基于TOFD的管道焊缝无损检测技术研究

李大林，司宗庆，贾向明，李颖，侯涛

(1. 中国石油大连石化公司，辽宁 大连 116031；2. 中国石油华北油田公司 二连分公司，内蒙古 锡林浩特 011200；3. 中国石油西南管道天水输油气分公司，甘肃 天水 741002；4. 中国石油吐哈油田分公司 工程技术研究院，新疆 哈密 839009；5. 中国石油青海油田分公司 管道输油处，青海 格尔木 816000)

随着国家经济的快速发展，截止2017年中国陆上油气长输管道总里程达到2×105km，其中60%～70%的管道服役时间超过20 a[1-2]。油气长输管道多为大管径、厚壁管道，在高温、高压、高流速、高腐蚀环境条件下，焊缝处存在缺陷，在应力和腐蚀的共同作用下，将会出现应力腐蚀裂纹(SCC)、氢致裂纹(HIC)、硫化物应力腐蚀裂纹(SSC)、疲劳裂纹、晶间腐蚀开裂等，最终导致管道失效泄漏，对经济和环境产生重大影响。

通过调研当前国内外管道焊缝无损检测技术的最新进展，结合现状，决定采用超声波衍射时差法(TOFD)开展管道焊缝的相关检测[3]，研究了TOFD相关信号的特征及缺陷信号的提取，通过仿真计算和室内试验进行模型解析，随后应用小波变换进行了增益数的模型优化，在现场实际工况条件下对管道的环焊缝以及角焊缝进行检测验证，以保证现场无损检测的准确性。

1 TOFD原理

TOFD是近年来发展的一项可以指导实际工程应用的无损检测技术，基本原理是将1对尺寸大小、相位角度以及收发频率相同的纵波探头放置在待检测的焊缝两侧，其中1个探头发射超声波脉冲，另1个探头接收脉冲。如果焊缝表面或内部没有缺陷，则会接收到表面直通波信号(LW)和底面回波信号(BW)；如果有缺陷，则还会接收到缺陷上部和下部产生的衍射波[4-5]。根据纵波在焊缝中的传播速度以及探头接收到不同回波的时间差，可以准确地计算出焊缝内缺陷的埋藏深度；同时，由于TOFD选取的探头角度一般为45°，60°，70°，在实际应用中缺陷深度的差值(dmax-dmin)一般不会超过10%，因此可满足多数场合的应用要求。

为了研究TOFD是否能够对缺陷进行准确定位和定量，分析了表面开口型缺陷、气孔缺陷、夹渣缺陷、根部未焊透缺陷、裂纹缺陷等几种典型焊缝缺陷，总结了典型焊缝缺陷的TOFD图像特点；针对油层状态下的信号识别，并采用小波变换优化了增益数。

2 典型焊缝缺陷分析

考虑到长输管道常用壁厚多在10～30 mm[6]，根据NB/T 47013.10―2015《承压设备无损检测第10部分： 衍射时差法超声检测》中的相关规定，TOFD适用于壁厚12 mm及以上的压力管道及压力容器检测，因此根据现场管道的材质、壁厚、坡口型式以及焊接工艺，设计了厚度20 mm对接焊缝模型和试件，母材为低合金、高强度结构钢16MnR，焊接方式为手工电弧焊(SMAW)，坡口型式为V型。

TOFD采用美国声学公司制造的POCK-ETUT检测仪器，探头角度参照NB/T 47013.10―2015《承压设备无损检测第10部分： 衍射时差法超声检测》附录选择为60°，探头中间间距取69 mm，晶片尺寸6 mm，晶片频率5 MHz，扫查方式采用沿焊缝方向的非平行扫查。为了更好地施行不停产检测，分别对管道内部的几种典型缺陷形式进行了检测。

超声TOFD通常提供3种类型的数据显示，分别是A扫描、D扫描、B扫描。TOFD技术中探头所接收到的信号为A扫描信号，通过信号处理，将信号转换为D扫描(或B扫描)图像，D扫描(或B扫描)图像较A扫描信号具有更大的信息量，更有利于缺陷的识别和分析。

2.1 表面开口型缺陷

表面开口型缺陷包括： 上表面开口缺陷、下表面开口缺陷和贯穿缺陷。

1)上表面开口缺陷。信号特征为A扫描信号中未出现直通波，D扫描图像中直通波断开，未检测到缺陷上端点的衍射信号，仅观察到与直通波相位相同的缺陷下端点的衍射信号，底面回波信号基本无变化。

2)下表面开口缺陷。信号特征为底面回波消失或中断，图像中无缺陷下端点的衍射信号，只有与直通波相位相反的缺陷上端点衍射信号，表面直通波的信号无明显变化。

3)贯穿缺陷。由于缺陷在试件的上、下表面完全裂开，因此发射探头和接收探头的衍射波信号会完全中断，直通波和底面回波信号也会中断，该缺陷相对容易识别。

2.2 气孔缺陷

气孔属于点状缺陷，按照气孔数量和分布特点可以分为单个气孔、密集气孔和连续气孔。气孔的D扫描图像为多个独立的点状缺陷图像的叠加，由于缺陷内部充满空气，在对应的射线检测底片上，表现为深浅不一的圆点。

2.3 夹渣缺陷

夹渣缺陷中，小夹渣与气孔的检测图像特征类似，在此不再重复。条状夹渣缺陷的D扫描图像比较杂乱，在长度方向会出现1条比较长的直线，但深度不一，且缺陷上端为反射信号，信号较强；缺陷下端为衍射信号，信号较弱。

2.4 根部未焊透缺陷

根部未焊透缺陷与焊缝的坡口型式密切相关，如为X型坡口，则信号图像位于检测图像的中间位置；如为V型坡口，则信号图像位于检测图像的底面位置，属于下表面开口型缺陷，该缺陷会表现出很强的衍射信号，该信号与底面回波的相位相反，缺陷高度对底面回波的影响较小。

2.5 裂纹缺陷

裂纹缺陷的图像具有参差不齐的轮廓，其上、下端点的衍射信号既不规则，也不连续，端点信号之间还会出现很多杂乱无章的信号，但裂纹缺陷在射线检测底片上容易识别，一般具有中间略宽、两端细小的成像特征。

TOFD的最大缺点： 当管道的底部有油垢存在时，实际扫查结果存在明显的底部反射信号较强的现象，在同等增益的情况下，导致直通波信号偏弱，上表面缺陷不易识别，但如果降低整个增益，又会导致底部缺陷不易检出。因此，采用小波变换进行简单处理，小波变换是将不同的参数进行归一化处理后进行积分变换，如式(1)所示：

(1)

用Matlab软件进行小波变化处理后可提高增益数，同时达到检测效果，解决管道带压、带液条件下导致的上表面缺陷不易识别和底部缺陷漏检的问题，油层状态下处理后的检测结果，图像的深度和质量较常规方式均有明显提高。

3 现场试验

在实验室计算和验证取得预期效果的情况下，针对某输油管道开展了实际检测验证对比试验，试验对象母材为L365N，尺寸为φ813 mm×15 mm，设计压力11.5 MPa，设计温度78 ℃，检测长度2 km，工作介质为原油。检测部位为部分环焊缝、角焊缝的焊缝区和热影响区，试验原定为停产、不卸料，拆除保温层后进行试验，但由于生产工作的连续性，未实现停产检测，采取了拆除保温层、砂纸打磨部分区域的方式进行试验。

TOFD检测将管道按照环向90°分成了4段，并与常规射线检测结果进行对比，其中第1段环焊缝经TOFD检测发现了1处为深度9 mm、长度2 mm、高度1.1 mm的条状埋藏缺陷和3处底部腐蚀缺陷，射线只发现了1处缺陷；第2段经TOFD检测发现了1处在近表面长约10 mm的埋藏缺陷和2处底部腐蚀缺陷，射线只发现了1处缺陷；第3段经TOFD检测发现了1处深度9.6 mm、高度2.1 mm的面积状埋藏缺陷和1处底部腐蚀缺陷，射线未发现缺陷；第4段经TOFD检测发现了3处埋藏缺陷和5处底部腐蚀缺陷，射线发现了2处缺陷。

由于之前该段管道的支架连接部位多次出现渗漏现象，采用TOFD检测了其中一处角焊缝，检测出内壁侧1处根部缺陷，但由于检测空间的限制，未能进行定位检测和常规射线对比试验。

通过与常规射线的检测结果对比，发现TOFD检测在不卸料、不停产情况下，可以检测到管道多处埋藏缺陷和内壁腐蚀情况，不仅能够给出准确的位置和尺寸，还较射线可检测出更多的缺陷类型。

4 结束语

通过缺陷模型，在室内对20 mm试件的对接焊缝进行了缺陷检测，并针对TOFD检测结果不易识别出上表面缺陷和底部缺陷的特点，利用小波变化优化了模型参数，最后在现场对管道的环焊缝和角焊缝缺陷情况进行了对比验证，证明了TOFD可在不停产、不卸料的条件下检测出更多的缺陷和内壁腐蚀情况，但在实际应用中还有以下问题值得注意：

1)高温条件对TOFD的影响。目前国际通用的标准中规定检测温度不应超过50 ℃，但现场实际工况条件基本上均超过该上限温度，为了符合当前标准法规的要求，需要考虑温度因素对检测结果的影响。

2)国内TOFD标准规定的适用壁厚下限为12 mm，但部分油气田集输管道的壁厚往往小于10 mm，因此对该类管道使用TOFD检测时，需要考虑与标准的冲突和演示验证的问题。