TOFD檢測技術在埕島海底管道中的應用

謝建橋　羅愛民　羅光明

摘要：超聲衍射時差法檢測技術（TOFD）成功應用于勝利埕島海底管道檢測領域，對于提高檢測速度、保證檢測質量、節約生產成本有著非常重要的意義。文章通過對TOFD的基本原理進行了初步解析，給出合理的檢測工藝方案，通過在海底管道鋪設項目中與傳統檢測手段進行了對比分析，并列舉了部分典型TOFD缺陷的圖像，闡述TOFD檢測技術在海底管道檢測過程中快捷、準確、無需安全防護、可重復性的優越性，建議下一步在渤海埕島海底管道大規模推廣。

關鍵詞：TOFD檢測技術；缺陷圖像；工藝方案；海底管道

中圖分類號：TG115 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）01-0049-04

1TOFD檢測技術簡介

1.1檢測原理

TOFD檢測是利用大擴散角探頭對，在聲束覆蓋范圍內的工件上采集缺陷的端點衍射信號，從而來發現缺陷并對之進行定位。

衍射時差法（TOFD）是一種依靠從待檢試件內部結構的“端角”和“端點”處得到的衍射能量來檢測缺陷的方法。超聲波入射到線性缺陷上時，它除了普通的反射波以外，在兩端還會發生衍射。衍射能量在很大的角度范圍內傳播至接收探頭，可測量缺陷自身高度。除了缺陷的衍射能量以外，TOFD法還檢測兩個探頭間直接傳播的直通波和未受缺陷影響直接抵達試件內壁的內壁反射信號也稱之為底面波。TOFD可以用直通波和底面反射波作參照，缺陷的深度是從直通波與衍射脈沖的時差來計算的。

TOFD技術將采集到的A掃信號，經過數據處理后與編碼器所采集的探頭位置信息一一對應，即得到了TOFD探傷的最原始數據，TOFD分析都是基于這個階段存儲的序列A掃信息，所以任何TOFD設備都不可能在缺少序列A掃的情況下對缺陷進行更詳細的圖像處理和分析，換言之，圖像分析的第一步是對序列A掃波形的分析。

1.2超聲衍射時差（TOFD）檢測技術掃查圖像的形成

在每個A掃信號上根據采樣周期對其進行采樣，每個樣點在屏幕上分配相同的寬度和高度，在顯示屏對應一個像素，根據其振幅確定每個像素的灰度，其中純白表示100%FSH，經過在0%位置的中間灰色，到純黑色的－100%FSH，這樣一個超聲波A掃信號轉換為由許多淡灰色和深灰色的色點交替組成的一行。

利用計算機技術、圖像處理技術和專用軟件強大的處理功能，通過對TOFD圖像離線分析，可對缺陷進行精確定性、定位、定量。

1.4TOFD技術特點

1.4.1TOFD技術的可靠性好。由于其主要是利用衍射波進行檢測，而衍射信號不受聲束影響，任何方向的缺陷都能有效地發現，使該技術具有很高的缺陷檢出率。國外研究機構的缺陷檢出率的試驗得出的評價是：手工UT，50%～70%；TOFD，70%～90%；機械掃查UT+TOFD，80%～95%。由此可見，TOFD檢測技術比常規手工UT的檢測可靠性要高得多。

1.4.2TOFD技術的定量精度高。采用衍射時差技術對缺陷定量，精度遠遠高于常規手工超聲波檢測。一般認為，對線性缺陷或面積型缺陷，TOFD定量誤差小于1mm，對裂紋和未熔合缺陷，高度測量誤差通常小于1mm。

1.4.3TOFD檢測簡單快捷，最常用的非平行掃查只需一人即可以操作，探頭只需沿焊縫兩側移動即可，不需做鋸齒掃查，檢測效率高，操作成本低。

1.4.4TOFD檢測系統配有自動或半自動掃查裝置，能夠確定缺陷與探頭的相對位置，信號通過處理可以轉換為TOFD圖像。圖像的信息量顯示比A掃描顯示大得多，在A型顯示中，屏幕只能顯示一條A掃信號，而TOFD圖像顯示的是一條焊縫檢測的大量A掃信號的集合。與A型信號的波形顯示相比，包含豐富信息的TOFD圖像更有利于缺陷的識別和分析。

1.4.5當今使用的TOFD檢測系統都是高性能數字化儀器，完全克服了模擬超聲探傷儀和簡單數字超聲波探傷儀記錄信號能力差的特點，不僅能全過程記錄信號，長久保存數據，而且能夠高速進行大批量信號處理。

2CB32A-CB326海底輸油管道

2.1基本參數

CB32A-CB326海底輸油管道采用復壁管結構，其中芯管為Ф273×13，套管為Ф377×12，管道設計壓力6.4MPa，總長度2.95km。

2.2施工流程

該海底管線的敷設方式采用SL902鋪管船在海上連續敷設。在SL902船上依次有組對、根焊、熱焊、填充、蓋面、無損檢測、防腐補口等7個工位。

2.3檢測方法的選擇

勝利油田海底管線施工時目前均采用鋪管敷纜船在海上連續作業，取代了以前早期的敷設方式。早期的施工方式采用陸地分段預制，檢測合格后，分段浮拖、挖溝回填，連接各分段，繼續下段的小溝、浮拖，直至全部敷設完成，檢測工序可穿插完成，對整個工期的影響非常小。目前，采用SL902鋪管船直接在海上連續作業，作業時在船上沿生產線設置了多個連續工序，主要工序包括組對、根焊、熱焊、填充、蓋面、無損檢測、防腐補口等工序。無損檢測采取射線檢測，一般執行JB/T4730標準或者SY/T4109-2005標準。由于船上作業的特殊性，目前的檢測方法越來越不適應海底管線施工的現狀，主要存在如下問題：

輻射防護困難。船上作業基本24h不停，人員倒班各工序不停，所有人員不在工位上，就在船上休息，休息部位在底部，采用X射線作業時需要考慮所有6個方位的射線防護問題，且船上距離有限，輻射對人員的傷害仍在一定程度上存在。

檢測工序時間過長，與其他工序不匹配。在流水線上產品的制造時間取決于最長的工序時間，海底管線連續輻射施工時，由于組對機具的改進、焊接水平的提高以及防腐工藝的更新，除無損檢測外的其他工序施工時間大大縮短，正常工序時間均不到4min，而無損檢測采用射線檢測，雖采用中心法一次曝光，但由于后期膠片處理需要時間，即使采用了自動洗片機，該工序仍需要15min，大大制約了整個施工進度。勝利埕島海域氣象不穩定，適合出海作業的時間短，連續海上作業時間非常緊張，而海上船機費在整個施工成本中占了很大的比重，檢測工序時間過長，不僅僅導致工期延長，更重要的是導致成本大大上升，已成為了制約海底管線施工的瓶頸工序。

對面狀缺陷的檢測率低，可靠性低。海底管線敷設在海床上，投產后經受海潮、暗流、作業船只等多種破壞，故對其焊縫質量要求較嚴。焊縫中面狀缺陷破壞性最大。射線檢測對體積狀缺陷檢測率較高，但對面積性缺陷檢測率較低，容易導致小裂紋、未熔合等危險性缺陷漏檢。

由于該海底管線采用SL902船海上連續敷設，且用于內補口的口爬行器放置在無損檢測工位后，如果采取射線檢測，則內爬行器的拖纜和緊固線將與射線爬行器產生干擾，導致無法工作。故該芯管不能采用中心法透照，如采用雙壁單影透照，則透照次數增加，每道口僅攝片時間就需要15min以上，加上沖洗時間，每道口需要的檢測時間將超過30min，且輻射防護難度更大，鑒于此，考慮到TOFD檢測技術的特點，對芯管檢測特選用TOFD檢測替代射線檢測。

3芯管TOFD檢測工藝及檢測難點

3.1設備、器材選用

檢測設備使用漢威HS810TOFD儀器，探頭選擇TOFD10MHZ3mm63℃，所使用的TOFD檢測設備、器材和材料應能滿足NB/T47013.10的要求，耦合選用淡水，并保證實際檢測用的耦合劑應與檢測校準時的耦合劑相同。

3.2掃查方式選擇

初始掃查方式選用非平行掃查，用于缺陷的快速探測以及缺陷長度、缺陷自身高度的測定，可大致測定缺陷深度；對已發現的缺陷選用平行掃查方式進行，可精確測定缺陷自身高度和缺陷深度以及缺陷相對焊縫中心線的偏移，并為缺陷定性提供更多信息。

3.3PCS確定

初始掃查時，探頭中心距離設置為該探頭對的聲束交點位于覆蓋區域的2/3深度處。

3.4掃查面準備

探頭移動區應清除焊接飛濺、鐵屑、油垢及其他雜質。檢測表面應平整，便于探頭的掃查，表面粗糙度Ra值應不低于6.3μm，一般應進行打磨。保留余高的焊縫，如果焊縫表面有咬邊、較大的隆起和凹陷等應進行適當的修磨，并作圓滑過渡以免影響檢測結果的評定；要求去除余高的焊縫，應將余高打磨到與鄰近母材平齊。

3.5時間窗口調整

3.6靈敏度調節

因工件厚度為22mm，小于50mm，且采用單檢測通道時，采用直接在工件上進行靈敏度設置，方法是將直通波的波幅設定到滿屏高的60%～80%；若采用直通波不適合或直通波不可見，可將底面反射波幅設定為滿屏高的80%，再提高20～32dB；若直通波和底面反射波均不可用，可將材料的晶粒噪聲設定為滿屏高的5%～10%作為靈敏度。

3.7編碼器的校準

3.8難點一

4檢測效果

5結語

勝利海底管道適合采用TOFD替代射線檢測，檢測時要針對具體檢測對象，選擇合適的TOFD工藝參數，依據管道規格情況，制作合適的掃查軌道，并選擇合適的盲區檢測工藝，這樣，TOFD檢測效果完全能達到或超過射線檢測質量和可信度，建議下一步在埕島海底管道推廣。

參考文獻

[1]強天鵬．衍射時差法（TOFD）超聲檢測技術[M]．

[2]承壓設備無損檢測（JB/T4730.10-2005）[S]．

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