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管道对接焊缝自动超声检测系统的研制

发表时间：2020/11/2 来源：《基层建设》2020年第21期作者：刘永振

[导读] 摘要：近年来，我国对大口径管道的应用越来越广泛。

        安阳中科工程检测有限公司河南郑州 450000
        摘要：近年来，我国对大口径管道的应用越来越广泛。超声检测作为一种重要的无损检测方法，在管道焊接缺陷检测中发挥着重要作用，被世界各国所采用。传统的超声检测方法存在检测效率低、评定缺陷难等不足，研制一种管道对接焊缝自动超声检测系统具有重要的意义。
        关键词：管道对接焊缝；超声检测；爬行器；自动
        引言
        反应堆压力容器及主管道（热段管道、冷段管道）是一回路系统的重要组成部分，而接管安全端焊缝是反应堆压力容器和主管道之间的重要连接部件，由于长期在高温高压的工况下运行，焊缝内壁存在产生应力腐蚀裂纹的倾向，在役检验的目的是及时发现和跟踪承压部件在运行过程中所产生的裂纹，确保一回路系统的完整性，进而确保核电站处于安全状态。
        1自动检测可行性分析
        管线钢管规范要求：钢管焊缝无损检测采用全焊缝100%超声波检测和全焊缝100%X射线工业电视检测，在线超声波检测存在盲区，则至少在距管端300mm范围内应用手动超声波检测；在线X射线工业电视检测存在盲区，则至少在距管端250mm范围内用X射线检测。在线X射线工业电视检测在钢管焊缝检测中的比例很大（约占焊缝长度95%～97%），随着焊缝厚度的增加其灵敏度不断降低，在线X射线工业电视检测灵敏度一般优于4%。从无损检测机理讲，在线工业电视检测对体积型缺陷（如气孔、夹渣等）的检测灵敏度较高，对面积型缺陷（如裂纹、未熔合、未焊透等）的检测灵敏度较低；而超声波检测反之。因此，对于厚壁钢管焊缝，超声波检测显得尤为重要。在线超声波检测（即AUT检测）比例很大（约占焊缝长度95%～97%），AUT检测适应于厚壁钢管焊缝检测，对于面积型缺陷的检测灵敏度高。因此，AUT检测在钢管焊缝检测中占主导地位。钢管焊缝AUT检测的覆盖率主要由探头的排列决定，探头的排列主要由对比试块中人工缺陷位置决定。某重大管道工程厚壁钢管焊缝采用“X”型坡口，这种设计保证了全壁厚所有缺陷被检测。
        2焊缝无损检测系统的有效性评价
        （1）检测的灵敏度缺陷的发现率与检测灵敏度的高低有直接关系。衡量检测灵敏度的指标是不同缺陷尺寸的检出能力。欧美对压力容器和管道失效的统计结果表明裂纹是导致压力容器和输送管道事故的主要原因（如英国1962^-1978年229起压力容器失效中裂纹占了94.4%）。超声检测对裂纹的检出灵敏度比射线高很多，采用超声无损检测方法首先从原理上对检测灵敏度有了保证。（2）尺寸测量误差对已发现的缺陷进行尺寸定量测量就需要控制测量误差。（3）检测速度焊缝检测的速度取决于缺陷信号的提取、辨认和评定速度。目前，25mm对接焊缝的手工超声检测速度为lm/h，全自动超声检测速度可以达到20m/h。采用原有的检测技术，增加探头数目与通道数也可以提高检测速度。（4）检测覆盖率工件检测覆盖率包括两方面内容：传感器的可达性（即能够到达构件中检测区的扫查面）和覆盖的完善性（即能够完成全部扫查区的检验操作）。（5）检测的可靠性焊缝无损检测的可靠性由缺陷检出率和误判率组成。一般为了提高缺陷检出率而尽可能加大检测系统的灵敏度，但同时系统噪声增加，焊缝组织与几何反应带来伪信号的出现，因此也会造成误判，影响检测的可靠性。

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        3控制软件
        系统控制软件主要包括硬件控制以及数据复现处理两部分，硬件控制软件负责对相应的硬件电路进行驱动控制，根据预先选用和设定好的检测方案，按照相应的协议，将控制字送入相应地址，由CPLD芯片对之进行处理，然后由相应的硬件电路对相控阵列进行操控，发射超声脉冲。再由高速多通道同步DSP数据采集系统对接收的超声脉冲信号进行数据采集，采集后的信号由高速数据传递软件发送到数据复现和处理系统进行数据分析，并以带状图形式对分层加以显示，用伪彩方式标记缺陷。软件开发的重点有两个，一个是数据复现和处理，一个是系统校正。数据复现处理软件可以快速、实时地反映机械检测装置在焊缝上检测的实际信息，数据经高速处理后形象地反映可能的缺陷在焊缝中出现的具体位置，用户可以根据软件提供的各种辅助手段对缺陷进行分析和判断，并可借助提供的专家系统软件对缺陷进行初步分析，分析结果将自动储存到相应的数据库中，形成最后的检测报告。系统提供了报表的编辑功能，可按照业主的要求提供各种形式的报表。检测结果可以随时被复现，以便于复查和重新评定。软件示波器功能为系统提供了校正的工具，可以实时监控各个通道的A扫描信号波形，以便对检测方案进行实时调整。
        4系统控制模块关键元器件的选用
        （1）实时控制与决策控制系统首先根据检测对象的几何特征（如管道的直径、壁厚以及焊接接头形式）决定扫查方法和最佳的扫查间距，控制机械装置带动超声波探头对焊缝进行扫描，同时控制高速数据采集卡采集超声回波信号，对采集到的样本数据进行处理后，确定缺陷信号的参数，同时发出报警信号，并触发中断服务子程序，向机械装置下达标记缺陷指令。实时性要求系统及时将控制决策转化为控制量，并通过PC接口作用于环焊缝检测机械装置。（2）实时数据采集超声无损检测系统的测控对象超声脉冲回波信号是模拟量。数据采集卡将在当前采样时刻的瞬时回波信号经A/D后进行扫描采样，采样结果存入内存，并依据后处理的需要对这些数据进行滤波、工程量换算等加工处理。采样周期是保证实时性的关键环节，要按照超声无损检测信号性质等因素确定。（3）实时波形显示（A显）和缺陷成像（（P显）波形显示和成像是对采集的超声回波数字量进行后处理（缺陷模式识别、缺陷报警、缺陷分类等）的基础。由于采集的数据多（由可分配到的内存决定），屏幕范围有限（由计算机的显示器和显示适配卡综合决定分辨率，如4MB显存支持1280X102464K颜色，但14“彩显最多只能达到1024X768的分辨率），对数据要进行分区显示或压缩显示。系统中A型波形显示为无条件实时显示。同时利用探头折射角、斜楔延迟，声速采样速度及采样数据等计算出回波的幅度、深度和缺陷至探头前沿的水平距离也有严格实时性要求。无论采取何种显示方式，保证波形或图像的显示速度是满足实时性要求的关键环节。
        结语
        综上所述，实现钢管焊缝自动超声检测全覆盖，必须设计适合的对比试块进行比对。自动超声检验主要采用端点衍射法，不同于缺陷当量法，缺陷的定量不依赖于缺陷的回波幅度，对检验数据进行分析，能够准确地判定缺陷性质，通过缺陷的端点衍射信号测量缺陷的高度和长度，缺陷的定量更精确，但数据分析对检测人员要求较高。安全端焊缝在役检验允许存在一定量的平面性缺陷，缺陷超出验收范围时应进行断裂力学分析、评价，再确定后续处理措施。
        参考文献：
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        ［3］史凯军，梁波，姜成刚．超声横波检测中的声束宽度计算及其在探头设计中的应用［J］．无损检测，1997，（1）：7－17．
        ［4］国家能源局．SY/T7317－2016海底管线用直缝埋弧焊钢管焊缝自动超声波检测［S］．北京：石油工业出版社，2017：10－14．