TOFD检测技术在埕岛海底管道中的应用

谢建桥　罗爱民　罗光明

摘要：超声衍射时差法检测技术（TOFD）成功应用于胜利埕岛海底管道检测领域，对于提高检测速度、保证检测质量、节约生产成本有着非常重要的意义。文章通过对TOFD的基本原理进行了初步解析，给出合理的检测工艺方案，通过在海底管道铺设项目中与传统检测手段进行了对比分析，并列举了部分典型TOFD缺陷的图像，阐述TOFD检测技术在海底管道检测过程中快捷、准确、无需安全防护、可重复性的优越性，建议下一步在渤海埕岛海底管道大规模推广。

关键词：TOFD检测技术；缺陷图像；工艺方案；海底管道

中图分类号：TG115 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）01-0049-04

1TOFD检测技术简介

1.1检测原理

TOFD检测是利用大扩散角探头对，在声束覆盖范围内的工件上采集缺陷的端点衍射信号，从而来发现缺陷并对之进行定位。

衍射时差法（TOFD）是一种依靠从待检试件内部结构的“端角”和“端点”处得到的衍射能量来检测缺陷的方法。超声波入射到线性缺陷上时，它除了普通的反射波以外，在两端还会发生衍射。衍射能量在很大的角度范围内传播至接收探头，可测量缺陷自身高度。除了缺陷的衍射能量以外，TOFD法还检测两个探头间直接传播的直通波和未受缺陷影响直接抵达试件内壁的内壁反射信号也称之为底面波。TOFD可以用直通波和底面反射波作参照，缺陷的深度是从直通波与衍射脉冲的时差来计算的。

TOFD技术将采集到的A扫信号，经过数据处理后与编码器所采集的探头位置信息一一对应，即得到了TOFD探伤的最原始数据，TOFD分析都是基于这个阶段存储的序列A扫信息，所以任何TOFD设备都不可能在缺少序列A扫的情况下对缺陷进行更详细的图像处理和分析，换言之，图像分析的第一步是对序列A扫波形的分析。

1.2超声衍射时差（TOFD）检测技术扫查图像的形成

在每个A扫信号上根据采样周期对其进行采样，每个样点在屏幕上分配相同的宽度和高度，在显示屏对应一个像素，根据其振幅确定每个像素的灰度，其中纯白表示100%FSH，经过在0%位置的中间灰色，到纯黑色的－100%FSH，这样一个超声波A扫信号转换为由许多淡灰色和深灰色的色点交替组成的一行。

利用计算机技术、图像处理技术和专用软件强大的处理功能，通过对TOFD图像离线分析，可对缺陷进行精确定性、定位、定量。

1.4TOFD技术特点

1.4.1TOFD技术的可靠性好。由于其主要是利用衍射波进行检测，而衍射信号不受声束影响，任何方向的缺陷都能有效地发现，使该技术具有很高的缺陷检出率。国外研究机构的缺陷检出率的试验得出的评价是：手工UT，50%～70%；TOFD，70%～90%；机械扫查UT+TOFD，80%～95%。由此可见，TOFD检测技术比常规手工UT的检测可靠性要高得多。

1.4.2TOFD技术的定量精度高。采用衍射时差技术对缺陷定量，精度远远高于常规手工超声波检测。一般认为，对线性缺陷或面积型缺陷，TOFD定量误差小于1mm，对裂纹和未熔合缺陷，高度测量误差通常小于1mm。

1.4.3TOFD检测简单快捷，最常用的非平行扫查只需一人即可以操作，探头只需沿焊缝两侧移动即可，不需做锯齿扫查，检测效率高，操作成本低。

1.4.4TOFD检测系统配有自动或半自动扫查装置，能够确定缺陷与探头的相对位置，信号通过处理可以转换为TOFD图像。图像的信息量显示比A扫描显示大得多，在A型显示中，屏幕只能显示一条A扫信号，而TOFD图像显示的是一条焊缝检测的大量A扫信号的集合。与A型信号的波形显示相比，包含丰富信息的TOFD图像更有利于缺陷的识别和分析。

1.4.5当今使用的TOFD检测系统都是高性能数字化仪器，完全克服了模拟超声探伤仪和简单数字超声波探伤仪记录信号能力差的特点，不仅能全过程记录信号，长久保存数据，而且能够高速进行大批量信号处理。

2CB32A-CB326海底输油管道

2.1基本参数

CB32A-CB326海底输油管道采用复壁管结构，其中芯管为Ф273×13，套管为Ф377×12，管道设计压力6.4MPa，总长度2.95km。

2.2施工流程

该海底管线的敷设方式采用SL902铺管船在海上连续敷设。在SL902船上依次有组对、根焊、热焊、填充、盖面、无损检测、防腐补口等7个工位。

2.3检测方法的选择

胜利油田海底管线施工时目前均采用铺管敷缆船在海上连续作业，取代了以前早期的敷设方式。早期的施工方式采用陆地分段预制，检测合格后，分段浮拖、挖沟回填，连接各分段，继续下段的小沟、浮拖，直至全部敷设完成，检测工序可穿插完成，对整个工期的影响非常小。目前，采用SL902铺管船直接在海上连续作业，作业时在船上沿生产线设置了多个连续工序，主要工序包括组对、根焊、热焊、填充、盖面、无损检测、防腐补口等工序。无损检测采取射线检测，一般执行JB/T4730标准或者SY/T4109-2005标准。由于船上作业的特殊性，目前的检测方法越来越不适应海底管线施工的现状，主要存在如下问题：

辐射防护困难。船上作业基本24h不停，人员倒班各工序不停，所有人员不在工位上，就在船上休息，休息部位在底部，采用X射线作业时需要考虑所有6个方位的射线防护问题，且船上距离有限，辐射对人员的伤害仍在一定程度上存在。

检测工序时间过长，与其他工序不匹配。在流水线上产品的制造时间取决于最长的工序时间，海底管线连续辐射施工时，由于组对机具的改进、焊接水平的提高以及防腐工艺的更新，除无损检测外的其他工序施工时间大大缩短，正常工序时间均不到4min，而无损检测采用射线检测，虽采用中心法一次曝光，但由于后期胶片处理需要时间，即使采用了自动洗片机，该工序仍需要15min，大大制约了整个施工进度。胜利埕岛海域气象不稳定，适合出海作业的时间短，连续海上作业时间非常紧张，而海上船机费在整个施工成本中占了很大的比重，检测工序时间过长，不仅仅导致工期延长，更重要的是导致成本大大上升，已成为了制约海底管线施工的瓶颈工序。

对面状缺陷的检测率低，可靠性低。海底管线敷设在海床上，投产后经受海潮、暗流、作业船只等多种破坏，故对其焊缝质量要求较严。焊缝中面状缺陷破坏性最大。射线检测对体积状缺陷检测率较高，但对面积性缺陷检测率较低，容易导致小裂纹、未熔合等危险性缺陷漏检。

由于该海底管线采用SL902船海上连续敷设，且用于内补口的口爬行器放置在无损检测工位后，如果采取射线检测，则内爬行器的拖缆和紧固线将与射线爬行器产生干扰，导致无法工作。故该芯管不能采用中心法透照，如采用双壁单影透照，则透照次数增加，每道口仅摄片时间就需要15min以上，加上冲洗时间，每道口需要的检测时间将超过30min，且辐射防护难度更大，鉴于此，考虑到TOFD检测技术的特点，对芯管检测特选用TOFD检测替代射线检测。

3芯管TOFD检测工艺及检测难点

3.1设备、器材选用

检测设备使用汉威HS810TOFD仪器，探头选择TOFD10MHZ3mm63℃，所使用的TOFD检测设备、器材和材料应能满足NB/T47013.10的要求，耦合选用淡水，并保证实际检测用的耦合剂应与检测校准时的耦合剂相同。

3.2扫查方式选择

初始扫查方式选用非平行扫查，用于缺陷的快速探测以及缺陷长度、缺陷自身高度的测定，可大致测定缺陷深度；对已发现的缺陷选用平行扫查方式进行，可精确测定缺陷自身高度和缺陷深度以及缺陷相对焊缝中心线的偏移，并为缺陷定性提供更多信息。

3.3PCS确定

初始扫查时，探头中心距离设置为该探头对的声束交点位于覆盖区域的2/3深度处。

3.4扫查面准备

探头移动区应清除焊接飞溅、铁屑、油垢及其他杂质。检测表面应平整，便于探头的扫查，表面粗糙度Ra值应不低于6.3μm，一般应进行打磨。保留余高的焊缝，如果焊缝表面有咬边、较大的隆起和凹陷等应进行适当的修磨，并作圆滑过渡以免影响检测结果的评定；要求去除余高的焊缝，应将余高打磨到与邻近母材平齐。

3.5时间窗口调整

3.6灵敏度调节

因工件厚度为22mm，小于50mm，且采用单检测通道时，采用直接在工件上进行灵敏度设置，方法是将直通波的波幅设定到满屏高的60%～80%；若采用直通波不适合或直通波不可见，可将底面反射波幅设定为满屏高的80%，再提高20～32dB；若直通波和底面反射波均不可用，可将材料的晶粒噪声设定为满屏高的5%～10%作为灵敏度。

3.7编码器的校准

3.8难点一

4检测效果

5结语

胜利海底管道适合采用TOFD替代射线检测，检测时要针对具体检测对象，选择合适的TOFD工艺参数，依据管道规格情况，制作合适的扫查轨道，并选择合适的盲区检测工艺，这样，TOFD检测效果完全能达到或超过射线检测质量和可信度，建议下一步在埕岛海底管道推广。

参考文献

[1]强天鹏．衍射时差法（TOFD）超声检测技术[M]．

[2]承压设备无损检测（JB/T4730.10-2005）[S]．

（责任编辑：周加转）