基于TOFD的管道焊縫無損檢測技術(shù)研究

王學(xué)林 李慧羽 李宗建 馬瑩 王慶華

1中國石油華北油田公司第二采油廠

2華港燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司

3中國石油華北油田公司第五采油廠

4中國石油華北油田公司第三采油廠

超聲波衍射時(shí)差法（TOFD）可用于對管道焊縫中的缺陷類型進(jìn)行識(shí)別，是近年來發(fā)展勢頭最快的無損檢測技術(shù)之一[1-2]。管道焊縫的金相組織結(jié)構(gòu)差異大，缺陷形態(tài)種類多，噪聲干擾源多，在焊縫的無損檢測過程中，缺陷圖像存在特征復(fù)雜、位置隨機(jī)和干擾嚴(yán)重等問題，同時(shí)受檢測人員能力的限制，還存在檢測效率低、檢測結(jié)果爭議大等問題[3-5]。

遲大釗等[6]采用圖像處理技術(shù)提高了D 掃描圖像的分辨率和可讀性。LIU 等[7]對焊核部位的有效信息進(jìn)行了多次提取，應(yīng)用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對氣孔、焊核脫粘、弱結(jié)合等多種缺陷的有效識(shí)別。張銳等[8]通過優(yōu)化TOFD 的檢測方法和延長相應(yīng)衍射波的傳播路徑來降低近表面的檢測盲區(qū)。陳天璐等[9]通過對超聲回波進(jìn)行傅里葉變換，將缺陷圖像的特征向量進(jìn)行提取，實(shí)現(xiàn)了對各類缺陷的有效識(shí)別。上述方法雖然對缺陷的識(shí)別能力有所提高，但還存在缺陷信號(hào)部分損失、衍射信號(hào)衰減嚴(yán)重等問題，同時(shí)檢測過程沒有區(qū)別實(shí)際工況中有無油層對檢測數(shù)據(jù)的影響。為此，開展了管道焊縫的相關(guān)檢測[3]，對雙面介質(zhì)差異（有無油層）情況下TOFD相關(guān)信號(hào)的特征及缺陷信號(hào)進(jìn)行提取，通過仿真計(jì)算和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模型解析，應(yīng)用小波閾值對噪聲和有效信號(hào)進(jìn)行了處理，并在現(xiàn)場實(shí)際工況條件下對管道的環(huán)焊縫以及角焊縫進(jìn)行檢測驗(yàn)證，以保證現(xiàn)場無損檢測的準(zhǔn)確性。

1 TOFD基本原理及探頭聲場計(jì)算

超聲波衍射時(shí)差法的基本原理是將一對尺寸大小、相位角度以及收發(fā)頻率相同的縱波探頭放置在待檢測的焊縫兩側(cè)，一個(gè)探頭發(fā)射超聲波脈沖，另一個(gè)探頭接受脈沖，如果焊縫表面或內(nèi)部沒有缺陷則接收到表面直通波信號(hào)（LW）和地面回波信號(hào)（BW），如果有缺陷則還會(huì)接收到缺陷上部和下部產(chǎn)生的衍射波。根據(jù)縱波在焊縫中的傳播速度以及探頭接收到不同回波的時(shí)間差，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出焊縫內(nèi)缺陷的埋藏深度；同時(shí)由于TOFD方法選取的探頭角度一般為45°、60°和70°，在實(shí)際應(yīng)用中缺陷深度位置dmin與dmax的差值一般不會(huì)超過10%，因此可滿足多數(shù)場合的應(yīng)用要求。

為了研究TOFD無損檢測技術(shù)在雙側(cè)介質(zhì)不同的情況下是否能夠?qū)θ毕葸M(jìn)行準(zhǔn)確定位和定量，采用數(shù)值方法結(jié)合解析模型來提高TOFD仿真的效率和準(zhǔn)確性，主要是進(jìn)行聲束輻射場的計(jì)算和缺陷聲場響應(yīng)計(jì)算，其中聲束輻射場的計(jì)算包括計(jì)算探頭的瞬時(shí)聲場和在工件中的瞬時(shí)聲場。

（1）計(jì)算探頭的瞬時(shí)聲場。探頭的瞬時(shí)聲場即探頭上每個(gè)源點(diǎn)對聲場貢獻(xiàn)的積分（瑞利積分）。介質(zhì)中的聲場scalar potential 標(biāo)（量）勢j(r，t)計(jì)算式為

式中：rT為源點(diǎn)到計(jì)算點(diǎn)的時(shí)間差；r0為聲束擴(kuò)散（1/r幅值減少）。

（2）在工件中的瞬時(shí)聲場計(jì)算。將瑞利積分?jǐn)U展到液/固界面，計(jì)算式為

在工件內(nèi)部的聲場計(jì)算主要應(yīng)用鉛筆理論，具體如圖1所示。

圖1 鉛筆理論示意圖Fig.1 Schematic diagram of pencil theory

圖1 中，dx、dy為旁軸聲束相對于主軸聲束的向量值；dSx、dSy為旁軸聲束相對于主軸聲束的慢度值。

對于檢測到的各類缺陷，如存在上下表面裂紋開口、氣孔、根部未焊透、夾渣、表面未熔合等，采用衍射幾何理論（GTD）模型及算法，根據(jù)波長、衍射角度及發(fā)射頻率對衍射信號(hào)的衰減進(jìn)行仿真計(jì)算，對其中類似缺陷邊緣的衍射波進(jìn)行預(yù)測，缺陷對超聲波衍射信號(hào)的衰減計(jì)算式為

式中：Φdir為無缺陷時(shí)衍射波到達(dá)接收探頭的時(shí)間；Φdif為有缺陷時(shí)衍射波到達(dá)接收探頭的時(shí)間。

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與仿真計(jì)算

考慮到長輸管道常用壁厚多在10～30 mm 之間，根據(jù)NB/T47013.10—2015《承壓設(shè)備無損檢測第10 部分：衍射時(shí)差法超聲檢測》中的相關(guān)規(guī)定，TOFD 適用于壁厚12 mm 及以上的壓力管道及壓力容器檢測。因此根據(jù)現(xiàn)場管道的材質(zhì)、壁厚、坡口型式以及焊接工藝設(shè)計(jì)了厚度20 mm對接焊縫模型和試件，母材為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼16MnR，焊接方式為SMAW，坡口型式為X型，分別在試件上預(yù)設(shè)上表面開口、埋藏缺陷和下底面開口（較腐蝕更難以檢測到）等人工缺陷。試件解析模型如圖2所示。

TOFD檢測采用美國聲學(xué)公司制造的POCK-ETUT檢測儀器，探頭的參數(shù)參照NB/T47013.10—2015附錄選擇60°，探頭中間間距取69 mm，晶片尺寸6 mm，晶片頻率5 MHz，掃查方式采用沿焊縫方向非平行掃查。為了更好地進(jìn)行不停產(chǎn)檢測，分別對管道內(nèi)部有無油層狀態(tài)下的三種缺陷形式進(jìn)行檢測和掃描，檢測結(jié)果見圖3、圖4。

圖2 試件及缺陷設(shè)置示意圖Fig.2 Schematic diagram of specimen and defect setting

由圖3、圖4 可知，當(dāng)?shù)撞坑杏凸笗r(shí)，實(shí)際掃查結(jié)果明顯存在底部反射信號(hào)較強(qiáng)的現(xiàn)象，在同等增益的情況下，導(dǎo)致直通波信號(hào)偏弱，上表面缺陷不易識(shí)別，但如果降低整個(gè)增益，又會(huì)導(dǎo)致底部缺陷不易檢出。

為了提高缺陷檢測效率，減少噪聲對信號(hào)的影響，將深度學(xué)習(xí)引入信號(hào)識(shí)別和降噪全過程。其中，小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的非線性映射能力，具有廣泛的適應(yīng)性，已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域成功應(yīng)用，可以對文字、圖像、語音進(jìn)行有效識(shí)別。在此，主要應(yīng)用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的閾值去噪功能，基于噪聲和有效信號(hào)頻率、幅值的不同，通過對不同類型的小波系數(shù)進(jìn)行閾值處理，高于閾值的小波系數(shù)被保留，低于閾值的被清零，從而有效控制噪聲，進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)（圖5）。

圖3 無油層狀態(tài)下的TOFD檢測結(jié)果Fig.3 TOFD test results in oil-free state

圖4 油層狀態(tài)下的TOFD檢測結(jié)果Fig.4 TOFD test results in reservoir state

圖5 小波閾值去噪流程Fig.5 Wavelet threshold denoising process

在小波閾值去噪的過程中，最重要的是閾值函數(shù)和閾值規(guī)則的選取。對于閾值函數(shù)，常用的主要有硬閾值和軟閾值兩種，硬閾值會(huì)造成小波系數(shù)篩選的不連續(xù)性，容易出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象；而軟閾值雖然將輸入、輸出函數(shù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)函數(shù)，但在小波重構(gòu)的過程中容易出現(xiàn)奇異點(diǎn)缺失的現(xiàn)象。在此，引入一個(gè)折中方案，即采用改進(jìn)的一致函數(shù)，當(dāng)小波系數(shù)低于設(shè)置的閾值時(shí)，不進(jìn)行直接置零，而是進(jìn)行平滑置零處理，可保證加、減閾值后的過渡處理。改進(jìn)的閾值函數(shù)如圖6所示。

對于閾值規(guī)則的選取，目前常用的方法主要有Sqtwolog規(guī)則、Heursure規(guī)則、Rigrsure規(guī)則等。其中sqtwolog 規(guī)則和heursure 規(guī)則在使用的過程中能夠去除大部分的噪聲信號(hào)，但對于隱藏在噪聲信號(hào)中的有用信息也容易被過濾；Rigrsure 規(guī)則與信號(hào)的長度關(guān)系較大，當(dāng)信號(hào)長度選取不當(dāng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)有用的小波系數(shù)被置零的現(xiàn)象。故在此采用一種改進(jìn)的閾值規(guī)則，即利用函數(shù)的極大極小規(guī)則，求去噪函數(shù)的最小極大方差值，其規(guī)則如下

圖6 改進(jìn)的閾值函數(shù)Fig.6 Improved threshold function

式中：σn為噪聲的均方差；N為信號(hào)的長度。

閾值函數(shù)和閾值規(guī)則選取完畢后，對之前檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，將處理后的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，網(wǎng)絡(luò)中輸入神經(jīng)元的單元數(shù)為6，輸出層的單元數(shù)取5，最大迭代次數(shù)設(shè)置為600，輸出目標(biāo)誤差定義為10-8。此外隱含層采用優(yōu)化算法logsig 傳遞函數(shù)，輸出層采用purelin轉(zhuǎn)換函數(shù)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)權(quán)數(shù)鏈接采用收斂速度較快的Levenberg-Marquardt算法，采用變步長法（即在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算初始選擇比較少的隱含層神經(jīng)元數(shù)，然后根據(jù)實(shí)際給出的數(shù)據(jù)增加神經(jīng)元數(shù)，進(jìn)行不斷學(xué)習(xí)和完善，直到網(wǎng)絡(luò)模型滿足目標(biāo)誤差的精度要求）確定網(wǎng)絡(luò)中隱含層的單元數(shù)。將運(yùn)行程序輸入Matlab軟件中進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)隨著隱含層數(shù)量的增加，平均迭代次數(shù)呈曲折上升趨勢，而隨著迭代次數(shù)的增加，整個(gè)模型數(shù)據(jù)處理的時(shí)間也會(huì)延長，如圖7所示。

圖7 不同隱含層神經(jīng)元數(shù)對應(yīng)的平均迭代次數(shù)Fig.7 Average iteration times corresponding to the number of neurons in different hidden layers

因此，基于網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性和訓(xùn)練時(shí)間等方面綜合考慮，將隱含層的神經(jīng)元數(shù)定義為6，通過小波閾值去噪后，檢測信號(hào)的信噪比從12.58提高到了25.67，對噪聲部分進(jìn)行了有效的去除，達(dá)到檢測效果，解決了管道帶壓、帶液條件下導(dǎo)致的上表面缺陷檢測和底部缺陷漏檢的難題。其中油層狀態(tài)下處理后的檢測結(jié)果如圖8所示。

圖8 底面油層狀態(tài)下的TOFD實(shí)測結(jié)果（處理后）Fig.8 Measured results of TOFD in bottom oil layer state(after treatment)

3 現(xiàn)場測試及結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室計(jì)算和驗(yàn)證取得預(yù)期效果情況下，對某輸油管道開展了實(shí)際檢測驗(yàn)證比對試驗(yàn)。試驗(yàn)對象母材為L365N，Ф813 mm×15 mm，設(shè)計(jì)壓力11.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度78 ℃，檢測長度2 km，工作介質(zhì)為原油。檢測部位為部分環(huán)焊縫、角焊縫的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)，原定為停產(chǎn)、不卸料，拆除保溫后進(jìn)行試驗(yàn)，但由于生產(chǎn)工作的連續(xù)性，未實(shí)現(xiàn)停產(chǎn)檢測，采取拆除保溫、砂紙打磨部分區(qū)域的方式進(jìn)行試驗(yàn)。

對管道按照環(huán)向90°角度將TOFD檢測分成了四段，并與常規(guī)的射線檢測結(jié)果進(jìn)行對比，其中一個(gè)環(huán)焊縫中第一段TOFD 檢測發(fā)現(xiàn)了1 處埋藏缺陷（深度9 mm、長度2 mm、高度1.1 mm 的條狀缺陷）和3 處底部腐蝕缺陷，射線只發(fā)現(xiàn)了1 處缺陷；第二段TOFD 檢測發(fā)現(xiàn)了1 處埋藏缺陷（在近表面長約10 mm）和兩處底部腐蝕缺陷，射線只發(fā)現(xiàn)了1 處缺陷；第三段TOFD 檢測發(fā)現(xiàn)了1 處埋藏缺陷（深度9.6 mm、高度2.1 mm 的面積狀缺陷）和1 處底部腐蝕缺陷，射線未發(fā)現(xiàn)缺陷；第四段TOFD 檢測發(fā)現(xiàn)了3 處埋藏缺陷和5 處底部腐蝕缺陷，射線發(fā)現(xiàn)了2處缺陷。其中第一段環(huán)焊縫的檢測結(jié)果見圖9。

由于之前該段管道的支架接管部位多次出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，采用TOFD 對其中一處角焊縫進(jìn)行了檢測，檢測出1處內(nèi)壁側(cè)根部缺陷，但由于檢測空間的限制，未能進(jìn)行定位檢測和常規(guī)射線比對試驗(yàn)。

通過與常規(guī)射線的檢測結(jié)果比對，可以發(fā)現(xiàn)TOFD 檢測技術(shù)在不卸料、不停產(chǎn)情況下，可以檢測到管道多處埋藏缺陷和內(nèi)壁腐蝕情況，不僅檢測結(jié)果能夠給出準(zhǔn)確的位置和尺寸，還較射線檢測出更多的缺陷。

圖9 第一段環(huán)焊縫檢測結(jié)果Fig.9 Test results of girth weld in the first section

4 結(jié)束語

通過建立焊縫缺陷模型，在室內(nèi)對20 mm試件的對接焊縫進(jìn)行了有無油層條件下的缺陷檢測，針對TOFD檢測結(jié)果不易識(shí)別出上表面缺陷和底部缺陷的特點(diǎn)，利用小波變換優(yōu)化了模型參數(shù)，并在現(xiàn)場對管道的環(huán)焊縫和角焊縫缺陷情況進(jìn)行了對比驗(yàn)證。雖然TOFD可在不停產(chǎn)、不卸料的條件下檢測出更多的缺陷和內(nèi)壁腐蝕情況，但在實(shí)際應(yīng)用中還有以下問題值得注意：

（1）ASTM E2373—2014《超聲波飛行時(shí)間衍射（TOFD）技術(shù)使用規(guī)程》中規(guī)定TOFD 的使用溫度不應(yīng)超過50 ℃，而現(xiàn)場實(shí)際工況中熱油輸送的溫度往往超過這一數(shù)值，今后應(yīng)將溫度對數(shù)據(jù)的影響進(jìn)行修正。

（2）我國NB/T 47013.10—2015中規(guī)定TOFD的適用壁厚大于或等于12 mm，但大部分油氣田集輸管道的壁厚往往小于這一數(shù)值，因此對這一類管道的檢測在使用TOFD方法時(shí)需要考慮標(biāo)準(zhǔn)沖突和演示驗(yàn)證的問題。