管道環焊縫的相控陣超聲檢測

王 雪，薛 巖，周廣言，郭瑞杰，朱鳳艷

(中國石油天然氣管道科學研究院有限公司， 廊坊 065000)

自動超聲檢測(AUT)技術在應用、驗收標準及檢測工藝評定等方面均已成熟，而且檢出率高，定量相對準確，安全環保，尤其是對面積型缺陷的敏感度遠高于射線檢測技術的敏感度。但是由于AUT聲束聚焦在焊縫坡口面上，對坡口的形狀要求較高，主要適用于全自動焊坡口未熔合型缺陷的檢測。在半自動焊和手工焊的條件下，坡口間隙以及缺陷類型的變化，對于AUT工藝設置、檢出和判讀都會有一定的影響。相控陣超聲檢測技術(PAUT)可實現一定范圍的聲束覆蓋，是管道環焊縫檢測的一個推廣方向，但是由于PAUT未在實際工程中大規模應用，在檢測可靠性、定量能力等方面沒有完善的工藝評定，沒有成熟的標準指導和合理的驗收標準。筆者針對PAUT技術開展了一系列可靠性分析試驗，通過制作一定數量的人工模擬缺陷，對PAUT環焊縫的缺陷檢出率及定量能力進行分析，為PAUT的工程應用、工藝及標準制定提供一定的依據。

1 PAUT可靠性試驗

可靠性試驗方法，參考挪威船級社DNV-RP-F118 《管道環焊縫AUT系統評定和項目專項認證程序》標準中關于AUT工藝評定及認證方法中可靠性評估的相關規定,試驗過程中制作了一定數量的人工模擬自然缺陷作為分析樣本。試驗流程包括人工模擬自然缺陷的設計制作、PAUT試驗、其他方法的無損檢測、切片加工制作以及試驗結果分析[1]等。

1.1 模擬缺陷設計和制作

試驗選擇外徑為1 219 mm，壁厚為27 mm的雙V坡口管段對接焊縫作為試驗對象，加工人工模擬自然缺陷，管段坡口示意如圖1所示。針對表面張力過渡焊接工藝(STT)打底半自動焊及手工焊容易產生的缺陷類型設計預埋缺陷，缺陷分布信息如表1所示，根據不同類型缺陷可能出現的分區位置，均勻設計預埋深度。缺陷設計高度在0.52 mm之間，滿足正態分布。

圖1 管段坡口示意

表1 缺陷分布信息

試驗選取7條管段進行缺陷加工，每隔150 mm埋藏一個缺陷，根據設計結果進行焊接加工。

1.2 檢測試驗

使用ZETEC相控陣設備對加工焊縫進行PAUT檢測，每條焊縫順時針、逆時針各掃查一次。在試驗前首先進行工藝仿真，確定最佳檢測方案。每次掃查前均要進行角度增益較準(ACG)、時間增益較準(TCG)靈敏度校準，并用模擬試塊進行工藝能力驗證，確認模擬試塊中的橫通孔、槽等人工反射體的檢出結果合格，保證檢測工藝的最優靈敏度和檢測結果的可靠性。試驗結束后，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

宏觀切片技術是一種破壞性參考試驗，為檢測方法提供系統檢測和定量能力參考。制作方法參考DNV-RP-F118標準方案，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。每個加工表面放大測量、存檔，測量誤差不大于±0.1 mm，存檔信息包括缺陷編號、缺陷尺寸、上下游等標識信息。從最終每個缺陷的4組切片中，選取一組有效截面，作為數據分析參考樣本。切片選取盡量避免缺陷重疊。圖3所示為切片圖以及對應的PAUT+TOFD檢測結果。

2 試驗結果對比分析

2.1 檢出率

通過繪制描述缺陷高度與檢出率關系的POD(Probability of Detection)曲線，得出PAUT在環焊縫檢測中,在95%樣本估計置信度下，以達到90%檢出率的缺陷高度，作為評估指標。試驗最終選取了137個缺陷作為分析樣本，樣本覆蓋所有設計缺陷類型以及焊縫坡口各分區。缺陷尺寸為0.25 mm，呈近似正態分布，圖4為不同缺陷尺寸范圍對應的缺陷數量，其中包括焊接自然缺陷，充足的樣本量增加了評估結果的置信度。

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

圖3 不同缺陷的切片圖及PAUT+TOFD檢測結果

圖4 不同缺陷尺寸范圍對應的數量

(1)

式中：a為缺陷尺寸；μ為缺陷尺寸的平均值；σ為缺陷尺寸的標準差。

統計中設定缺陷檢出閾值為20%幅值高度，檢測缺陷在位置、深度、缺陷類型、坡口中橫向位置、上下游與切片數據一致的前提下，檢測最大幅值不小于20%，即判定該缺陷檢出，否則拒收。根據試驗切片及檢測數據統計結果進行統計學分析計算，繪制POD曲線如圖5所示。結果顯示，PAUT在該雙V坡口檢測中，95%置信度下達到90%檢出率的缺陷尺寸為0.92 mm，參考中俄東線關于AUT工藝評定中應用的1 mm的評定閾值，PAUT環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POD曲線

在當前檢出率下，對PAUT試驗結果進行定性能力評估(見表2)，可見定性準確率可達96.9%，與AUT定性能力基本一致。PAUT對缺陷的定性檢測，可根據缺陷出現位置和不同缺陷類型回波特性，結合TOFD檢測結果進行綜合分析。由于層間未熔合、夾渣、氣孔等缺陷在坡口內部，位置不固定，在缺陷尺寸較小的情況下較難定性，容易出現小概率誤判。

表2 缺陷定性能力評估

2.2 定量準確性

定量準確性通過建立切片實際缺陷高度與PAUT檢測高度的POS(Probability of Sizing)曲線，分析PAUT檢測定量誤差范圍及定量離散性。定量分析采用檢出的129個缺陷作為樣本分析對象。高度判讀方法首先采用ASTM,ISO等標準中提到的波幅降低-6 dB法，將檢測高度與實際高度相比，進行統計學計算，繪制POS曲線如圖6所示。缺陷定量誤差平均值為2.94 mm，誤差標準差為1.37 mm。相對于AUT檢測方法的誤差平均值為0.89 mm，誤差標準差為1.24 mm，PAUT檢測定量高度普遍偏大，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，也與PAUT無針對性方案設計，對不同角度和不同類型缺陷反射回波能量的差異性有關。

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果，對PAUT檢測結果重新評定，采用中心色法測量高度，即高度測量只針對扇掃結果的中心色塊。重新進行POS曲線繪制(見圖7)，定量誤差平均值為0.48 mm，誤差標準差為0.91 mm。可見，新的高度測量方法改進了PAUT的定量結果。但是，此方法基于經驗值，不便形成標準。為了獲得更準確的PAUT定量方法，仍需針對不同的缺陷類型、缺陷深度和缺陷方向進行大量的試驗研究和探討，形成可適用的、合理的定量標準。

3 結語

針對管道環焊縫檢測，PAUT檢測工藝評定還未完全成熟，對于PAUT檢測的可靠性分析多基于模擬試驗，未有大量的實際試驗驗證。筆者參考AUT工藝評定及認證方法，提出了一種PAUT可靠性分析的試驗方法，進行了人工模擬缺陷和切片的設計制作，并開展了一系列檢測對比試驗和數據統計分析，得出PAUT環焊縫的缺陷檢出率及定量準確率。結果表明，PAUT在管道環焊縫的檢出率上，95%置信度下90%檢出率的缺陷尺寸可達0.92 mm，具有較高的檢出可靠性，且定性準確性較好。但是在定量方面，未形成較好的定量標準，用-6 dB波幅法測量，PAUT定量誤差較大，離散性較大，存在誤導驗收風險，在經驗和技術原理、試驗研討的基礎上，提出可因循的標準判讀方法是很好的解決途徑。為了解決該問題，進行大量的試驗和形成相應的標準是當務之急。