港區(qū)輸油管道半自動(dòng)焊全自動(dòng)超聲檢測(cè)(AUT)工藝的仿真計(jì)算與可靠性評(píng)估

胡艷華，蔣文新*，詹水芬

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.天津東方泰瑞科技有限公司，天津 300192)

管道運(yùn)輸作為國(guó)內(nèi)危險(xiǎn)貨物綜合交通運(yùn)輸體系的五大運(yùn)輸方式之一，具有運(yùn)輸連續(xù)、效率高、環(huán)境適用性強(qiáng)、污染少、運(yùn)輸成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)[1]。分析表明，管道運(yùn)輸?shù)某杀緸殍F路運(yùn)輸?shù)?/5、公路運(yùn)輸?shù)?/20、航空運(yùn)輸?shù)?/66[2]。因此，港區(qū)輸油管道的敷設(shè)施工與投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，不僅可有效促進(jìn)港口優(yōu)勢(shì)港航資源與原油煉化、集輸集群的緊密融合，而且對(duì)促進(jìn)港口的多功能全方位轉(zhuǎn)型，加快建設(shè)世界一流港口，串聯(lián)地方藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)具有重大意義。

近年來，港區(qū)管道敷設(shè)工程量逐年增長(zhǎng)，僅以遼寧省為例，截至2018年底，該省共有港區(qū)管線1 168條，總長(zhǎng)890.63 km。目前，國(guó)內(nèi)山東港口輸油管道已全線建成，年輸油能力高達(dá)3 000萬t。港口是水陸交通的集結(jié)點(diǎn)和樞紐處，對(duì)區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展與結(jié)構(gòu)升級(jí)優(yōu)化、支撐腹地社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展具有重要作用，因此港區(qū)管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，一旦管道失效，不但影響港區(qū)的安全生產(chǎn)，而且極易造成重大的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染，事故后果極其嚴(yán)重[3-8]。

全自動(dòng)超聲檢測(cè)(AUT)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)油氣管道的自動(dòng)焊焊接接頭檢測(cè)[9-11]。對(duì)于半自動(dòng)焊施工，其焊接工藝、焊縫組織、缺陷類型與分布以及AUT測(cè)試要求等均與自動(dòng)焊施工存在一定差異。目前國(guó)內(nèi)油氣管道自動(dòng)焊施工主要采用AUT技術(shù)，而半自動(dòng)焊施工則以射線檢測(cè)(RT)技術(shù)為主，因此急需開展管道半自動(dòng)焊AUT仿真計(jì)算與可靠性評(píng)估，論證AUT技術(shù)對(duì)于半自動(dòng)焊檢測(cè)施工的適用性與可行性[12]。

針對(duì)港區(qū)輸油管道半自動(dòng)焊AUT工藝進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)合工程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)優(yōu)化設(shè)置仿真缺陷的類型、性質(zhì)、等效模型、位置、尺寸及其樣本數(shù)量，研究分析影響AUT檢測(cè)工藝穩(wěn)定性與合理性的主要因素，模擬不同檢測(cè)工藝條件下的聲場(chǎng)分布和缺陷反射回波信號(hào)波幅，并以此確定優(yōu)化的檢測(cè)工藝及其參數(shù)；在此基礎(chǔ)上，基于可靠性評(píng)估理論及其計(jì)算模型研究得到95%置信度水平下的缺陷檢出率(POD)分布曲線，并通過95%置信度90%檢出率下可檢測(cè)出的臨界缺陷高度對(duì)優(yōu)化的半自動(dòng)焊AUT檢測(cè)工藝進(jìn)行可靠性評(píng)估，定量驗(yàn)證該工藝對(duì)半自動(dòng)焊焊接接頭檢測(cè)的適用性與可靠性，由此可為半自動(dòng)焊AUT工藝的工程可靠應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 半自動(dòng)焊AUT工藝仿真計(jì)算

仿真平臺(tái)采用法國(guó)原子能委員會(huì)(CEA)開發(fā)的CIVA仿真軟件。按照港區(qū)輸油管道待檢測(cè)焊接接頭的工藝參數(shù)建立3D仿真模型，如圖1所示。AUT系統(tǒng)超聲探頭參數(shù)采用OLYMPUS公司自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)PIPE Wizard通用相控陣超聲檢測(cè)探頭，中心頻率7.5 MHz，晶片數(shù)60。與相控陣超聲波探頭配套，楔塊選用SPWZ1-N55S 7.5L60，楔塊入射波型為橫波，折射角度55°。相控陣超聲波探頭采用左右對(duì)稱方式放置，每個(gè)相控陣超聲波探頭負(fù)責(zé)單側(cè)焊縫區(qū)域的覆蓋和檢測(cè)。在仿真模型中，由于左右側(cè)探頭設(shè)置完全一樣，因此為減少計(jì)算時(shí)間，提高仿真分析效率，僅對(duì)單側(cè)探頭進(jìn)行建模計(jì)算。

圖1 半自動(dòng)焊焊接接頭檢測(cè)的3D 仿真模型

1.1 缺陷設(shè)置

圖2 半自動(dòng)焊焊接接頭的缺陷分布

如圖2所示，針對(duì)國(guó)內(nèi)外西氣東輸一線、二線、三線，陜京二線、四線，澀寧蘭輸氣管道，俄羅斯遠(yuǎn)東太平洋管道，中緬油氣管道，印度東氣西輸以及深港線等各大工程17個(gè)標(biāo)段的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到半自動(dòng)焊缺陷的分布規(guī)律，不難看出半自動(dòng)焊工藝的主要焊接缺陷為夾渣37.89%、根部未熔合36.40%、夾層未熔合10.58%和氣孔7.90%等。由此，為全面反映現(xiàn)場(chǎng)施工檢測(cè)的實(shí)際情況，仿真計(jì)算中設(shè)計(jì)了5種典型缺陷類型(如表1所示)，包括根部未熔合、根部未焊透、根部裂紋、熱焊區(qū)夾渣以及坡口未熔合，其中坡口未熔合按照其深度分為上、中、下三種類型；對(duì)于每種典型缺陷改變其關(guān)鍵參數(shù)，如高度、長(zhǎng)度/寬度、角度、深度等，以模擬實(shí)際焊接過程中出現(xiàn)缺陷的各種情況。此外，考慮到半自動(dòng)焊焊接接頭在實(shí)際工程中可能出現(xiàn)坡口位置偏移，因此設(shè)置缺陷位置時(shí)需設(shè)置一定的坡口偏移裕量，以客觀反映焊縫的實(shí)際檢測(cè)情況。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，為保證統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性與置信度水平，檢測(cè)工藝試驗(yàn)中單組人工反射體(即人工模擬自然缺陷)應(yīng)設(shè)置為46個(gè)[13]。由此，為了確保仿真計(jì)算數(shù)據(jù)的置信度水平，典型缺陷(即仿真缺陷)的樣本設(shè)置如表2所示。

表2 典型缺陷的樣本設(shè)置

表1 典型缺陷的仿真設(shè)計(jì)

1.2 影響因素分析

針對(duì)AUT檢測(cè)工藝進(jìn)行仿真計(jì)算，研究不同工藝條件下的超聲波聲場(chǎng)分布以及聲束在反射體處(即仿真缺陷)的響應(yīng)特性，分析根部檢測(cè)角度、坡口區(qū)域波束覆蓋、體積通道波束覆蓋、超聲波衍射時(shí)差(TOFD)表面盲區(qū)、焊縫坡口角度以及焊縫坡口熔合線偏移等6大因素對(duì)AUT檢測(cè)工藝質(zhì)量(檢出率、缺陷判讀、工藝穩(wěn)定性與合理性等)的影響規(guī)律，并以此確定滿足AUT檢測(cè)要求的各項(xiàng)工藝參數(shù)[14]。

(1)根部檢測(cè)角度。

對(duì)于根部未熔合缺陷，由于缺陷的自身高度、與底面的相對(duì)位置等因素變化，當(dāng)采用不同角度的聲束進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，反射回波波幅存在一定差異，表明根部檢測(cè)角度對(duì)其缺陷檢出有較大影響。根部檢測(cè)角度為45°～60°時(shí)，缺陷檢測(cè)靈敏度基本相當(dāng)，差距在3 dB以內(nèi)；根部檢測(cè)角度超過60°時(shí)，缺陷檢測(cè)靈敏度顯著下降6 dB以上，且在62°位置急劇下降；根部檢測(cè)角度超過63°時(shí)，缺陷檢測(cè)靈敏度保持穩(wěn)定。因此，實(shí)際檢測(cè)中應(yīng)使用較小的根部檢測(cè)角度對(duì)焊縫根部進(jìn)行覆蓋，避免使用60°及以上的波束。

(2)坡口區(qū)域波束覆蓋。

按照待檢測(cè)焊縫區(qū)域的厚度范圍進(jìn)行分區(qū)，在坡口面上每個(gè)分區(qū)由對(duì)應(yīng)聲束進(jìn)行覆蓋。當(dāng)采用超聲波相控陣換能器產(chǎn)生聚焦、偏轉(zhuǎn)波束對(duì)焊縫坡口各個(gè)分區(qū)進(jìn)行覆蓋時(shí)，由于角度、焦點(diǎn)位置設(shè)置的變化將導(dǎo)致波束焦柱直徑、焦柱長(zhǎng)度的變化。如果焦柱尺寸過小、長(zhǎng)度過短將導(dǎo)致坡口區(qū)域無法完全覆蓋，從而可能造成缺陷漏檢。

按照每3 mm厚度區(qū)域作為一個(gè)分區(qū)，將超聲波相控陣聲束焦點(diǎn)設(shè)置于坡口熔合線位置，由于近場(chǎng)長(zhǎng)度限制，波束實(shí)際聚焦中心位置相對(duì)于理論設(shè)置位置偏短。分別按照-3 dB焦柱長(zhǎng)度和-6 dB焦柱長(zhǎng)度測(cè)量，每個(gè)聲束的-3 dB焦柱區(qū)域均可覆蓋焊縫坡口熔合線及其前后一定區(qū)域，-6 dB焦柱則可以實(shí)現(xiàn)更大范圍的波束覆蓋。每個(gè)分區(qū)波束的-6 dB焦柱直徑均大于3 mm，能夠滿足AUT工藝相鄰?fù)ǖ缆暿嗷ジ采w的要求。因此，在該設(shè)置下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試塊校準(zhǔn)時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)單一分區(qū)反射體在相鄰?fù)ǖ缆暿嗷ジ采w的要求。

(3)體積通道波束覆蓋。

體積通道分區(qū)在試樣厚度方向一般按照8 mm劃分，在基于超聲波相控陣檢測(cè)時(shí)采用多晶片產(chǎn)生一定角度聲束進(jìn)行覆蓋，而隨著聲束焦點(diǎn)設(shè)置位置的變化，聲束深度方向尺寸也相應(yīng)發(fā)生變化。在進(jìn)行體積通道參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，聲束聚焦焦點(diǎn)位置不能按照坡口分區(qū)的設(shè)置方法進(jìn)行設(shè)置，而應(yīng)該將焦點(diǎn)設(shè)置在較遠(yuǎn)的位置，以保證深度方向-6 dB覆蓋范圍大于分區(qū)范圍。如果將焦點(diǎn)位置設(shè)置在對(duì)應(yīng)的分區(qū)厚度區(qū)域中心，雖然在焦點(diǎn)附近能夠獲得較好的檢測(cè)效果，但是會(huì)造成深度方向-6 dB覆蓋范圍過小，無法實(shí)現(xiàn)焊縫分區(qū)厚度區(qū)域的完整覆蓋，亦可能出現(xiàn)缺陷漏檢。

因此，對(duì)于壁厚為12.5 mm的待檢管道，可分兩個(gè)體積通道，單個(gè)體積通道覆蓋6.25 mm；對(duì)于壁厚為14.2 mm的待檢管道，也可分兩個(gè)體積通道，單個(gè)體積通道覆蓋7.1 mm。

(4)TOFD表面盲區(qū)。

AUT檢測(cè)系統(tǒng)中，TOFD技術(shù)基于聲波在反射體尖端衍射信號(hào)傳播時(shí)間值對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果評(píng)定不依賴于回波幅度，缺陷檢出率高、重復(fù)性好，缺陷深度和自身高度檢測(cè)精度高，是自動(dòng)超聲檢測(cè)技術(shù)的有效補(bǔ)充。但受限于TOFD技術(shù)的檢測(cè)原理，直通波信號(hào)遮擋會(huì)造成固有表面盲區(qū)，根據(jù)檢測(cè)工藝參數(shù)設(shè)置TOFD檢測(cè)盲區(qū)會(huì)存在差異。因此，在檢測(cè)前明確TOFD檢測(cè)的表面盲區(qū)尺寸，對(duì)于數(shù)據(jù)判讀人員至關(guān)重要。對(duì)于壁厚為12.5 mm和14.2 mm的待檢管道，其上表面盲區(qū)約為4 mm。

(5)焊縫坡口角度。

采用超聲波進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，超聲波入射角度與反射體之間的夾角會(huì)對(duì)檢測(cè)回波信號(hào)的波幅產(chǎn)生較大影響。當(dāng)波束角度與理想角度相差超過2°～3°時(shí)，缺陷反射回波波幅幅值下降到最高波的50%以下。因此，為了保證檢測(cè)質(zhì)量，波束實(shí)際角度與理想角度之間的角度差異不應(yīng)大于2.5°，即焊縫坡口角度變化應(yīng)控制在±2.5°以內(nèi)。

(6)焊縫坡口熔合線偏移。

實(shí)際檢測(cè)中，坡口缺陷位置會(huì)隨著焊縫坡口參數(shù)的改變而改變，存在熔合線水平偏移現(xiàn)象。當(dāng)坡口位置缺陷水平偏移超過5 mm時(shí)，按照預(yù)設(shè)的檢測(cè)工藝，缺陷反射波幅相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)人工傷波幅下降超過12 dB，雖然在帶狀圖上有所顯示，但實(shí)際判讀時(shí)已經(jīng)達(dá)不到記錄要求。因此，為保證半自動(dòng)焊AUT工藝的檢測(cè)效果，焊縫坡口熔合線偏移量應(yīng)控制在4 mm以內(nèi)。

1.3 檢測(cè)工藝參數(shù)

通過AUT工藝的聲場(chǎng)仿真計(jì)算(圖3)，可優(yōu)化確定聲束設(shè)置焦點(diǎn)位置、聲束角度和激發(fā)晶片，由此計(jì)算得到的相控陣超聲波探頭激活晶片數(shù)為16個(gè)，具體檢測(cè)工藝參數(shù)如表3所示。同時(shí)，優(yōu)化得到TOFD探頭的頻率為10 MHz，晶片尺寸3 mm，楔塊角度70°，探頭中心距52 mm。

圖3 AUT工藝的聲場(chǎng)仿真計(jì)算

表3 相控陣超聲探頭檢測(cè)工藝參數(shù)

2 半自動(dòng)焊AUT工藝可靠性評(píng)估

無損檢測(cè)工藝的廣義可靠性水平可綜合反映該工藝條件下的缺陷檢測(cè)能力、檢測(cè)方法的適用性和可操作性、檢測(cè)人員運(yùn)用檢測(cè)方法的正確性、缺陷判定的正確性、檢測(cè)記錄和報(bào)告的完整性及追溯性以及檢測(cè)過程的控制能力等。一般而言，無損檢測(cè)工藝的狹義可靠性水平則可以用缺陷檢出率(POD)這一指標(biāo)來定量表征。

2.1 可靠性評(píng)估理論及其計(jì)算模型

POD可以定量、直觀描述AUT工藝對(duì)缺陷的檢出能力。通過AUT工藝的仿真計(jì)算，可以得到不同缺陷(類型、尺寸、位置)的檢出率水平。POD(a)曲線常用下式表示

(1)

式中：a為缺陷尺寸；μ為缺陷尺寸的平均值；σ為缺陷尺寸的標(biāo)準(zhǔn)值。

考慮二項(xiàng)式分布下的總體檢出率置信區(qū)間，可得

(2)

式中：p為特定樣本的缺陷檢出率；ua/2為二項(xiàng)式分布95%置信度水平下的單側(cè)臨界值；n為檢測(cè)樣本數(shù)。

取二項(xiàng)式分布下的總體檢出率置信區(qū)間下限作為95%置信度下的缺陷檢出率，通過式(1)進(jìn)行曲線擬合回歸，可得到95%置信度下不同尺寸缺陷檢出率的分布曲線[15-18]。一般而言，POD曲線的可靠性評(píng)估，不僅可作為AUT檢測(cè)工藝的可靠性量化評(píng)價(jià)依據(jù)，而且可為AUT工藝的工程應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)[19-21]。

圖4 根部未熔合POD曲線

圖6 根部裂紋POD曲線

8-a 坡口未熔合上-POD8-b 坡口未熔合中-POD8-c 坡口未熔合下-POD

2.2 可靠性評(píng)估結(jié)果與分析

圖4為根部未熔合POD曲線，95%置信度90%檢出率時(shí)其臨界缺陷高度為2.5 mm。圖5為根部未焊透POD曲線，95%置信度90%檢出率時(shí)其臨界缺陷高度為2.1 mm。圖6為根部裂紋POD曲線，95%置信度90%檢出率時(shí)其臨界缺陷高度為3.1 mm。圖7為熱焊區(qū)夾渣POD曲線，95%置信度90%檢出率時(shí)其臨界缺陷高度為1.0 mm。圖8為坡口未熔合POD曲線，95%置信度90%檢出率時(shí)其焊縫上、中、下不同深度上臨界缺陷高度分別為0.9 mm、0.6 mm和1.1 mm。由此可以看出，AUT技術(shù)對(duì)于半自動(dòng)焊缺陷具有較好的缺陷檢出率水平，95%置信度下90%檢出率熱焊區(qū)和坡口缺陷臨界高度均小于1.2 mm。對(duì)于根部缺陷，仿真設(shè)計(jì)中其缺陷角度按照最惡劣的工況條件設(shè)置，導(dǎo)致檢測(cè)聲束無法完全垂直于缺陷平面，但95%置信度下90%檢出率坡口缺陷臨界高度仍小于5.0 mm，實(shí)際檢測(cè)中根部缺陷檢測(cè)效果將優(yōu)于仿真情況。因此，在坡口熔合線偏移4 mm的范圍內(nèi)，AUT檢測(cè)技術(shù)能夠滿足半自動(dòng)焊焊接接頭的檢測(cè)要求。

3 結(jié)論

(1)AUT檢測(cè)過程中，根部檢測(cè)角度、坡口區(qū)域波束覆蓋、體積通道波束覆蓋、TOFD表面盲區(qū)、焊縫坡口角度以及焊縫坡口熔合線偏移等均會(huì)影響AUT檢測(cè)工藝的穩(wěn)定性與合理性，因此應(yīng)研究分析上述因素對(duì)AUT工藝的影響規(guī)律，避免檢測(cè)盲區(qū)與缺陷漏檢，確保半自動(dòng)焊缺陷的定量檢出與精準(zhǔn)判讀。

(2)對(duì)于半自動(dòng)焊焊接接頭，檢測(cè)角度對(duì)根部未熔合的缺陷檢出率影響較大。實(shí)際檢測(cè)中，為了保證檢測(cè)效果，應(yīng)盡量使用較小的入射角度對(duì)根部位置進(jìn)行覆蓋，避免使用60°及以上的波束。

(3)焊縫坡口質(zhì)量對(duì)半自動(dòng)焊AUT工藝的缺陷反射回波波幅幅值影響較大。實(shí)際檢測(cè)中，為了保證半自動(dòng)焊AUT工藝的檢測(cè)質(zhì)量與檢測(cè)效果，應(yīng)對(duì)焊縫坡口的角度精度和熔合線偏移量提出控制要求，即坡口角度變化范圍不應(yīng)超過±2.5°、坡口水平偏移量不應(yīng)超過±4 mm。

(4)AUT技術(shù)對(duì)于半自動(dòng)焊焊接接頭具有較好的缺陷檢出率水平，95%置信度90%檢出率下可檢測(cè)出的熱焊區(qū)和坡口缺陷臨界高度均小于1.2 mm。表明AUT技術(shù)可以應(yīng)用于港區(qū)輸油管道半自動(dòng)焊檢測(cè)施工，合理優(yōu)化的檢測(cè)工藝能夠在滿足可靠性要求的前提下檢出各類半自動(dòng)焊缺陷。