長輸管道內壁腐蝕缺陷的超聲波衍射時差法檢測

江雁山，鄧 進，李 喆，劉禮良，4

(1.森松(江蘇)重工有限公司上海分公司，上海 201323；2.中國特種設備檢測研究院，北京 100029；3.中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，沈陽 110043；4.國家市場監督管理總局無損檢測與評價重點實驗室，北京 100029)

近年來，隨著我國油氣發展的需求擴大，長輸管道鋪設量大幅增加[1]。長輸管道經過長時間的運行后會發生多種損傷，管道內壁腐蝕是長輸管道運行中的一種常見損傷模式[2]。目前，長輸管道內壁腐蝕的檢測技術主要為內檢測技術等[3]，其通過測量管道壁厚損失百分比來評價腐蝕程度，在發現內壁腐蝕缺陷后，還需采用常規超聲檢測或射線檢測技術進行復測。常規超聲檢測結果不直觀，缺陷特征評價提供的信息量不足；射線檢測在在役管道中的檢測采用雙壁單影透照方式，檢測靈敏度較低。管道內壁腐蝕缺陷的精確測量對管道的安全運行有著重要意義。

筆者采用超聲波衍射時差法(TOFD)來測定內壁腐蝕缺陷，通過仿真分析TOFD檢測工藝的可行性，對實際工程中已發現的內壁腐蝕缺陷進行測量，并與常規超聲脈沖反射法的檢測結果進行比對，驗證了TOFD檢測的可行性。

1 TOFD檢測的基本原理

TOFD檢測是一種利用缺陷端點的聲波衍射傳播時間差來進行缺陷檢測與定量的技術[4]，其檢測原理如圖1所示。

圖1 TOFD檢測原理示意

TOFD檢測較常規超聲檢測方法而言，除可顯示A型脈沖波形外，還可以得到D掃描圖像，檢測結果更為直觀；TOFD檢測還可對缺陷的深度、高度及長度進行精確測量。TOFD檢測底面盲區分為焊縫中心底面盲區和軸偏離盲區[5]。根據相關標準，焊縫中心底面盲區高度一般要求不大于1 mm。對管體本體進行檢測時，可通過不同位置、多次掃查來解決軸偏離盲區的問題。基于TOFD檢測的優點，可對長輸管道內壁腐蝕檢測工藝進行仿真分析。

2 TOFD檢測的仿真分析

NB/T 47013.10-2015 《承壓設備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測》 標準規定了焊縫TOFD檢測的相關要求[6]，而對管道本體部分無相關檢測要求，筆者根據標準中規定的焊縫TOFD檢測工藝參數進行仿真分析。

2.1 TOFD聲場仿真分析

工件規格為914 mm×16 mm(外徑×壁厚)，在CIVA軟件中對其進行建模，模型如圖2所示。

圖2 工件模型

仿真選用頻率為5 MHz，直徑為6 mm的探頭，楔塊角度為70°，PCS(探頭中心間距)為58.6 mm，計算分析聲場在工件中的分布(見圖3)。

圖3 聲場分析計算結果

由圖3可知，-12 dB聲束底面覆蓋區域為21 mm，聲場在工件底面能量較為集中，更有利于檢測內壁腐蝕缺陷。

2.2 TOFD缺陷響應仿真分析

在建立好的工件模型中，沿著管道周向與軸向內壁分別預設1個長為15 mm，高為1 mm的缺陷，并分別沿著管道周向與軸向掃查，掃查示意如圖4所示。

圖4 周向與軸向掃查示意

圖4中紅色十字標志為預設的缺陷，紫色線條為TOFD檢測掃查方向。將聲場仿真參數應用到建立好的缺陷模型中，分別沿著設置的周向與軸向掃查路徑進行計算分析，結果如圖5所示。

圖5 TOFD檢測缺陷仿真圖譜

由圖5可知，采用標準推薦的工藝參數可檢測出周向與軸向的根部缺陷，且檢測結果準確，初步驗證TOFD檢測管道母材是可行的。

3 現場工程應用

某公司長輸管道規格為914 mm×16 mm(外徑×壁厚)，材料為X70鋼，運行3 a后首次進行定期檢測，在管道內壁某一位置發現1處缺陷。針對該處缺陷，選用DA5P14FS15型探頭進行超聲檢測。檢測得到缺陷最小深度為13.8 mm，長為20 mm，寬為15 mm，但無法對缺陷進行直觀顯示，不利于缺陷評定。射線檢測時，采用雙壁單影透照，但檢測靈敏度較低。

針對上述情況，采用TOFD檢測該處缺陷。檢測設備為中科創新HSPA20型檢測儀，探頭頻率為5 MHz，直徑為6 mm，楔塊角度為70°，PCS為58.6 mm，檢測結果如圖6，7所示。

圖6 TOFD檢測周向缺陷圖譜

圖7 TOFD檢測軸向缺陷圖譜

由圖6，7可知，該圖譜特征較符合NB/T 47013.10-2015標準中附錄E的圖譜特征。檢測位置為管道本體，對該處缺陷進行精確測量，結果如表1所示。

將表1中的TOFD檢測結果與常規超聲檢測結果進行比對分析可知，缺陷最小深度均為13.8 mm，TOFD檢測結果精度不低于常規超聲檢測結果的精度，檢測結果更為直觀，更有利于缺陷的評定。

表1 管道缺陷TOFD檢測結果 mm

4 結語

(1) 采用標準推薦的焊縫檢測工藝參數對管道內壁腐蝕缺陷進行TOFD檢測，可有效檢出內壁腐蝕缺陷及對缺陷進行定量。

(2) TOFD檢測精度不低于常規超聲檢測精度。

(3) TOFD檢測結果更為直觀，對管道安全運行維護具有重要意義。

(4) 給管道內壁腐蝕缺陷的測量提供了一種新的檢測方法。