超聲內檢測含缺陷管道壁厚確定方法

蔡亮學， 董輝， 陳飛， 徐廣麗*

(1.西南石油大學石油與天然氣工程學院， 成都 610500； 2.油氣消防四川省重點實驗室， 成都 610000)

超聲檢測作為五種常規無損檢測方法之一[1-2]，適用性好[3]，準確度高[4]，在油氣管道缺陷檢測領域有廣泛應用[5]。超聲波具有束射性和方向性，在聲阻抗不同的介質中傳播時遇到界面會發生反射、折射和波形的轉換[6]。由于聲波在耦合劑和管壁中的傳播速度已知，根據內外壁面的回波信號時域圖，提取回波特征點，可以計算得到管道壁厚。目前主要的特征提取方法有時域波形結構分析、頻域譜估計和時頻域分析[7]。實現超聲檢測回波信號的在線實時處理是研發超聲內檢測器的關鍵環節，而基于回波信號定量分析含缺陷管道壁厚則是信號處理的根本任務。

由于工程實踐中存在多種管道缺陷類型，且檢測過程中回波信號對眾多因素高度敏感，需針對具體缺陷類型提取對應的內外壁面回波特征[8]。唐建等[9]提取了壁厚渡越時間，基于改進的1.5維譜給出了一種簡便的壁厚過渡方法，但未進行實驗驗證；焦向東等[10]提取了10個不同測點的壁厚頻率信息，根據Hilbert-Huang邊際譜計算得到的壁厚誤差在1.42%內；楊依光等[11]研制的超聲檢測裝置能有效檢出管道焊縫缺陷，根據回波信號時延和超聲波速計算得到壁厚誤差較小。上述研究均采用鋼試塊，未體現出實際管道壁面的弧度和局部體積型缺陷。目前，管道缺陷對應的回波信號特征及其在內檢測器與管道相對空間方位不標準條件下的變化規律、管道缺陷量化計算的精度仍是超聲內檢測器研發的主要障礙。

因此，現以含體積型缺陷碳鋼管道為實驗對象，采用自主研制的脈沖反射式壓電超聲內檢測實驗裝置，分析A掃描回波信號中內外壁面回波特征，并研究其在檢測器與管道錯位狀態下的變化規律，建立含體積型缺陷管道壁厚過渡方式及計算方法，并結合實驗數據驗證檢測精度。

1 超聲內檢測管道壁厚確定方法

管道超聲內檢測設備由多探頭組成探頭陣列，利用超聲探傷原理，通過介質從管道內向管壁發射超聲波，依據超聲波在介質中的傳播時間、幅值以及其他特征量進行管體內部結構的分析。若超聲探頭垂直向管壁發射超聲脈沖，探頭首先接收到由管壁內表面反射的脈沖回波，隨后接收到由管壁外表面反射的脈沖回波，根據兩次脈沖回波的時間差以及超聲波在管材和介質中的傳播速度可以計算出管壁的實際厚度。

然而，在管道超聲內檢測過程中，探頭與管道的空間相對方位變化多樣，超聲探頭可能與管道存在錯位。如圖1所示，探頭處于A方位時，探頭中心與管道缺陷中心正對，稱為標準狀態，此時探頭發射的超聲脈沖垂直作用到管道壁面，可通過回波數據計算得到含缺陷處管道壁厚；處于B方位時，探頭與缺陷中心產生錯位，回波信號中包含了兩種管道壁厚信息，即含缺陷管道壁厚和無缺陷管道壁厚；處于C方位時，探頭中心與無缺陷管道正對，回波信號中僅包含無缺陷管道壁厚。因此，在明確標準狀態時回波信號分區的基礎上，采用提取時域特征參數的方式進行信號識別，結合各個特征參數的物理意義，依據識別結果的準確性選取最準確的特征參數，明確探頭與管道存在錯位時的壁厚過渡方式，進而計算出管道壁厚。

圖1 管道與探頭間的錯位狀態示意圖Fig.1 Schematic diagram of relative dislocation between probe and pipe

圖2 實驗裝置Fig.2 Picture of experimental setup

2 含缺陷管道超聲檢測實驗

2.1 實驗系統

超聲內檢測實驗裝置如圖2所示，包括含缺陷管道、探頭陣列艙、超聲探頭、手動位移臺、多通道超聲發射卡、數據采集與處理軟件。管道為DN219×7.48 mm、Q235碳鋼管道，外壁加工深2.1 mm、直徑11.48 mm的圓柱形凹槽[12]缺陷以模擬工程實際中可能出現的局部腐蝕，如圖3(a)和圖3(b)所示。手動位移臺與探頭陣列艙相連并置于待檢測管段中，用于改變探頭與管道的相對空間方位。超聲探頭采用不銹鋼外殼，如圖4所示，晶片材質為鋯鈦酸鉛(lead zirconate titanate，PZT)，規格如表1所示。為有效分析體積型缺陷對A掃描超聲回波信號的影響，缺陷中心正對探頭1，與探頭1同一水平面上設置探頭2正對無缺陷管道內壁，缺陷及探頭位置關系如圖3(c)所示。

圖3 管道缺陷樣本Fig.3 Sample of pipe defect

圖4 超聲探頭Fig.4 Ultrasound probe

表1 探頭規格參數

2.2 實驗方案

為考察檢測器與管道存在錯位時回波信號的變化規律，探究不同錯位狀態下回波信號中包含的管道壁厚信息，通過調整探頭陣列艙方位使探頭相對缺陷產生環向錯位、軸向錯位和環向-軸向組合錯位。其中，軸向錯位范圍0～6 mm，間隔0.5 mm；環向錯位范圍0～6.5 mm，間隔0.5 mm；兩種錯位的組合錯位，共182種錯位工況。調整探頭與測試管段的相對方位后，采用A型掃描方式檢測含缺陷管段的預設部位，獲得超聲檢測的回波信號數據。各通道采樣頻率100 MHz，采樣點488個，設置增益40 db。

3 結果分析

3.1 回波信號時域波形分析

依據內外壁面回波特征，將標準狀態下的回波信號時域圖劃分為4個區：Ⅰ區，時間間隔為977.13 ns，涵蓋一次表面回波；Ⅱ區，時間間隔為449.48 ns，涵蓋含缺陷管段一次底面回波；Ⅲ區，時間間隔為449.48 ns，涵蓋無缺陷管段一次底面回波；Ⅳ區，時間間隔為449.48 ns，涵蓋含缺陷管段二次底面回波。圖5為無缺陷、含缺陷管段標準狀態下的回波信號時域圖，由圖5可知：一次表面回波特征點為Ⅰ區間內幅值最大點；含缺陷管段的一次底面回波特征點為Ⅱ區間內幅值最大點；無缺陷管段的一次底面回波特征點為Ⅲ區間內大于幅值最大值3%的第一個峰值點；含缺陷管段的二次底面回波特征點為Ⅳ區間內幅值最大點。

圖5 標準狀態下超聲檢測管道回波信號時域圖Fig.5 Time domain diagram of echo signal of ultrasonic testing pipe under standard state

圖6分別為軸向錯位0、3、6 mm時不同環向錯位狀態下的回波信號時域瀑布圖，圖6中一次表面回波、含缺陷管段一次底面回波、含缺陷管段二次底面回波、無缺陷管段一次底面回波位置是基于標準狀態確定的。由圖6可知，隨著軸向錯位量的增加，含缺陷管段底面回波幅值逐漸降低，無缺陷管段底面回波幅值逐漸升高；軸向錯位增大至5 mm時，含缺陷管段底面回波特征消失，無缺陷管段底面回波幅值達到最大值；若軸向錯位量低于5 mm，隨著環向錯位量的增加，含缺陷管段底面回波幅值逐漸降低，無缺陷管段底面回波幅值逐漸升高。由此可知，在某些錯位狀態下，出現含缺陷管段底面回波特征和無缺陷管段底面回波特征共存的現象，即能計算出兩種管道壁厚的狀態。

圖6 不同環向錯位量下超聲檢測回波信號瀑布圖Fig.6 Waterfall chart of echo signal of ultrasonic detection under different circumferential misalignment

3.2 時域特征參數提取

(1)

(3)

式中：N為采樣點個數；Xi為第i個采樣點信號；t0、T分別為采樣起始時刻、采樣時長，ns；X(t)為t時刻時的信號。

以軸向錯位0～6 mm為基準，分別提取環向錯位0～6.5 mm工況的時域特征值，分析發現波形因子穩定性最好。圖7為不同錯位狀態下的波形因子，可知：當軸向錯位量為0～4.5 mm時，波形因子隨環向錯位量增加而先增大后減??；波形因子最大值隨軸向錯位量增大而逐漸向左移動，直到波形因子最大值為2.8時，環向錯位量為0剛好對應拋物線對稱軸；軸向錯位量繼續增大到5～6 mm時，波形因子隨環向錯位量增加而單調下降，且波形因子均小于2.8。

圖7 不同錯位狀態下波形因子曲線擬合Fig.7 Curve fitting of waveform factors in different dislocations

3.3 壁厚過渡方式

3.3.1 Ⅲ區、Ⅳ區特征點分析

根據3.1節分析，取Ⅲ區大于幅值最大值3%的第一個峰值點為Ⅲ區特征點，Ⅳ區幅值最大點為Ⅳ區特征點。提取回波時域圖中Ⅲ區、Ⅳ區特征點幅值及二者比值進行分析，圖8為軸向錯位0、2.5、3、6 mm時的各參數及其擬合曲線?？芍?，軸向錯位量一定時，隨著環向錯位量增加，Ⅲ區和Ⅳ區特征點幅值呈先降后升趨勢；當軸向錯位量為0～2.5 mm時，隨著軸向錯位量增加，Ⅲ區、Ⅳ區特征點擬合曲線的交點逐漸向x軸負方向移動；當軸向錯位量為3～6 mm時，Ⅲ區、Ⅳ區特征點擬合曲線無交點。當軸向錯位量小于等于4 mm時，兩特征點幅值的比值隨環向錯位量增加而先降后升；當軸向錯位量大于4 mm時，比值隨環向錯位量增加而先升后降，且不同環向錯位量下的比值較分散。

對比圖7和圖8發現，不同軸向錯位狀態下，Ⅲ區特征點擬合曲線和Ⅳ區特征點擬合曲線交點剛好處于波形因子大于2.8的環向錯位區間內，說明在該區間內含缺陷管段二次底面回波和無缺陷管段一次底面回波的幅值相差較小，因此，推測波形因子大于2.8時的錯位狀態涵蓋兩種壁厚信息。當環向錯位量小于交點處錯位量時，Ⅳ區特征點幅值高于Ⅲ區特征點幅值，含缺陷管段外壁面回波特征明顯；反之，Ⅳ區特征點幅值低于Ⅲ區特征點幅值，無缺陷管段外壁面回波特征明顯。

3.3.2 Ⅱ區、Ⅲ區特征點分析

根據3.1節分析，?、騾^幅值最大點為Ⅱ區特征點。提取回波時域圖中Ⅱ區、Ⅲ區特征點幅值及二者比值進行分析，如圖9為軸向錯位0、4.5、5、6 mm時的各參數及其擬合曲線。可知，當軸向錯位量為0～4.5 mm時，隨著軸向錯位量增加，Ⅱ區、Ⅲ區特征點擬合曲線的交點向x軸負方向移動；且在交點前，Ⅱ區特征點幅值大于Ⅲ區，在交點后，Ⅲ區特征點幅值大于Ⅱ區；當軸向錯位量為5～6 mm時，Ⅱ區、Ⅲ區特征點擬合曲線無交點，Ⅲ區特征點幅值均大于Ⅱ區。當軸向錯位量在4.5～6 mm時，兩特征點幅值的比值均小于1。

圖8 不同錯位狀態下Ⅲ區和Ⅳ區特征點幅值及其比值Fig.8 Amplitudes and ratios of characteristic points in zone Ⅲ and zone Ⅳ under different dislocation states

圖9 不同錯位狀態下Ⅱ區和Ⅲ區特征點幅值及其比值Fig.9 Amplitude and ratio of characteristic points in zone Ⅱ and zone Ⅲ under different dislocation states

對比圖7和圖9發現，軸向錯位0～4.5 mm時，波形因子大于2.8的環向錯位量的最大值與Ⅱ區、Ⅲ區特征點擬合曲線交點處環向錯位量相差小于±1 mm；當Ⅱ區、Ⅲ區特征點擬合曲線無交點時，各錯位狀態的波形因子均小于2.8。

3.3.3 壁厚過渡區間

根據上述分析，采用波形因子確定管道壁厚過渡方式。波形因子大于2.8時環向錯位量的最小值為涵蓋兩種壁厚數據的上邊界，波形因子大于2.8時環向錯位量的最大值為涵蓋兩種壁厚數據的下邊界。以無軸向錯位狀態為例，波形因子大于2.8的最小環向錯位量為2.5 mm、最大環向錯位量為5.5 mm，則：環向錯位量為0～2 mm時，僅能獲得含缺陷管段壁厚；環向錯位量為2.5～5.5 mm時，可以得到含缺陷管段壁厚、無缺陷管段壁厚兩種壁厚；環向錯位量為6～6.5 mm時，僅能得到無缺陷管段壁厚。由此可確定各錯位狀態下的壁厚過渡區間，如表2所示。

圖10為不同錯位狀態下的壁厚過渡方式坐標圖，紅色區域為含缺陷管段壁厚計算范圍，占8.24%；黃色區域為兩種壁厚均能計算范圍，占44.51%；藍色區域為無缺陷管段壁厚計算范圍，占47.25%。發現，探頭相對缺陷僅產生環向錯位時，過渡的下邊界(環向錯位5.5 mm)比探頭中心正對缺陷邊緣(環向錯位5 mm)時錯位量大10%，且過渡區間占缺陷深度可計算區間(環向錯位0～5.5 mm)的58.33%，因此即使錯位量較大也能計算得到缺陷深度。探頭相對缺陷僅產生軸向錯位時，過渡區間下邊界(軸向錯位4 mm)比探頭中心正對缺陷邊緣(軸向錯位5 mm)時錯位量小20%，且過渡區間占缺陷深度可計算區間(軸向錯位0～4 mm)的55.55%，說明當探頭中心還未完全到達缺陷邊緣時，已無法檢測出含缺陷管段的壁厚。可知，軸向錯位對信號中缺陷底面回波特征的影響比環向錯位大；當環向和軸向錯位均存在時，過渡邊界擬合曲線近似圓弧形。

表2 不同錯位狀態下過渡區間

圖10 過渡方式坐標圖Fig.10 Transition mode coordinate map

3.4 壁厚計算

超聲波在管壁中的傳播速度為6 000 m/s，準確提取超聲回波聲時差是保證超聲脈沖反射式測厚精度的關鍵。以圖10紅色區域中的軸向錯位1 mm、環向錯位1 mm為例，確定圖11(a)中Ⅰ區特征點為內壁面回波特征點，Ⅱ區特征點為外壁面回波特征點，二者時間差作為超聲波在管壁中的傳播時間，可得到含缺陷管段的壁厚。以圖10黃色區域中的軸向錯位3 mm、環向錯位4.5 mm為例，確定圖11(b)中Ⅰ區特征點為內壁面回波特征點，Ⅱ區特征點為含缺陷管段外壁面回波特征點，二者時間差即為超聲波在含缺陷管壁中的傳播時間，可得到含缺陷管段的壁厚；Ⅲ區特征點為無缺陷管段外壁面回波特征點，與Ⅰ區特征點的時間差即為超聲波在無缺陷管壁中的傳播時間，可得到無缺陷管段的壁厚。以圖10藍色區域中的軸向錯位5 mm、環向錯位2 mm為例，確定圖11(c)中Ⅰ區特征點為內壁面回波特征點，Ⅲ區特征點為外壁面回波特征點，二者時間差作為超聲波在管壁中的傳播時間，可得到無缺陷管段的壁厚。

圖11 含缺陷管道回波信號時域圖Fig.11 Time domain diagram of echo signal of pipe with defect

圖12 超聲檢測含缺陷管道壁厚計算誤差散點圖Fig.12 Scatter plot of calculation error of wall thickness of pipe with defects in ultrasonic testing

3.5 精度分析

比較各工況的管道壁厚計算值與實際值，誤差如圖12所示。發現，86.5%工況壁厚檢測精度在2%以內，僅3.5%工況壁厚檢測誤差超過4%，最大誤差小于5%，滿足實際工程檢測精度需要。

4 結論

超聲內檢測器檢測含缺陷管道時，探頭與管道的相對空間方位會顯著影響超聲回波信號。針對DN219×7.48 mm、Q235碳鋼外壁含圓柱形體積缺陷管道，利用自主研制的A掃描超聲內檢測實驗裝置，對探頭與管道缺陷正對、軸向錯位0～6 mm、環向錯位0～6.5 mm以及兩種錯位共存4種狀態下的超聲回波信號進行采集分析，提取有針對性的時域特征參數，確定管道壁厚過渡方式，進而確定錯位狀態下含缺陷管道壁厚計算方法。主要結論如下。

(1)將回波信號劃分為4個區，并分別提取特征點；波形因子大于2.8時，回波信號涵蓋兩種壁厚信息；取波形因子大于2.8時環向錯位量的最小值作為回波信號涵蓋兩種壁厚信息的上邊界，最大值作為下邊界，進而確定了壁厚過渡方式坐標圖。

(2)可計算出含缺陷管段壁厚的錯位范圍小于可計算出無缺陷管段壁厚的錯位范圍；探頭相對缺陷僅產生環向錯位時，錯位量達5.5 mm時仍能計算得到缺陷深度；探頭相對缺陷僅產生軸向錯位時，當探頭中心還未完全到達缺陷邊緣時，已無法檢測到缺陷深度；軸向錯位對回波信號中缺陷底面回波特征的影響比環向錯位大。

(3)計算出的錯位狀態下含缺陷管道壁厚與實際壁厚誤差均在5%以內，符合工程檢測精度要求。