管道環(huán)焊縫的相控陣超聲檢測(cè)

王 雪，薛 巖，周廣言，郭瑞杰，朱鳳艷

(中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司， 廊坊 065000)

自動(dòng)超聲檢測(cè)(AUT)技術(shù)在應(yīng)用、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)工藝評(píng)定等方面均已成熟，而且檢出率高，定量相對(duì)準(zhǔn)確，安全環(huán)保，尤其是對(duì)面積型缺陷的敏感度遠(yuǎn)高于射線檢測(cè)技術(shù)的敏感度。但是由于AUT聲束聚焦在焊縫坡口面上，對(duì)坡口的形狀要求較高，主要適用于全自動(dòng)焊坡口未熔合型缺陷的檢測(cè)。在半自動(dòng)焊和手工焊的條件下，坡口間隙以及缺陷類型的變化，對(duì)于AUT工藝設(shè)置、檢出和判讀都會(huì)有一定的影響。相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)(PAUT)可實(shí)現(xiàn)一定范圍的聲束覆蓋，是管道環(huán)焊縫檢測(cè)的一個(gè)推廣方向，但是由于PAUT未在實(shí)際工程中大規(guī)模應(yīng)用，在檢測(cè)可靠性、定量能力等方面沒有完善的工藝評(píng)定，沒有成熟的標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)和合理的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。筆者針對(duì)PAUT技術(shù)開展了一系列可靠性分析試驗(yàn)，通過制作一定數(shù)量的人工模擬缺陷，對(duì)PAUT環(huán)焊縫的缺陷檢出率及定量能力進(jìn)行分析，為PAUT的工程應(yīng)用、工藝及標(biāo)準(zhǔn)制定提供一定的依據(jù)。

1 PAUT可靠性試驗(yàn)

可靠性試驗(yàn)方法，參考挪威船級(jí)社DNV-RP-F118 《管道環(huán)焊縫AUT系統(tǒng)評(píng)定和項(xiàng)目專項(xiàng)認(rèn)證程序》標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于AUT工藝評(píng)定及認(rèn)證方法中可靠性評(píng)估的相關(guān)規(guī)定,試驗(yàn)過程中制作了一定數(shù)量的人工模擬自然缺陷作為分析樣本。試驗(yàn)流程包括人工模擬自然缺陷的設(shè)計(jì)制作、PAUT試驗(yàn)、其他方法的無損檢測(cè)、切片加工制作以及試驗(yàn)結(jié)果分析[1]等。

1.1 模擬缺陷設(shè)計(jì)和制作

試驗(yàn)選擇外徑為1 219 mm，壁厚為27 mm的雙V坡口管段對(duì)接焊縫作為試驗(yàn)對(duì)象，加工人工模擬自然缺陷，管段坡口示意如圖1所示。針對(duì)表面張力過渡焊接工藝(STT)打底半自動(dòng)焊及手工焊容易產(chǎn)生的缺陷類型設(shè)計(jì)預(yù)埋缺陷，缺陷分布信息如表1所示，根據(jù)不同類型缺陷可能出現(xiàn)的分區(qū)位置，均勻設(shè)計(jì)預(yù)埋深度。缺陷設(shè)計(jì)高度在0.52 mm之間，滿足正態(tài)分布。

圖1 管段坡口示意

表1 缺陷分布信息

試驗(yàn)選取7條管段進(jìn)行缺陷加工，每隔150 mm埋藏一個(gè)缺陷，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行焊接加工。

1.2 檢測(cè)試驗(yàn)

使用ZETEC相控陣設(shè)備對(duì)加工焊縫進(jìn)行PAUT檢測(cè)，每條焊縫順時(shí)針、逆時(shí)針各掃查一次。在試驗(yàn)前首先進(jìn)行工藝仿真，確定最佳檢測(cè)方案。每次掃查前均要進(jìn)行角度增益較準(zhǔn)(ACG)、時(shí)間增益較準(zhǔn)(TCG)靈敏度校準(zhǔn)，并用模擬試塊進(jìn)行工藝能力驗(yàn)證，確認(rèn)模擬試塊中的橫通孔、槽等人工反射體的檢出結(jié)果合格，保證檢測(cè)工藝的最優(yōu)靈敏度和檢測(cè)結(jié)果的可靠性。試驗(yàn)結(jié)束后，記錄所有檢出缺陷的位置、長度、深度、高度、幅值、缺陷類型以及上下游等信息，并確定最大幅值的位置，在幅值最高位置劃線，作為切片位置參考。PAUT工藝仿真如圖2所示。

圖2 PAUT工藝仿真

1.3 切片制作

宏觀切片技術(shù)是一種破壞性參考試驗(yàn)，為檢測(cè)方法提供系統(tǒng)檢測(cè)和定量能力參考。制作方法參考DNV-RP-F118標(biāo)準(zhǔn)方案，以缺陷檢出最高波位置為中心切割，每隔2 mm再向兩側(cè)各切割兩刀。切片與鋼管表面垂直，表面打磨酸洗粗糙度小于6 mm。每個(gè)加工表面放大測(cè)量、存檔，測(cè)量誤差不大于±0.1 mm，存檔信息包括缺陷編號(hào)、缺陷尺寸、上下游等標(biāo)識(shí)信息。從最終每個(gè)缺陷的4組切片中，選取一組有效截面，作為數(shù)據(jù)分析參考樣本。切片選取盡量避免缺陷重疊。圖3所示為切片圖以及對(duì)應(yīng)的PAUT+TOFD檢測(cè)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

2.1 檢出率

通過繪制描述缺陷高度與檢出率關(guān)系的POD(Probability of Detection)曲線，得出PAUT在環(huán)焊縫檢測(cè)中,在95%樣本估計(jì)置信度下，以達(dá)到90%檢出率的缺陷高度，作為評(píng)估指標(biāo)。試驗(yàn)最終選取了137個(gè)缺陷作為分析樣本，樣本覆蓋所有設(shè)計(jì)缺陷類型以及焊縫坡口各分區(qū)。缺陷尺寸為0.25 mm，呈近似正態(tài)分布，圖4為不同缺陷尺寸范圍對(duì)應(yīng)的缺陷數(shù)量，其中包括焊接自然缺陷，充足的樣本量增加了評(píng)估結(jié)果的置信度。

POD計(jì)算采用“hit/miss”模式，即通過計(jì)算一種尺寸缺陷的檢出數(shù)占總檢測(cè)數(shù)(檢出數(shù)+漏檢數(shù))的比值來估算該尺寸的缺陷檢出率[2]，通過計(jì)算找到最適合估算檢出率的POD函數(shù)模型為log-odds模型，模型表達(dá)式如式(1)所示。

圖3 不同缺陷的切片圖及PAUT+TOFD檢測(cè)結(jié)果

圖4 不同缺陷尺寸范圍對(duì)應(yīng)的數(shù)量

(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)差。

統(tǒng)計(jì)中設(shè)定缺陷檢出閾值為20%幅值高度，檢測(cè)缺陷在位置、深度、缺陷類型、坡口中橫向位置、上下游與切片數(shù)據(jù)一致的前提下，檢測(cè)最大幅值不小于20%，即判定該缺陷檢出，否則拒收。根據(jù)試驗(yàn)切片及檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析計(jì)算，繪制POD曲線如圖5所示。結(jié)果顯示，PAUT在該雙V坡口檢測(cè)中，95%置信度下達(dá)到90%檢出率的缺陷尺寸為0.92 mm，參考中俄東線關(guān)于AUT工藝評(píng)定中應(yīng)用的1 mm的評(píng)定閾值，PAUT環(huán)焊縫的檢出率水平與AUT的檢出率基本一致，具有較高的檢出可靠性。

圖5 PAUT檢測(cè)POD曲線

在當(dāng)前檢出率下，對(duì)PAUT試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定性能力評(píng)估(見表2)，可見定性準(zhǔn)確率可達(dá)96.9%，與AUT定性能力基本一致。PAUT對(duì)缺陷的定性檢測(cè)，可根據(jù)缺陷出現(xiàn)位置和不同缺陷類型回波特性，結(jié)合TOFD檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合分析。由于層間未熔合、夾渣、氣孔等缺陷在坡口內(nèi)部，位置不固定，在缺陷尺寸較小的情況下較難定性，容易出現(xiàn)小概率誤判。

表2 缺陷定性能力評(píng)估

2.2 定量準(zhǔn)確性

定量準(zhǔn)確性通過建立切片實(shí)際缺陷高度與PAUT檢測(cè)高度的POS(Probability of Sizing)曲線，分析PAUT檢測(cè)定量誤差范圍及定量離散性。定量分析采用檢出的129個(gè)缺陷作為樣本分析對(duì)象。高度判讀方法首先采用ASTM,ISO等標(biāo)準(zhǔn)中提到的波幅降低-6 dB法，將檢測(cè)高度與實(shí)際高度相比，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算，繪制POS曲線如圖6所示。缺陷定量誤差平均值為2.94 mm，誤差標(biāo)準(zhǔn)差為1.37 mm。相對(duì)于AUT檢測(cè)方法的誤差平均值為0.89 mm，誤差標(biāo)準(zhǔn)差為1.24 mm，PAUT檢測(cè)定量高度普遍偏大，且離散性較大，定量可信度不高。該特性與PAUT原理上相鄰角度聲束覆蓋有關(guān)，也與PAUT無針對(duì)性方案設(shè)計(jì)，對(duì)不同角度和不同類型缺陷反射回波能量的差異性有關(guān)。

圖6 -6 dB法POS曲線

圖7 中心色法POS曲線

基于以上不理想定量結(jié)果，對(duì)PAUT檢測(cè)結(jié)果重新評(píng)定，采用中心色法測(cè)量高度，即高度測(cè)量只針對(duì)扇掃結(jié)果的中心色塊。重新進(jìn)行POS曲線繪制(見圖7)，定量誤差平均值為0.48 mm，誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.91 mm。可見，新的高度測(cè)量方法改進(jìn)了PAUT的定量結(jié)果。但是，此方法基于經(jīng)驗(yàn)值，不便形成標(biāo)準(zhǔn)。為了獲得更準(zhǔn)確的PAUT定量方法，仍需針對(duì)不同的缺陷類型、缺陷深度和缺陷方向進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究和探討，形成可適用的、合理的定量標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

針對(duì)管道環(huán)焊縫檢測(cè)，PAUT檢測(cè)工藝評(píng)定還未完全成熟，對(duì)于PAUT檢測(cè)的可靠性分析多基于模擬試驗(yàn)，未有大量的實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證。筆者參考AUT工藝評(píng)定及認(rèn)證方法，提出了一種PAUT可靠性分析的試驗(yàn)方法，進(jìn)行了人工模擬缺陷和切片的設(shè)計(jì)制作，并開展了一系列檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得出PAUT環(huán)焊縫的缺陷檢出率及定量準(zhǔn)確率。結(jié)果表明，PAUT在管道環(huán)焊縫的檢出率上，95%置信度下90%檢出率的缺陷尺寸可達(dá)0.92 mm，具有較高的檢出可靠性，且定性準(zhǔn)確性較好。但是在定量方面，未形成較好的定量標(biāo)準(zhǔn)，用-6 dB波幅法測(cè)量，PAUT定量誤差較大，離散性較大，存在誤導(dǎo)驗(yàn)收風(fēng)險(xiǎn)，在經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)原理、試驗(yàn)研討的基礎(chǔ)上，提出可因循的標(biāo)準(zhǔn)判讀方法是很好的解決途徑。為了解決該問題，進(jìn)行大量的試驗(yàn)和形成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)務(wù)之急。