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      基于TOFD的管道焊縫無損檢測技術(shù)研究

      2020-06-12 06:20:00王學(xué)林李慧羽李宗建馬瑩王慶華
      油氣田地面工程 2020年6期
      關(guān)鍵詞:聲場油層焊縫

      王學(xué)林 李慧羽 李宗建 馬瑩 王慶華

      1中國石油華北油田公司第二采油廠

      2華港燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司

      3中國石油華北油田公司第五采油廠

      4中國石油華北油田公司第三采油廠

      超聲波衍射時(shí)差法(TOFD)可用于對管道焊縫中的缺陷類型進(jìn)行識(shí)別,是近年來發(fā)展勢頭最快的無損檢測技術(shù)之一[1-2]。管道焊縫的金相組織結(jié)構(gòu)差異大,缺陷形態(tài)種類多,噪聲干擾源多,在焊縫的無損檢測過程中,缺陷圖像存在特征復(fù)雜、位置隨機(jī)和干擾嚴(yán)重等問題,同時(shí)受檢測人員能力的限制,還存在檢測效率低、檢測結(jié)果爭議大等問題[3-5]。

      遲大釗等[6]采用圖像處理技術(shù)提高了D 掃描圖像的分辨率和可讀性。LIU 等[7]對焊核部位的有效信息進(jìn)行了多次提取,應(yīng)用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對氣孔、焊核脫粘、弱結(jié)合等多種缺陷的有效識(shí)別。張銳等[8]通過優(yōu)化TOFD 的檢測方法和延長相應(yīng)衍射波的傳播路徑來降低近表面的檢測盲區(qū)。陳天璐等[9]通過對超聲回波進(jìn)行傅里葉變換,將缺陷圖像的特征向量進(jìn)行提取,實(shí)現(xiàn)了對各類缺陷的有效識(shí)別。上述方法雖然對缺陷的識(shí)別能力有所提高,但還存在缺陷信號(hào)部分損失、衍射信號(hào)衰減嚴(yán)重等問題,同時(shí)檢測過程沒有區(qū)別實(shí)際工況中有無油層對檢測數(shù)據(jù)的影響。為此,開展了管道焊縫的相關(guān)檢測[3],對雙面介質(zhì)差異(有無油層)情況下TOFD相關(guān)信號(hào)的特征及缺陷信號(hào)進(jìn)行提取,通過仿真計(jì)算和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模型解析,應(yīng)用小波閾值對噪聲和有效信號(hào)進(jìn)行了處理,并在現(xiàn)場實(shí)際工況條件下對管道的環(huán)焊縫以及角焊縫進(jìn)行檢測驗(yàn)證,以保證現(xiàn)場無損檢測的準(zhǔn)確性。

      1 TOFD基本原理及探頭聲場計(jì)算

      超聲波衍射時(shí)差法的基本原理是將一對尺寸大小、相位角度以及收發(fā)頻率相同的縱波探頭放置在待檢測的焊縫兩側(cè),一個(gè)探頭發(fā)射超聲波脈沖,另一個(gè)探頭接受脈沖,如果焊縫表面或內(nèi)部沒有缺陷則接收到表面直通波信號(hào)(LW)和地面回波信號(hào)(BW),如果有缺陷則還會(huì)接收到缺陷上部和下部產(chǎn)生的衍射波。根據(jù)縱波在焊縫中的傳播速度以及探頭接收到不同回波的時(shí)間差,可以準(zhǔn)確地計(jì)算出焊縫內(nèi)缺陷的埋藏深度;同時(shí)由于TOFD方法選取的探頭角度一般為45°、60°和70°,在實(shí)際應(yīng)用中缺陷深度位置dmin與dmax的差值一般不會(huì)超過10%,因此可滿足多數(shù)場合的應(yīng)用要求。

      為了研究TOFD無損檢測技術(shù)在雙側(cè)介質(zhì)不同的情況下是否能夠?qū)θ毕葸M(jìn)行準(zhǔn)確定位和定量,采用數(shù)值方法結(jié)合解析模型來提高TOFD仿真的效率和準(zhǔn)確性,主要是進(jìn)行聲束輻射場的計(jì)算和缺陷聲場響應(yīng)計(jì)算,其中聲束輻射場的計(jì)算包括計(jì)算探頭的瞬時(shí)聲場和在工件中的瞬時(shí)聲場。

      (1)計(jì)算探頭的瞬時(shí)聲場。探頭的瞬時(shí)聲場即探頭上每個(gè)源點(diǎn)對聲場貢獻(xiàn)的積分(瑞利積分)。介質(zhì)中的聲場scalar potential 標(biāo)(量)勢j(r,t)計(jì)算式為

      式中:rT為源點(diǎn)到計(jì)算點(diǎn)的時(shí)間差;r0為聲束擴(kuò)散(1/r幅值減少)。

      (2)在工件中的瞬時(shí)聲場計(jì)算。將瑞利積分?jǐn)U展到液/固界面,計(jì)算式為

      在工件內(nèi)部的聲場計(jì)算主要應(yīng)用鉛筆理論,具體如圖1所示。

      圖1 鉛筆理論示意圖Fig.1 Schematic diagram of pencil theory

      圖1 中,dx、dy為旁軸聲束相對于主軸聲束的向量值;dSx、dSy為旁軸聲束相對于主軸聲束的慢度值。

      對于檢測到的各類缺陷,如存在上下表面裂紋開口、氣孔、根部未焊透、夾渣、表面未熔合等,采用衍射幾何理論(GTD)模型及算法,根據(jù)波長、衍射角度及發(fā)射頻率對衍射信號(hào)的衰減進(jìn)行仿真計(jì)算,對其中類似缺陷邊緣的衍射波進(jìn)行預(yù)測,缺陷對超聲波衍射信號(hào)的衰減計(jì)算式為

      式中:Φdir為無缺陷時(shí)衍射波到達(dá)接收探頭的時(shí)間;Φdif為有缺陷時(shí)衍射波到達(dá)接收探頭的時(shí)間。

      2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與仿真計(jì)算

      考慮到長輸管道常用壁厚多在10~30 mm 之間,根據(jù)NB/T47013.10—2015《承壓設(shè)備無損檢測第10 部分:衍射時(shí)差法超聲檢測》中的相關(guān)規(guī)定,TOFD 適用于壁厚12 mm 及以上的壓力管道及壓力容器檢測。因此根據(jù)現(xiàn)場管道的材質(zhì)、壁厚、坡口型式以及焊接工藝設(shè)計(jì)了厚度20 mm對接焊縫模型和試件,母材為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼16MnR,焊接方式為SMAW,坡口型式為X型,分別在試件上預(yù)設(shè)上表面開口、埋藏缺陷和下底面開口(較腐蝕更難以檢測到)等人工缺陷。試件解析模型如圖2所示。

      TOFD檢測采用美國聲學(xué)公司制造的POCK-ETUT檢測儀器,探頭的參數(shù)參照NB/T47013.10—2015附錄選擇60°,探頭中間間距取69 mm,晶片尺寸6 mm,晶片頻率5 MHz,掃查方式采用沿焊縫方向非平行掃查。為了更好地進(jìn)行不停產(chǎn)檢測,分別對管道內(nèi)部有無油層狀態(tài)下的三種缺陷形式進(jìn)行檢測和掃描,檢測結(jié)果見圖3、圖4。

      圖2 試件及缺陷設(shè)置示意圖Fig.2 Schematic diagram of specimen and defect setting

      由圖3、圖4 可知,當(dāng)?shù)撞坑杏凸笗r(shí),實(shí)際掃查結(jié)果明顯存在底部反射信號(hào)較強(qiáng)的現(xiàn)象,在同等增益的情況下,導(dǎo)致直通波信號(hào)偏弱,上表面缺陷不易識(shí)別,但如果降低整個(gè)增益,又會(huì)導(dǎo)致底部缺陷不易檢出。

      為了提高缺陷檢測效率,減少噪聲對信號(hào)的影響,將深度學(xué)習(xí)引入信號(hào)識(shí)別和降噪全過程。其中,小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的非線性映射能力,具有廣泛的適應(yīng)性,已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域成功應(yīng)用,可以對文字、圖像、語音進(jìn)行有效識(shí)別。在此,主要應(yīng)用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的閾值去噪功能,基于噪聲和有效信號(hào)頻率、幅值的不同,通過對不同類型的小波系數(shù)進(jìn)行閾值處理,高于閾值的小波系數(shù)被保留,低于閾值的被清零,從而有效控制噪聲,進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)(圖5)。

      圖3 無油層狀態(tài)下的TOFD檢測結(jié)果Fig.3 TOFD test results in oil-free state

      圖4 油層狀態(tài)下的TOFD檢測結(jié)果Fig.4 TOFD test results in reservoir state

      圖5 小波閾值去噪流程Fig.5 Wavelet threshold denoising process

      在小波閾值去噪的過程中,最重要的是閾值函數(shù)和閾值規(guī)則的選取。對于閾值函數(shù),常用的主要有硬閾值和軟閾值兩種,硬閾值會(huì)造成小波系數(shù)篩選的不連續(xù)性,容易出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象;而軟閾值雖然將輸入、輸出函數(shù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)函數(shù),但在小波重構(gòu)的過程中容易出現(xiàn)奇異點(diǎn)缺失的現(xiàn)象。在此,引入一個(gè)折中方案,即采用改進(jìn)的一致函數(shù),當(dāng)小波系數(shù)低于設(shè)置的閾值時(shí),不進(jìn)行直接置零,而是進(jìn)行平滑置零處理,可保證加、減閾值后的過渡處理。改進(jìn)的閾值函數(shù)如圖6所示。

      對于閾值規(guī)則的選取,目前常用的方法主要有Sqtwolog規(guī)則、Heursure規(guī)則、Rigrsure規(guī)則等。其中sqtwolog 規(guī)則和heursure 規(guī)則在使用的過程中能夠去除大部分的噪聲信號(hào),但對于隱藏在噪聲信號(hào)中的有用信息也容易被過濾;Rigrsure 規(guī)則與信號(hào)的長度關(guān)系較大,當(dāng)信號(hào)長度選取不當(dāng)時(shí),會(huì)出現(xiàn)有用的小波系數(shù)被置零的現(xiàn)象。故在此采用一種改進(jìn)的閾值規(guī)則,即利用函數(shù)的極大極小規(guī)則,求去噪函數(shù)的最小極大方差值,其規(guī)則如下

      圖6 改進(jìn)的閾值函數(shù)Fig.6 Improved threshold function

      式中:σn為噪聲的均方差;N為信號(hào)的長度。

      閾值函數(shù)和閾值規(guī)則選取完畢后,對之前檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,將處理后的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本,網(wǎng)絡(luò)中輸入神經(jīng)元的單元數(shù)為6,輸出層的單元數(shù)取5,最大迭代次數(shù)設(shè)置為600,輸出目標(biāo)誤差定義為10-8。此外隱含層采用優(yōu)化算法logsig 傳遞函數(shù),輸出層采用purelin轉(zhuǎn)換函數(shù),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)權(quán)數(shù)鏈接采用收斂速度較快的Levenberg-Marquardt算法,采用變步長法(即在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算初始選擇比較少的隱含層神經(jīng)元數(shù),然后根據(jù)實(shí)際給出的數(shù)據(jù)增加神經(jīng)元數(shù),進(jìn)行不斷學(xué)習(xí)和完善,直到網(wǎng)絡(luò)模型滿足目標(biāo)誤差的精度要求)確定網(wǎng)絡(luò)中隱含層的單元數(shù)。將運(yùn)行程序輸入Matlab軟件中進(jìn)行計(jì)算,發(fā)現(xiàn)隨著隱含層數(shù)量的增加,平均迭代次數(shù)呈曲折上升趨勢,而隨著迭代次數(shù)的增加,整個(gè)模型數(shù)據(jù)處理的時(shí)間也會(huì)延長,如圖7所示。

      圖7 不同隱含層神經(jīng)元數(shù)對應(yīng)的平均迭代次數(shù)Fig.7 Average iteration times corresponding to the number of neurons in different hidden layers

      因此,基于網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性和訓(xùn)練時(shí)間等方面綜合考慮,將隱含層的神經(jīng)元數(shù)定義為6,通過小波閾值去噪后,檢測信號(hào)的信噪比從12.58提高到了25.67,對噪聲部分進(jìn)行了有效的去除,達(dá)到檢測效果,解決了管道帶壓、帶液條件下導(dǎo)致的上表面缺陷檢測和底部缺陷漏檢的難題。其中油層狀態(tài)下處理后的檢測結(jié)果如圖8所示。

      圖8 底面油層狀態(tài)下的TOFD實(shí)測結(jié)果(處理后)Fig.8 Measured results of TOFD in bottom oil layer state(after treatment)

      3 現(xiàn)場測試及結(jié)果分析

      在實(shí)驗(yàn)室計(jì)算和驗(yàn)證取得預(yù)期效果情況下,對某輸油管道開展了實(shí)際檢測驗(yàn)證比對試驗(yàn)。試驗(yàn)對象母材為L365N,Ф813 mm×15 mm,設(shè)計(jì)壓力11.5 MPa,設(shè)計(jì)溫度78 ℃,檢測長度2 km,工作介質(zhì)為原油。檢測部位為部分環(huán)焊縫、角焊縫的焊縫區(qū)和熱影響區(qū),原定為停產(chǎn)、不卸料,拆除保溫后進(jìn)行試驗(yàn),但由于生產(chǎn)工作的連續(xù)性,未實(shí)現(xiàn)停產(chǎn)檢測,采取拆除保溫、砂紙打磨部分區(qū)域的方式進(jìn)行試驗(yàn)。

      對管道按照環(huán)向90°角度將TOFD檢測分成了四段,并與常規(guī)的射線檢測結(jié)果進(jìn)行對比,其中一個(gè)環(huán)焊縫中第一段TOFD 檢測發(fā)現(xiàn)了1 處埋藏缺陷(深度9 mm、長度2 mm、高度1.1 mm 的條狀缺陷)和3 處底部腐蝕缺陷,射線只發(fā)現(xiàn)了1 處缺陷;第二段TOFD 檢測發(fā)現(xiàn)了1 處埋藏缺陷(在近表面長約10 mm)和兩處底部腐蝕缺陷,射線只發(fā)現(xiàn)了1 處缺陷;第三段TOFD 檢測發(fā)現(xiàn)了1 處埋藏缺陷(深度9.6 mm、高度2.1 mm 的面積狀缺陷)和1 處底部腐蝕缺陷,射線未發(fā)現(xiàn)缺陷;第四段TOFD 檢測發(fā)現(xiàn)了3 處埋藏缺陷和5 處底部腐蝕缺陷,射線發(fā)現(xiàn)了2處缺陷。其中第一段環(huán)焊縫的檢測結(jié)果見圖9。

      由于之前該段管道的支架接管部位多次出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象,采用TOFD 對其中一處角焊縫進(jìn)行了檢測,檢測出1處內(nèi)壁側(cè)根部缺陷,但由于檢測空間的限制,未能進(jìn)行定位檢測和常規(guī)射線比對試驗(yàn)。

      通過與常規(guī)射線的檢測結(jié)果比對,可以發(fā)現(xiàn)TOFD 檢測技術(shù)在不卸料、不停產(chǎn)情況下,可以檢測到管道多處埋藏缺陷和內(nèi)壁腐蝕情況,不僅檢測結(jié)果能夠給出準(zhǔn)確的位置和尺寸,還較射線檢測出更多的缺陷。

      圖9 第一段環(huán)焊縫檢測結(jié)果Fig.9 Test results of girth weld in the first section

      4 結(jié)束語

      通過建立焊縫缺陷模型,在室內(nèi)對20 mm試件的對接焊縫進(jìn)行了有無油層條件下的缺陷檢測,針對TOFD檢測結(jié)果不易識(shí)別出上表面缺陷和底部缺陷的特點(diǎn),利用小波變換優(yōu)化了模型參數(shù),并在現(xiàn)場對管道的環(huán)焊縫和角焊縫缺陷情況進(jìn)行了對比驗(yàn)證。雖然TOFD可在不停產(chǎn)、不卸料的條件下檢測出更多的缺陷和內(nèi)壁腐蝕情況,但在實(shí)際應(yīng)用中還有以下問題值得注意:

      (1)ASTM E2373—2014《超聲波飛行時(shí)間衍射(TOFD)技術(shù)使用規(guī)程》中規(guī)定TOFD 的使用溫度不應(yīng)超過50 ℃,而現(xiàn)場實(shí)際工況中熱油輸送的溫度往往超過這一數(shù)值,今后應(yīng)將溫度對數(shù)據(jù)的影響進(jìn)行修正。

      (2)我國NB/T 47013.10—2015中規(guī)定TOFD的適用壁厚大于或等于12 mm,但大部分油氣田集輸管道的壁厚往往小于這一數(shù)值,因此對這一類管道的檢測在使用TOFD方法時(shí)需要考慮標(biāo)準(zhǔn)沖突和演示驗(yàn)證的問題。

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