化超声探伤仪具备以下优点：

①速度快。对于数字化超声探伤仪来说，通常情况下都能够进行自动检测、计算、记录，甚至能够自动进行深度补偿，以及对灵敏度进行自动设置，进而提高了检测速度和检测效率。

②精度高。同传统仪器的检测结果相比较，由于数字化超声探伤仪直接对模拟信号进行采集、量化、计算、判别，因而其检测精度大大提高。

③记录和档案检测。对于数字化超声探伤仪来说，可以直接提供检测记录和缺陷图像。

④可靠性高，稳定性好。由于数字化超声探伤仪能够对数据进行全面、客观地采集和存储，同时对数据进行实时处理或事后处理，分析信号的时域、频域或图像，对工件质量通过模式进行识别，同时进行分级，在一定程度上减少了人为因素的影响，检索的可靠性和稳定性都明显提高。

由于其实现了自动判伤，自动读出和显示缺陷位置与当量值，并存储和打印输出探伤报告，大大地提高了探伤结果的可信度。在检测技术方面，数字式与模拟式都通过单发单收探头和A型脉冲波进行显示，而且其模-数转换器（即A/D转换器）使得采样频率、数据长度、显示器的分辨率、刷新速度等带来的信号失真，可能对检测信号的评价带来一定的影响。在使用时，必须对这些因素加以考虑，以免造成缺陷的漏检、误检等问题[6]。

第三阶段：21世纪始至今，在这段时期主要应用全自动超声波检测技术（AUT）。在AUT技术中，融合了A扫描、B扫描以及超声衍射时差法（TOFD）和相控阵技术等，对焊缝通过多通道（或多探头）分区法进行分层检测，对双门带状A型、B型和TOFD显示图可以实时获得，同时对焊缝的三维缺陷分布图进行重建，完成超声成像检测。目前，AUT技术成为管道焊缝超声检测的主流方向。

2.1 TOFD超声波成像检测技术

所谓超声TOFD技术（衍射波时差法）是指借助超声波与缺陷端部之间的相互作用，发出的衍射波对缺陷进行检测，同时对其进行定量。超声TOFD技术采用一发一收的双探头结构，使用压力探头，通常情况下反射角范围在45°～70°，横向纵波通过发射探头进行发射。焊缝中的横向纵波在传播的过程中，遇到缺陷后在缺陷尖端产生衍射波，如果缺陷部位的高度足够，在时间上缺陷两端点的信号是可以进行分辨的，通过对缺陷部位上下端部散射波和衍射波的传播时间进行计算，那么缺陷的埋藏深度和自身高度就可以计算出来。

TOFD法是利用固体中声速最快的纵波来检测的，它不受变型波的影响，它不像单斜探头横波法，会受接收信号回波高度和探头扫查距离的影响。其信噪比高，且与接收波强度无关，而只与接收时间有关，故定量精度比传统方法高。

超声TOFD技术对焊缝未融合、未焊透检出率较高，一方面对缺陷的长度和高度进行检测，另一方面声束角度、探测方向、缺陷表面粗糙度、及探头压力等对定量不会造成影响，可实时得到焊缝断面的透视图像。通过专用计算机软件系统对检测结果进行扫描，完成后自动存储数据，并生成报告，通过硬拷贝的形式将操作者标记出来的缺陷打印输出。然而，缺陷的定量仍由探伤人员进行，不同人员对信号的解释仍存在差异。

2.2 相控阵超声检测技术

在国外，相控阵超声检测技术已被广泛应用于长输管线的环焊缝检测。它是一种多声束扫描成像技术，超声波检测探头是由多个晶片组成的换能器阵列，阵列单元在激发电路激励下以可控的相位激发出超声波，并使超声波声束在确定的声场处聚焦。相控阵超声波各声束相位可控，由电子控制聚焦焦点，使超声波检测的灵敏度和缺陷分辨力更高、检测图象更清晰、检测速度更快，可高质量完成对焊缝的线性扫查、实时显示及结果评价。对于研制的新型管道环焊缝相控阵超声设备，数据处理显示软件可对检测的数据包进行处理，通过图形的方式将检测结果显示出来，对缺陷的位置、大小、类型等以图形/数据等方式进行显示。主视图、左侧视图、右侧视图、通道视图等共同组成图形画面。另外，图形具有局部放大、缩小的功能，提供缺陷标定、缺陷列表显示、报表预览和报表打印功能[7]。

2.3 全自动超声波检测（AUT）

带状图、TOFD和B扫描分三部分共同组成全自动超声波的扫查图。对于缺陷的位置和性质，检测设备通过在每个通道的阈门进行判断，计算单元通过对声束的延迟时间进行计算来完成对阈门的设置，同时将门内的反射信号搜集到采集单元，作为缺陷记录，而滤掉门外的信号。通过A扫描的形式显示带状图，探头移动距离通过纵轴显示，回波幅度和回波时间通过横轴显示；TOFD是焊缝的侧视图，探头移动距离用纵轴表示，缺陷在焊缝中的深度用横轴表示；B扫描是焊缝的俯视图，探头移动距离用纵轴表示，缺陷在焊缝中的水平分布用横轴表示[8]。

对于管道，根部焊接尤为关键，而且其评定也复杂，通常都要通过对几个通道综合分析来评判缺陷的性质和长度。热焊区域的缺陷主要是由于钝边的厚度和坡口角度原因造成的。根据对缺陷产生的原因分析，可以得到在热焊部位的缺陷性质和深度。对于填充层缺陷，按照缺陷占有通道的数量对缺陷自身的高度进行粗判，如果需要对缺陷高度进行精确测量，可以利用TOFD通道对缺陷自身的高度进行测量。当系统对一道焊缝扫查完成后，AUT系统自动进入数据分析模式。检测人员应根据显示图像、设计要求和相关标准分析和评定焊接质量。

全自动超声波检测技术提高了对缺陷的定量能力，其能测量出垂直方向上每个分区深度内的缺陷尺寸，对缺陷定位准确，检测灵敏度高、定量精度高。此外，其还能通过调整入射角得到最佳的反射回波，能检测出位于熔合线和焊缝中心的缺陷，测量结果接近客观值（自动记录缺陷的长度、深度和位置）。

虽然全自动超声波检测在管道焊缝检测中具有速度快、对面积型缺陷检出率高、缺陷定位准确和显示直观等特点，但其也具有不适用于手工焊打底或手工焊焊缝、试块制备以及调试过程复杂、指导标准欠缺和设备昂贵等缺陷。

3 结束语

①焊缝缺陷属于管道失效原因中的固有因素，主要与管道本身制造质量、安装过程有关。对管道采取有效的检测与维护措施，将有效降低管道运行中失效的风险。

②管道焊缝的探伤面是曲面，对于薄壁管，在上下壁厚及焊缝表面易产生几何反射而造成假缺陷信号引起误判。对于厚壁管，一般选用较低的频率，较小的K值探头。与一般焊缝超声波检测相比，具有一定的难度，因此在进行超声检测时应更为严格和谨慎。

③超声波扫描自动探伤是用于识别缺陷位置及大小的有效手段，可检测到缺陷的精确尺寸，方便地记录评定指标、打印图像及综合处理多次探伤的图像信息。

④随着自动焊技术的不断发展，全自动超声波检测技术（AUT）也趋于成熟和完善，其中AUT扫查图的评判是一项技术含量非常高的工作，一方面需要对检测人员进行大量的培训，另一方面需要掌握评判的技巧和经验。

参考文献：

[1]王小保，崔鹏，解腾云.长输油气管道对接焊缝的超声检测研究[J].辽宁化工，2011，40（3）：302-311.

[2]何仁洋，修长征.油气管道检测与评价[M].北京：中国石化出版社，2009：28-30.

[3]宋天民.超声检测[M].北京：中国石化出版社，2012：22-24.

[4]高雁翔.大口径供热管道焊缝的超声波探伤[J].无损探伤，2002（4）：34-35.

[5]罗爱民，王友江.管道焊缝的全自动相控阵超声波检测技术[J].无损检测，2008，30（9）：628-630.

[6]史亦韦.超声检测[M].北京：机械工业出版社，2005：50-57.

[7]刘全利，白世武，李佳等.新型管道环焊缝相控阵超声检测设备的研制[J].管道技术与设备，2010（5）：30-32.

[8]房金库.全自动超声波检测管道焊缝缺陷的评判[J].石油工程建设，2010，36（4）：60-62.

作者简介：巨佳（1985-），女，陕西永寿人，西安石油大学计算机学院研究生，研究方向：计算机技术应用。