油气输送管道对接环焊缝检测现状与研究进展
罗华权,巨西民,吕郑,王树人4
摘要:常用油气输送管道对接环焊缝的检测方法有射线检测和超声检测两种。介绍了国内 外射线检测和超声检测的现状及其发展趋势。分析了两种检测方法各自的优缺点:射线检测 对体积型缺陷(如气孔、夹杂)的检测非常有效,而超声检测可用于平面和立体两类缺陷的检 测,且检测灵敏度比射线检测高。最后对我国油气输送管道对接环焊缝检测的发展提出了几 点建议。
关键词:油气输送管道;环焊缝;超声检测;射线检测
前言
油气输送管道都面临着安全问题,管道运行 的安全状况与管道材质及其焊缝状态有很大的关 系。因此,严格控制焊缝质量,对避免灾难性事故 的发生具有重要意义。通常油气输送管道对接环 焊缝存在的缺陷有未焊透、夹杂物、未熔合、内部 气孔、内部裂纹等。对表面缺陷可用磁粉法、涡流 检测法或渗透检测法来检测,而对内部缺陷则可 用X射线检测法或超声波检测法进行检测。
1油气输送管道对接环焊缝检测现状
1.1射线检测
在超声检测出现之前,射线检测是管道环焊 缝检测的一种主要于段,发展较早,技术较成熟。 射线检测原理是由于缺陷及其周围金属对射线的 吸收率不同而引起X射线或γ射线的透射强度 发生变化,从而据此探测出缺陷及其所在位置。 X射线与γ射线除了放射源不同外,其检测原理 基本相同。X射线产生的方式有多种,例如玻璃 壳或陶瓷壳的真空管型低能X射线发生器、直线加速器与电子回旋加速器等高能射线发生器。而 大多数γ射线检测使用ωCo(适用50 -100 mm厚 度)或192 Ir (适用10 -75 mm厚度)作射线源。γ 射线机和X射线机相比,其主要优点是辅助设备 较便宜,携带方便,且不要求电和水的供应。但是 γ射线检测照片的质量通常比X射线差[l]O射线 检测的优点是在探测体积型缺陷(如气孔、夹杂) 时非常有效,但对任一方向上的平面缺陷(如裂 纹、未焊透、未熔合)则不是很有效。管道对接环 焊缝的射线检测,国内过去普遍采用双壁单影法 (见图1 ) ,即在管道外面照相,该方法检测速度 慢,成本高,质量一般。目前,已改进为采用工业 管道爬行器的中心透照法(见图2) ,其主要优点是灵敏度高,工作效率高,一次曝光就可以完成一 条对接环焊缝的检测工作。中心透照法的原理 是:爬行器在管道内运动时,接到指令源的信息 后,通过CPU处理,确定前进、后退、停止、曝光, 通过指令源的控制完成各种操作[2)。
我国环焊缝管内射线检测机器人研究开始于 20世纪80年代,在国家"863计划"的支持下,取得 了一系列的进展。1987年,哈尔滨工业大学研制 了螺旋驱动式管内移动机器人和平面四点支撑 RIP-R型管内机器人样机,此后又研制了直径为 89 mm和660mm野外大直径管内X射线探伤机器 人。1997年,中国石油天然气管道第一工程公司 成功研制了首台γ射线管道内部爬行器,该爬行器 在外部遥控装置的配合下可以实现前进、后退、休 息、定位和射线曝光等一系列的检测过程,经技术 鉴定,达到了国内领先水平。1998年,盘锦北方无 损检测公司成功研制了Z凹型X射线管内爬行 器,并在苏丹管道建设中得到了应用。试验证明, 该爬行器操作维护简单,工作稳定可靠,定位精度 满足要求,照相质量符合API 1104一1994标准,是 我国西气东输部分管段的主要检测设备。但是我 国对管道机器人的研究尚处于试验性阶段,主要还 是从国外进口X射线机和检测设备。射线检测的 主要局限性在于裂纹探测和裂纹尺寸方面,对于裂 纹(特别是厚焊缝裂纹)的检测,没有超声可靠(3)。
在西气东输工程之前,射线检测采用的标准 为SY 4056-1993 {石油天然气钢质管道对接焊 缝射线照相及质量分级》和GB/T 3323-1987{钢 熔化焊对接接头射线照相和质量分级》。在西气 东输工程中对接环焊缝射线检测采用的标准为 Q/SY XQ6-2001,它是在SY 4056一1993 {石油 天然气管道对接焊缝射线照相及分级》的基础 上,参照GB 3323-1987和18 4730一1994制定
的,焊缝缺陷性质和长度参考API STD 1104?1999{管道及有关设施焊接》标准。缺陷自身高 度参考欧共体EN 25817-1992{钢电弧焊接接头 缺陷质量分级指南HD级)标准。
1.2超声检测
20世纪60年代,超声检测开始应用于焊缝 检测。超声波可用于平面和立体两类缺陷的检 测,并能测量缺陷尺寸[ 4)。超声检测的灵敏度比 射线检测的灵敏度高得多,如果检测方法得当,超 声检测甚至能探测出闭合的裂纹。
20世纪80年代以前,超声检测主要采用A 型脉冲反射式超声波探伤仪进行手工探伤。进入 80年代,出现了数字型A型脉冲反射式探伤仪, 从技术上讲前进了一步,实现了数字化脉冲显示, 可以对反射波进行存储和打印。目前,它已改进 为全自动超声波探伤仪,并逐渐采用相控阵技术, 可实时检测、存储探伤数据,打印完整的彩色扫查 图,可刻写光盘对数据进行备份。全自动超声波 探伤仪采用A扫描、B扫描和TOFD ( time of flight diffraction,衍射时差法)3种方式,实现了缺陷图 像的彩色显示。
随着管道环焊缝无损检测技术的发展,基于 爬行器和机器人的焊缝检测技术均有了长足的发 展。特别是大直径、厚壁管道的大量使用,对管道 内检测机器人的研制和开发起了很大的推动作 用。荷兰RTD BV公司是应用超声自动检测管道 环焊缝的先驱,1959年成功研制了用于管道行业 的Rotoscan检测系统(爬行器)0 20世纪60年 代,超声检测技术主要用于钢管成型焊缝检测,当 时已出现了B扫描、C扫描及混合扫描的检测方 式,但仅限于对于工焊缝的检测。1971年, Tony Richardson首次设计出多探头的超声检测系统, 用于检测由CRC ( crutcher resource co甲. )自动焊 接系统完成的焊缝。进入80年代后,由于聚焦探 头、数字化超声技术的发展,检测的信噪比得到了 很大的提高,而且和计算机技术有机结合,方便了 对缺陷的识别和评价。1992年, SGS公司的 F. H. Gottfeld等开发的MIPA (multiple immersion probe array)检测系统是一种典型的快速检测手 工焊缝或自动焊接焊缝的自动超声检测系统。
加拿大是应用自动超声检测技术较早的一个 国家,20世纪80年代就在管道敷设过程中应用超声检测方法,并将其作为射线检测的替代方法。1993年,加拿大最大的管道公司Transcanada Pipelines Ltd. (TCPL)把自动超声检测作为主要的检测方法用于管道敷设过程中的自动焊缝检测,利用TOFD技术,系统检测精度可以达到O. 1到 O. 2 mm 0 1997年改进的TCPL检测系统被用于大直径管道的焊缝检测。目前,国外一些公司 开发了焊缝自动超声检测系统 。
随着管道焊缝超声检测技术和检测设备的不 断发展,其标准也不断更新。在西气东输工程之 前,我国对接环焊缝超声检测采用的标准为CB/T 15830-1995{钢制管道对接环焊缝超声波探伤方 法和检验结果的分级》和SY物65一1993{石油天 然气钢质管道对接焊缝超声波探伤及质量分级~, 而在西气东输工程中管道对接环焊缝全自动超声 检测采用的标准为Q/SY XQ7-2∞IT巧,它是在参 考ASTM E 1961-1998{配备聚焦装置分区扫查的 环焊缝全自动超声波检测标准》的基础上制定的。 缺陷长度参考API STD 1104-1999{管道及有关设 施焊接~,缺陷自身高度参考美同Alliance管线验 收标准和欧共体EN 25817-1992{钢电弧焊焊接 接头缺陷质量分级指南}CD级)。
2油气输送管道对接环焊缝检测技术研 究进展
2. 1管道环焊缝射线检测的发展趋势
管道环焊缝射线检测的发展趋势是:检测信 息采集数据化、设备自动化和检测信息实时显示。 多年来,射线检测的重大发展在于实时射线成像 方面,记录焊缝成像时,采用荧光屏或X射线罔 像放大器将X射线转化为可见光,并将其输出端 连接到电视摄像机上。该方法易于实现自动化, 可直接获得焊缝图像,而不会因底片曝光和处理 延误时间。图像是以数字形式提供的,因此容易 将图像处理和自动缺陷分析软件连入检测系统,
如果选择显微聚焦源和大几何尺寸放大率,则使 用实时射线照相法可获得高质量的图像。非胶片 数字化射线成像技术的应用,降低了检测戚本,有 效保护了环境。
工业CT技术即计算机辅助层析成像技术, 采用面状射线束来透射焊缝的一个层面,检测器 阵列与射线柬处于同一平面,通过机械驱动装置 对焊缝形成一定的扫描透射,采集射线束通过该 层面的大量数据,通过(Randan)变换和逆变换, 重建层面的图像,卖现对这一层面的检测。工业 CT技术能够给出焊件的断层扫描图,从图像上可 以看到目标的空间位置、形状、大小,目标不受周 围细节的遮挡,图像容易识别和理解,具有突出的 密度分辨率。但是检测成本高,检测效率低,有待 于进一步改进和发展[6J。
同外管道检测机器人的研究与开发主要集中 在以下方面:①自动定位与跟踪缺陷技术;②在非 结构环境下的移动技术;③检测数据压缩、存储技 术及检测信号传送、判断技术;④信号的识别与缺 陷自动评定技术。
管道检测机器人是一种融合了多种先进技术 的自动检测设备,其发展依赖于其它前沿学科和 先进技术的发展。随着电子、计算机、信号处理、 模式识别、人工神经网络等技术的不断进步以及 各种新型传感器的开发,管道检测机器人技术将 会有很大的发展。
2.2超声检测技术的研究进展
在过去几十年里,超声检测技术有了很大发 展。首先是聚焦声场的发展给新型检测探头和检 测技术的开发提供了可能。由于水平探头的声场 是扩散的,使缺陷的测量误差较大,聚焦声场和聚 焦探头的开发弥补了这个缺陷。目前聚焦声波的 获取有两种方式,一种是声透镜聚焦法,另一种是 相控阵聚焦法。对接环焊缝自动相控阵超声波检 测技术的应用,代表了超声波检测的发展方向。 在西气东输工程及海底管道建设中,使用了全自 动相控阵超声波检测( AUT)设备Pipe Wizard系 统,大大提高了焊缝的检测效率和检测质量,保证 了工程的顺利完工。
超声检测从一种单纯的人工检测技术,经过计 算机处理的人工检测技术到自动扫描仪器的使用, 最近发展为焊缝评估用连接多个压电传感器的全 自动系统,相控阵技术就是其代表。相控阵是换能 器晶片的组合,利用脉冲定时产生的相位延迟来实 现波束方向和聚焦位置的控制。相控阵探头与常 规探头相比,其人射角度、入射点及聚焦点都是可 调的,可方便地扫描出焊缝的危害性缺陷。主要采 用方法有由分区扫查法(区域划分如图3所 示[7J )、线形扫查法、衍射时差法(TOFD)等O
TOFD技术是一种依靠从待检试件内部结构 (主要指缺陷)的端角和端点处得到衍射能量来 检测缺陷的方法,也叫裂纹端点衍射法和尖端反 射法。衍射波能量在很大的角度范围内传播至接 收探头,可测量缺陷自身高度(原理如图4所 示) ,缺陷分析如图5所示。为了更好地检测缺 陷尺寸,许多设备制造商增加了振幅一距离差示 技术ADDT(如图6所示) ,试验表明它对缺陷的 定量检测比常规超声A扫描方式更加准确。
在测量缺陷大小方面,根据合成的小孔聚焦 (SAFf)及派生方法Super - SAFf技术进行超声
自动成像的自动超声系统已经取得重要进展。在 超声成像系统方面目前已经使用和正在开发的新 技术有:①超声显微技术;②A扫描及B,C和D 扫描成像技术;③F扫描成像显示系统;④P扫描 成像显示系统;⑤Alok超声成像技术;⑥合成孔 径聚焦成像技术(SAFf) ,等。其中SAFf是20 世纪70年代发展起来的一种高级成像技术。 SAFf成像分辨率高,能在近场区工作,并能实现 三维成像,现在正处于试验研究阶段。定量化技 术是数字信号处理与模式识别用于超声检测的主 要目的之一,可对缺陷大小、形状位置和性质(空 穴或夹杂等)进行量化检验;另一个目的是分离 和识别一些复杂的检测信号。把数字信号处理与 人工神经网络技术用于超声检测系统中,可以探 测出各类奥氏体钢中的缺陷。此外,还出现了一 系列新技术,如不接触超声波技术和多探头涡流 检测技术。导波技术、激光和红外检测技术等正 在研究和开发之中。
3发展我国焊缝检测技术的建议
由于我国现阶段对接环焊缝检测主要采用于 工探伤方式,检测效率低,精度也不高,因此,提出 以下几点发展建议:
(1)因实时射线照相技术和工业CT技术对 缺陷的空间位置、形状、大小反映直观,并可降低 成本,因此须研究开发出更方便、实用的设备以满 足实际检测工作的需要。
(2)目前,对接环焊缝检测过程中可以用当 量法确定缺陷的大小,但是对缺陷的定性分析较 难,目前还没有得到很好的解决。焊缝探测时会 产生各种复杂的信号,对这些复杂的信号可以采 用信号处理技术、神经网络技术、模式识别技术等 来提取各种缺陷信号的特征,建立相关数据库,进 而对缺陷进行准确的判定。
(3)超声检测人员除了对缺陷波了解之外, 还需要对其他一些信号波,如探头杂波、工件轮廓 回波、藕合剂反射波以及其他原因引起的非缺陷 波有一定的了解,以便对缺陷波进行正确的判断。
(4)焊缝中的缺陷主要是在焊接过程中产生 的,因此,焊缝检测人员必须对焊接工艺有一定的
了解,以便对缺陷类型和位置做出更加准确的判 断。在焊缝检测过程中,使用各类标准试块来调 节扫查灵敏度和确定相关参数,但是由于管道有 一定的曲率,这样会产生很大的误差。所以要尽 量使用对比试样,以便对缺陷准确地进行定性和 定量分析。
(5)增加新技术的研究、开发和使用,如 TOFD技术、相控阵技术、导波技术等,可有效提 高焊缝检测效率。
参考文献:
[ 1 J DITCHBURN R J, BURKE S K. NDT of Welds [ J J.
NDT, 1995 ,21 (S) :229.
[2J李广波,周勇.长输管道工程无损检测应用现状及发 展趋势[1].焊接技术,200S,34(33) :33 -34.
[3J马宏伟,陈富长输管道无损检测自动化技术的研究 进展[JJ.中国机械工程,2003,14(23) :2066 - 2069.
[4J张燕红.焊缝自动超声检测技术与设备的试验研究 [D J.合肥:合肥工业大学,200S.
[SJ张历成.西气东输管道工程管道对接环焊缝全自动超 声波检测[JJ.无损探伤,2001 (S) :42 -49.
[6J李建文,徐彦霖.焊缝无损检测技术进展[RJ.绵阳:
中国工程物理研究院机械工程研究所,2002
[7J韩相勇.长输管线对接环焊缝自动相控阵超声波检测 技术[1].无损检测,2∞6,28(S) :237 -241.
作者简介:罗华权(1983 - ) ,男,西安石油大学在读硕士 研究生,主要研究方向为油气储运工程和油气管道无损 检测。
关键词:油气输送管道;环焊缝;超声检测;射线检测
前言
油气输送管道都面临着安全问题,管道运行 的安全状况与管道材质及其焊缝状态有很大的关 系。因此,严格控制焊缝质量,对避免灾难性事故 的发生具有重要意义。通常油气输送管道对接环 焊缝存在的缺陷有未焊透、夹杂物、未熔合、内部 气孔、内部裂纹等。对表面缺陷可用磁粉法、涡流 检测法或渗透检测法来检测,而对内部缺陷则可 用X射线检测法或超声波检测法进行检测。
1油气输送管道对接环焊缝检测现状
1.1射线检测
在超声检测出现之前,射线检测是管道环焊 缝检测的一种主要于段,发展较早,技术较成熟。 射线检测原理是由于缺陷及其周围金属对射线的 吸收率不同而引起X射线或γ射线的透射强度 发生变化,从而据此探测出缺陷及其所在位置。 X射线与γ射线除了放射源不同外,其检测原理 基本相同。X射线产生的方式有多种,例如玻璃 壳或陶瓷壳的真空管型低能X射线发生器、直线加速器与电子回旋加速器等高能射线发生器。而 大多数γ射线检测使用ωCo(适用50 -100 mm厚 度)或192 Ir (适用10 -75 mm厚度)作射线源。γ 射线机和X射线机相比,其主要优点是辅助设备 较便宜,携带方便,且不要求电和水的供应。但是 γ射线检测照片的质量通常比X射线差[l]O射线 检测的优点是在探测体积型缺陷(如气孔、夹杂) 时非常有效,但对任一方向上的平面缺陷(如裂 纹、未焊透、未熔合)则不是很有效。管道对接环 焊缝的射线检测,国内过去普遍采用双壁单影法 (见图1 ) ,即在管道外面照相,该方法检测速度 慢,成本高,质量一般。目前,已改进为采用工业 管道爬行器的中心透照法(见图2) ,其主要优点是灵敏度高,工作效率高,一次曝光就可以完成一 条对接环焊缝的检测工作。中心透照法的原理 是:爬行器在管道内运动时,接到指令源的信息 后,通过CPU处理,确定前进、后退、停止、曝光, 通过指令源的控制完成各种操作[2)。
我国环焊缝管内射线检测机器人研究开始于 20世纪80年代,在国家"863计划"的支持下,取得 了一系列的进展。1987年,哈尔滨工业大学研制 了螺旋驱动式管内移动机器人和平面四点支撑 RIP-R型管内机器人样机,此后又研制了直径为 89 mm和660mm野外大直径管内X射线探伤机器 人。1997年,中国石油天然气管道第一工程公司 成功研制了首台γ射线管道内部爬行器,该爬行器 在外部遥控装置的配合下可以实现前进、后退、休 息、定位和射线曝光等一系列的检测过程,经技术 鉴定,达到了国内领先水平。1998年,盘锦北方无 损检测公司成功研制了Z凹型X射线管内爬行 器,并在苏丹管道建设中得到了应用。试验证明, 该爬行器操作维护简单,工作稳定可靠,定位精度 满足要求,照相质量符合API 1104一1994标准,是 我国西气东输部分管段的主要检测设备。但是我 国对管道机器人的研究尚处于试验性阶段,主要还 是从国外进口X射线机和检测设备。射线检测的 主要局限性在于裂纹探测和裂纹尺寸方面,对于裂 纹(特别是厚焊缝裂纹)的检测,没有超声可靠(3)。
在西气东输工程之前,射线检测采用的标准 为SY 4056-1993 {石油天然气钢质管道对接焊 缝射线照相及质量分级》和GB/T 3323-1987{钢 熔化焊对接接头射线照相和质量分级》。在西气 东输工程中对接环焊缝射线检测采用的标准为 Q/SY XQ6-2001,它是在SY 4056一1993 {石油 天然气管道对接焊缝射线照相及分级》的基础 上,参照GB 3323-1987和18 4730一1994制定
的,焊缝缺陷性质和长度参考API STD 1104?1999{管道及有关设施焊接》标准。缺陷自身高 度参考欧共体EN 25817-1992{钢电弧焊接接头 缺陷质量分级指南HD级)标准。
1.2超声检测
20世纪60年代,超声检测开始应用于焊缝 检测。超声波可用于平面和立体两类缺陷的检 测,并能测量缺陷尺寸[ 4)。超声检测的灵敏度比 射线检测的灵敏度高得多,如果检测方法得当,超 声检测甚至能探测出闭合的裂纹。
20世纪80年代以前,超声检测主要采用A 型脉冲反射式超声波探伤仪进行手工探伤。进入 80年代,出现了数字型A型脉冲反射式探伤仪, 从技术上讲前进了一步,实现了数字化脉冲显示, 可以对反射波进行存储和打印。目前,它已改进 为全自动超声波探伤仪,并逐渐采用相控阵技术, 可实时检测、存储探伤数据,打印完整的彩色扫查 图,可刻写光盘对数据进行备份。全自动超声波 探伤仪采用A扫描、B扫描和TOFD ( time of flight diffraction,衍射时差法)3种方式,实现了缺陷图 像的彩色显示。
随着管道环焊缝无损检测技术的发展,基于 爬行器和机器人的焊缝检测技术均有了长足的发 展。特别是大直径、厚壁管道的大量使用,对管道 内检测机器人的研制和开发起了很大的推动作 用。荷兰RTD BV公司是应用超声自动检测管道 环焊缝的先驱,1959年成功研制了用于管道行业 的Rotoscan检测系统(爬行器)0 20世纪60年 代,超声检测技术主要用于钢管成型焊缝检测,当 时已出现了B扫描、C扫描及混合扫描的检测方 式,但仅限于对于工焊缝的检测。1971年, Tony Richardson首次设计出多探头的超声检测系统, 用于检测由CRC ( crutcher resource co甲. )自动焊 接系统完成的焊缝。进入80年代后,由于聚焦探 头、数字化超声技术的发展,检测的信噪比得到了 很大的提高,而且和计算机技术有机结合,方便了 对缺陷的识别和评价。1992年, SGS公司的 F. H. Gottfeld等开发的MIPA (multiple immersion probe array)检测系统是一种典型的快速检测手 工焊缝或自动焊接焊缝的自动超声检测系统。
加拿大是应用自动超声检测技术较早的一个 国家,20世纪80年代就在管道敷设过程中应用超声检测方法,并将其作为射线检测的替代方法。1993年,加拿大最大的管道公司Transcanada Pipelines Ltd. (TCPL)把自动超声检测作为主要的检测方法用于管道敷设过程中的自动焊缝检测,利用TOFD技术,系统检测精度可以达到O. 1到 O. 2 mm 0 1997年改进的TCPL检测系统被用于大直径管道的焊缝检测。目前,国外一些公司 开发了焊缝自动超声检测系统 。
随着管道焊缝超声检测技术和检测设备的不 断发展,其标准也不断更新。在西气东输工程之 前,我国对接环焊缝超声检测采用的标准为CB/T 15830-1995{钢制管道对接环焊缝超声波探伤方 法和检验结果的分级》和SY物65一1993{石油天 然气钢质管道对接焊缝超声波探伤及质量分级~, 而在西气东输工程中管道对接环焊缝全自动超声 检测采用的标准为Q/SY XQ7-2∞IT巧,它是在参 考ASTM E 1961-1998{配备聚焦装置分区扫查的 环焊缝全自动超声波检测标准》的基础上制定的。 缺陷长度参考API STD 1104-1999{管道及有关设 施焊接~,缺陷自身高度参考美同Alliance管线验 收标准和欧共体EN 25817-1992{钢电弧焊焊接 接头缺陷质量分级指南}CD级)。
2油气输送管道对接环焊缝检测技术研 究进展
2. 1管道环焊缝射线检测的发展趋势
管道环焊缝射线检测的发展趋势是:检测信 息采集数据化、设备自动化和检测信息实时显示。 多年来,射线检测的重大发展在于实时射线成像 方面,记录焊缝成像时,采用荧光屏或X射线罔 像放大器将X射线转化为可见光,并将其输出端 连接到电视摄像机上。该方法易于实现自动化, 可直接获得焊缝图像,而不会因底片曝光和处理 延误时间。图像是以数字形式提供的,因此容易 将图像处理和自动缺陷分析软件连入检测系统,
如果选择显微聚焦源和大几何尺寸放大率,则使 用实时射线照相法可获得高质量的图像。非胶片 数字化射线成像技术的应用,降低了检测戚本,有 效保护了环境。
工业CT技术即计算机辅助层析成像技术, 采用面状射线束来透射焊缝的一个层面,检测器 阵列与射线柬处于同一平面,通过机械驱动装置 对焊缝形成一定的扫描透射,采集射线束通过该 层面的大量数据,通过(Randan)变换和逆变换, 重建层面的图像,卖现对这一层面的检测。工业 CT技术能够给出焊件的断层扫描图,从图像上可 以看到目标的空间位置、形状、大小,目标不受周 围细节的遮挡,图像容易识别和理解,具有突出的 密度分辨率。但是检测成本高,检测效率低,有待 于进一步改进和发展[6J。
同外管道检测机器人的研究与开发主要集中 在以下方面:①自动定位与跟踪缺陷技术;②在非 结构环境下的移动技术;③检测数据压缩、存储技 术及检测信号传送、判断技术;④信号的识别与缺 陷自动评定技术。
管道检测机器人是一种融合了多种先进技术 的自动检测设备,其发展依赖于其它前沿学科和 先进技术的发展。随着电子、计算机、信号处理、 模式识别、人工神经网络等技术的不断进步以及 各种新型传感器的开发,管道检测机器人技术将 会有很大的发展。
2.2超声检测技术的研究进展
在过去几十年里,超声检测技术有了很大发 展。首先是聚焦声场的发展给新型检测探头和检 测技术的开发提供了可能。由于水平探头的声场 是扩散的,使缺陷的测量误差较大,聚焦声场和聚 焦探头的开发弥补了这个缺陷。目前聚焦声波的 获取有两种方式,一种是声透镜聚焦法,另一种是 相控阵聚焦法。对接环焊缝自动相控阵超声波检 测技术的应用,代表了超声波检测的发展方向。 在西气东输工程及海底管道建设中,使用了全自 动相控阵超声波检测( AUT)设备Pipe Wizard系 统,大大提高了焊缝的检测效率和检测质量,保证 了工程的顺利完工。
超声检测从一种单纯的人工检测技术,经过计 算机处理的人工检测技术到自动扫描仪器的使用, 最近发展为焊缝评估用连接多个压电传感器的全 自动系统,相控阵技术就是其代表。相控阵是换能 器晶片的组合,利用脉冲定时产生的相位延迟来实 现波束方向和聚焦位置的控制。相控阵探头与常 规探头相比,其人射角度、入射点及聚焦点都是可 调的,可方便地扫描出焊缝的危害性缺陷。主要采 用方法有由分区扫查法(区域划分如图3所 示[7J )、线形扫查法、衍射时差法(TOFD)等O
TOFD技术是一种依靠从待检试件内部结构 (主要指缺陷)的端角和端点处得到衍射能量来 检测缺陷的方法,也叫裂纹端点衍射法和尖端反 射法。衍射波能量在很大的角度范围内传播至接 收探头,可测量缺陷自身高度(原理如图4所 示) ,缺陷分析如图5所示。为了更好地检测缺 陷尺寸,许多设备制造商增加了振幅一距离差示 技术ADDT(如图6所示) ,试验表明它对缺陷的 定量检测比常规超声A扫描方式更加准确。
在测量缺陷大小方面,根据合成的小孔聚焦 (SAFf)及派生方法Super - SAFf技术进行超声
自动成像的自动超声系统已经取得重要进展。在 超声成像系统方面目前已经使用和正在开发的新 技术有:①超声显微技术;②A扫描及B,C和D 扫描成像技术;③F扫描成像显示系统;④P扫描 成像显示系统;⑤Alok超声成像技术;⑥合成孔 径聚焦成像技术(SAFf) ,等。其中SAFf是20 世纪70年代发展起来的一种高级成像技术。 SAFf成像分辨率高,能在近场区工作,并能实现 三维成像,现在正处于试验研究阶段。定量化技 术是数字信号处理与模式识别用于超声检测的主 要目的之一,可对缺陷大小、形状位置和性质(空 穴或夹杂等)进行量化检验;另一个目的是分离 和识别一些复杂的检测信号。把数字信号处理与 人工神经网络技术用于超声检测系统中,可以探 测出各类奥氏体钢中的缺陷。此外,还出现了一 系列新技术,如不接触超声波技术和多探头涡流 检测技术。导波技术、激光和红外检测技术等正 在研究和开发之中。
3发展我国焊缝检测技术的建议
由于我国现阶段对接环焊缝检测主要采用于 工探伤方式,检测效率低,精度也不高,因此,提出 以下几点发展建议:
(1)因实时射线照相技术和工业CT技术对 缺陷的空间位置、形状、大小反映直观,并可降低 成本,因此须研究开发出更方便、实用的设备以满 足实际检测工作的需要。
(2)目前,对接环焊缝检测过程中可以用当 量法确定缺陷的大小,但是对缺陷的定性分析较 难,目前还没有得到很好的解决。焊缝探测时会 产生各种复杂的信号,对这些复杂的信号可以采 用信号处理技术、神经网络技术、模式识别技术等 来提取各种缺陷信号的特征,建立相关数据库,进 而对缺陷进行准确的判定。
(3)超声检测人员除了对缺陷波了解之外, 还需要对其他一些信号波,如探头杂波、工件轮廓 回波、藕合剂反射波以及其他原因引起的非缺陷 波有一定的了解,以便对缺陷波进行正确的判断。
(4)焊缝中的缺陷主要是在焊接过程中产生 的,因此,焊缝检测人员必须对焊接工艺有一定的
了解,以便对缺陷类型和位置做出更加准确的判 断。在焊缝检测过程中,使用各类标准试块来调 节扫查灵敏度和确定相关参数,但是由于管道有 一定的曲率,这样会产生很大的误差。所以要尽 量使用对比试样,以便对缺陷准确地进行定性和 定量分析。
(5)增加新技术的研究、开发和使用,如 TOFD技术、相控阵技术、导波技术等,可有效提 高焊缝检测效率。
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作者简介:罗华权(1983 - ) ,男,西安石油大学在读硕士 研究生,主要研究方向为油气储运工程和油气管道无损 检测。
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