PipeWizard管道環(huán)焊縫超聲自動檢測系統(tǒng)中時間門和波幅門的理解

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：“時間門用來設定掃查范圍，濾掉指定區(qū)域以外的反射信號。”其沒有表達出只采集時間門和波幅門交集中波幅達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，但不易理解和學習，而掌握門的概念并能熟練地運用，將為排除干擾準確定性打下良好的基礎。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，詳細介紹了兩個門的概念及應用。

1 門的物理意義及作用

1.1 設置門的目的和方法

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零點的相對定位方法，可以設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量。

不同廠家的系統(tǒng)中，門的設置也不相同，有的只設置一個門。在長輸管道行業(yè)實際應用中，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。設置了兩個分開的門，一個負責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”的關系。波幅門必須在時間門范圍內(nèi)，否則設置無意義。

（3）在波幅門內(nèi)設置一個波幅門檻，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)貢獻很小，其數(shù)據(jù)不予記錄，相當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。一般檢測標準里規(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量高度已經(jīng)達到了φ2mm平底孔。

（5）波幅門內(nèi)的回波峰值包絡線以黑色曲線形式顯示。

圖2 時間門與波幅門設置示意

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。幾何反射如果設置沒有問題，也無錯邊，則應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 焊縫根部的設置

在整體門設置采用對稱門設置時，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?！币驗楦亢缚p體積很小，設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，進行對稱設置，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 焊縫根部的門設置

1.5 非對稱門設置

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置。非對稱設置中的波幅門設置為焊縫熔合線外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 非對稱門設置

2 門設置中容易出現(xiàn)的錯誤及如何識別錯誤

2.1 掃查圖及校準圖上下游相對應的通道門長不一致

本應對稱設置的上下游（上下游分別對應于管道環(huán)焊縫的兩側，一般進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查看門長數(shù)據(jù)了。如果一側能看到，一側不能看到，則說明門長有不一致的可能。應采用以下方法確認門長。

點擊想要查看的通道名稱，然后把紅藍光標分別放置在主波峰的上下兩側，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確設置

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

（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合格，最佳顯示位置為0mm。

（2）為了保證中心區(qū)域不漏檢，應確認各個通道的門長度是否至少超過焊縫中心線1mm，在校準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，紅藍測量光標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備進行了驗證。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)設置起著關鍵的作用。

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