波幅技术
早期的缺陷定量方法基于返回信号的波幅,而且要以等效的机加工反射体(如:刻槽或横通孔)的波幅作为参照。然而,缺陷大小和波幅之间的相关性一直较差[2];考虑到来自材料、设备和缺陷本身的多种可变因素,这种情况并不奇怪。被测材料在声速和微观结构上会出现潜在的变化,尤其是钢;而检测设备由于所使用的脉冲发生器类型、频带、布线及其他一些固有电气参数,也会产生潜在的波幅变化。 也许最大的可变因素就是缺陷本身。超声波对于缺陷的方向高度敏感;此外,缺陷的透明度、粗糙度、曲率、所在位置也会影响检测结果。使用常规超声技术检测竖向缺陷尤其不可靠,尽管使用适当的检测角度似乎可以提高使用波幅标准完成评估的效果[3]。德国的DGS技术将缺陷波幅与来自某个已知反射体的波幅进行比较[4];使用这种方法测出的缺陷不会小于加工反射体,因此不适合适用性评估(FFS)。总体来说,基于波幅的缺陷定量技术一般不太可靠,这个结论当然是基于适用性评估(FFS)所要求的标准而言。 由于绝大多数缺陷仍使用基于波幅的技术定量,无论是6 dB落差、10 dB还是20 dB [5],富有现场经验的专家所发表的下述一般性见解都还是恰当准确的。首先,“任何小于声束的缺陷往往被定量为声束的宽度”。这是因为小缺陷倾向于成为全向发射器(反射体),因此小缺陷往往可以在声束内以任何方向反射声波。不过,在大多数情况下,小缺陷在结构上往往并不重要,因此有关小缺陷定量的背景数据较为有限[6]。第二,“小缺陷的尺寸往往被高估,而大缺陷的尺寸往往被低估”[7]。由于全向发射和声束扩散的原因,“小缺陷尺寸被高估”的情况不难理解。不过,“大缺陷尺寸被低估”的情况则更令人担心。这种情况很容易发生,例如,如果缺陷呈弯曲状,固定角度探头发出的声束就会从缺陷的边沿消失,从而得到较低的波幅,进而得到低估的缺陷测量值。低估较大缺陷可能是在评估材料结构完整性中需要关注的主要问题。 衍射技术
在20世纪70年代后期,Silk在哈威尔[8]开发了一种被称为衍射时差(TOFD)的定量(和探测)技术。这项技术使用来自缺陷端部的低波幅衍射波定量缺陷,而且其准确性也被证明大大高于波幅技术。衍射时差(TOFD)的基本原理如图1所示。
衍射现象在超声波中相当普遍,人们已经开发了几种各具优缺点的替代性的衍射技术。标准的衍射时差(TOFD)技术使用分别放置在焊缝或部件两侧的一个脉冲发生器和一个接收器进行检测,并将编码位置和计算机数据记录下来,以对缺陷进行定量。衍射时差(TOFD)会在外壁和内壁上留有很大的盲区(未检区域),而且还存在着判读方面的问题。通常由于声束的振铃现象(波幅越来越低),衍射时差(TOFD)还会受到其可定量的最小缺陷的限制(管道缺陷约为3毫米)。尽管如此,衍射时差(TOFD)的定量结果仍然令人叹服。图2中显示的是某项英国缺陷探测试验项目将波幅定量检测与TOFD定量检测进行对比的情况[9]。
图1:衍射时差(TOFD)的原理
图2:在英国缺陷探测试验项目的板1检测中,使用波幅技术与使用衍射技术的对比情况(上图:所有定量技术;下图:仅使用TOFD技术)。
人们开发了各种具有可替代性的衍射方法,其中包括:背向衍射和混合模式探头。人们同样也尝试了其他一些基于波幅的检测技术,如:频率分析[10]、图案识别、HOLOSAFT [11]等。一般来说,上述技术没有一项进入到商业市场,虽然背向衍射被时常用到。
背向衍射使用一个单个探头发射脉冲并探测衍射信号。这样不仅在很大程度上简化了检测系统,而且还可使检测人员进行手动操作。不过,背向衍射的物理特性弱于正向衍射,因此辨别衍射端部信号较为困难。尽管如此,背向衍射仍然可以提供与TOFD相似的精度[12],而且具有以较小的盲区定量微小缺陷(管道上低达0.5毫米的缺陷)的优势[13]。基本方法如图3所示。
图3:用于缺陷定量的背向衍射 核能工业中的定量研究
虽然许多行业都对检测设备的缺陷定量能力表现出兴趣[14],但是只有核能工业完成了一系列重大研究,以确定检测设备的缺陷探测和缺陷定量能力。其中两大系列研究项目分别为PISC II和DDT。尤其是在全球范围内开展的PISC II试验,约有50个团队参加,对4个含有约200个缺陷的部件进行检测[7]。这项研究的规模大,范围广,研究人员可以对检测结果、定量精度和缺陷评估进行优质的统计分析。毫不奇怪,最难探测到的缺陷是光滑的裂纹。不过,由于在这项研究中测试了几种不同的新技术,因此在定量方面实现了一些突破。PISC II研究项目首次对TOFD技术进行公开试验,而试验结果令人鼓舞[15]。UKAEA Risley团队对几百毫米厚的平板进行检测,所获得的总体定量精度为几毫米(即约为1%)。 核能工业的研究与当前的管道定量研究存在着以下一些显著的差别:
• 第一,PISC II试验的规模庞大,可以进行大量的参数研究。
• 第二,核能工业中压力容器的壁厚比管线输送行业中管道的壁厚高出一个量级,尽管由于声波在钢中出现衰减现象,不可能按比例增加检测管道的超声频率。
• 第三,核能工业使用光栅TOFD和合成孔径聚焦技术(SAFT)。这种组合技术与石化行业所用的线性TOFD相比,可以提供更好的精度。
• 第四,一些新的技术已经出现,包括改进的数据处理技术、处理和显示技术,以及相控阵技术。虽然相控阵技术不会改变声波的物理特性,但是却可以完成多角度检测和优化的检测。
• 第五,管道检测通常使用高度聚焦的探头,不仅可以减小声束的尺寸,提高信噪比,还可以在很大程度上减少虚假几何体的反射现象。
• 第六,管道缺陷(d)的高度通常与超声波长(λ)相同,这就使得理论分析变得更为复杂化。
• 第七,PISC项目在磨光的表面上进行检测,而管道检测一般会在焊根和焊冠区域发现几何反射体。
• 最后,核能工业所要求的检测质量(即所花费的时间和资金)一般来说明显高于管道的焊缝检测。海上石油管线的竖管和钢腱管可能是例外。
尽管如此,核能领域的研究得出的一般性结论仍然适用于管道行业的检测。脉冲回波技术对缺陷的探测和定量具有局限性;在大多数情况下,TOFD非常适合于缺陷的定量(和探测),但是更为理想的方式是将TOFD和脉冲回波结合在一起使用[15];可以获得几毫米的定量精度(比管道更好)。 管道行业缺陷定量的程序和术语
与耗资巨大的PISC II试验项目不同,管道行业的检测研究规模往往较小、而且更为琐碎。针对管道行业检测研究方法的详细说明较为稀少,而且所提供的数据量也非常有限。令人遗憾的是,管道行业的许多审批项目和定量研究项目都属独家拥有,不能公之于众。以下所列为管道行业检测研究的一些公开结果。 与PISC II研究项目中细致入微的金相学分析方式不同,在管道分析的过程中,操作人员通常会将管道切成薄片,以获得缺陷的大概尺寸,或者在焊缝冷却后以敲打方法验证焊接的质量。这种做法在缺陷定量和缺陷探测中必然会导致出现一些错误;虽然没有可靠客观的数据加以证实,不过,冶金误差似乎与宣称的定量精度差不多。可以替代上述检测技术的是在焊缝的最大超声波幅处(可能不是最大深度处)进行冻结敲打和切片检测。在研究中对管道的扫查通常只进行一次(与实际检测一样),而且不会进行详细的扫查(这点与核能领域的扫查不同)。根据ASTM E-1961规范[16],或者其有关波幅定量的修订版[17],管道缺陷的定量检测通常只基于区域的大小而完成。区域定量可以快速、粗略地完成,不像核能领域的检测那样精细。 管道缺陷定量的术语较为含混不清。通常,缺陷定量的精度被记述为±Y mm。±Y mm的科学基础并不明确,但是可能有如下解释:
1. 最大误差:可以是两个标准偏差(σ)或者是结果的95%,
2. 标准偏差σ,
3. ASME RMS值,或者
4. 一个大致的误差范围,即“目测估算范围”。相关论文的某些作者会明确引用标准偏差σ或RMS值;而在其他情况下,检测程序似乎只要求绘制一个大致误差范围,通常为+1 mm。尽管研究论文中经常会隐含表明得到了最大误差值,但是所发表的研究结果几乎没有支持这个论点的,因为许多检测结果都处于误差范围之外。令人遗憾的是,一般来说管道检测研究中所获得数据点的数量太有限,而无法生成有用的统计信息。 美国机械工程师协会(ASME)的RMS值
美国机械工程师协会(ASME)提供了一个测量定量精度的程序[18]。计算RMS值的公式几乎与计算标准偏差的公式相同:将每个测量误差的平方值相加,然后将得到的总和值除以测量误差的数量,最后再取这个商的平方根。缺陷深度的RMS误差值应该不超过3.2 mm。 人们说的定量误差到底是什么意思?
许多缺陷定量误差图都显示有一个约为±1 mm的误差范围。作者认为:一般来说,引用这个±1 mm“目测估算范围”的原因如下:
1. 这个值选择起来很方便;
2. 2毫米的范围值大致与用于自动检测管道的聚焦探头的焦点大小相同,因此如果定量所要求的精度高于这个值,则会出现问题;
3. 2毫米的范围值还与典型的管道区域大小和GMAW(气体金属弧焊接)的焊道大小相同;
4. 可用于有意义统计的数据点可能太少;而且
5. 大多数数据点都处在这个范围内,特别是低估缺陷的数据。 物理局限性
当缺陷大小接近于波长时(7.5 MHz横波为0.4毫米到0.5毫米),物理特性就成为管道缺陷建模的一个问题(典型的管道缺陷大小与一个焊层的厚度大致相同,即:1毫米到3毫米)。有两种分析方式:分析方式和数值方式。 分析方式
分析方法一般使用理想的裂纹,而且要应用格林公式、基尔霍夫衍射公式、玻恩散射理论,以及一般衍射定理[19]。令人遗憾的是,所有这些分析方法都使用近似值解开方程,而且当缺陷大小与波长近似时,如:管道检测的情况,这些近似值就变成了无效值。因此,分析理论不能解决这个问题,尽管超声波实际上会从大小与波长近似的缺陷处反射回来。 数值方式
在各种进行数值评估的方法中,声线跟踪方法基本上对于大小与波长近似的缺陷毫无用处。有限元方法(FEM)和有限差分方法(FDM)应该可以成功检测到这些缺陷,尽管仍然会涉及到近似值。遗憾的是,有限元方法和有限差分方法都非常耗时、成本昂贵[20],而且在这个领域还没有进行多少工作。 焦点大小
另一个要考虑的主要因素是可以获得的最小焦点大小,特别是当最小可测缺陷大小可能会受到焦点大小的限制时[6]。理论上的焦点大小取决于孔径大小、频率(即波长)和焦距。如果假设孔径大小为16毫米,频率为7.5 MHz,水中的焦距为20毫米(一个非常短的焦距),则6 dB半宽处的焦点大小会接近2λ或1毫米。这表明缺陷大小不能低于+0.5 mm [20]。这与当前来自背向衍射[13]等技术的定量精度以及优化的实验室结果[21]相吻合。
与此相反,关于管道检测还有另一派观点:焦点过小有害无益[4,17],特别是在使用波幅方法时。不过,与分区设置和其他方法(见下文)相比,这些结果的定量精度更为宽松。波幅技术也存在着很大的局限性,例如,缺陷必须处于声束的中心位置,而且必须小于声束的宽度。信号波幅与缺陷大小的关联性很差(参见图4中的示例)。
图4:管道缺陷检测中信号波幅与缺陷大小之间的对比数据[22] 管道缺陷的定量研究Battelle PNL研究
1981年,Battelle组织了7个团队为NRC [23]进行了核能管道缺陷探测和定量的系列研究。这项研究调查了几种核工程材料,包括:包层铁素体、铸造和锻造奥氏体材料;此外,还对真正的缺陷进行检测,如:应力腐蚀裂纹。虽然这项研究的应用、程序和技术已经过时,而且材料也与现在所用的材料有所不同,但是研究的结果确实表明管道缺陷定量的效果不好,存在着很大的定量误差。 根特大学的研究1997年,Iploca(国际管道和海上承包商协会)资助了根特大学的一项缺陷探测和定量研究[4,24]。虽然两个自动超声检测(AUT)团队进行的缺陷探测工作都非常成功,但是其缺陷定量研究(仅由一个团队进行)为表面断裂缺陷获得的标准偏差却在+1.5毫米到2毫米之间。这个定量精度水平后来得到了一些由私人赞助的类似验证项目的证实。根特大学的研究还表明埋藏缺陷的定量误差可能会相当大。 Transco试验 最近,Advantica使用由7个检测公司提供的GTI资金进行了一项内部研究[25]。这个研究项目的被检样件中植入了大约90个典型的缺陷:孔隙、未熔合、铜裂纹和横向缺陷等。虽然试验的主旨是探测到缺陷(效果很好),但是缺陷的定量结果却差强人意,其标准偏差(σ)范围为1.1毫米到1.8毫米[26]。出现了高达6毫米的误差,而TOFD只能测量较大的埋藏缺陷。
Shell结果
Kopp等[27]发表了一项包含缺陷定量的内部研究(参见图5)。这项研究提供了一些更全面的可用数据,而且表明在±1毫米的目测估算范围内分散着相当多的数据值,此外范围之外还有多个异常值。而且正如所料,几乎没有低估缺陷大小的情况。研究结果是典型的管道数据,而且还可以将多个专有的研究结果叠放在这张图表上。Shell数据是多个研究项目的集合,因此分析起来较为复杂。论文中所提到的定量精度为±0.3毫米,但是根据所发表的数据,我们无法获得这个精度。这个精度基于区域大小的百分比得出,但是任何已发布或已知的专有研究都没有提供支持这个精度的证据。此外,这个定量精度的确定还忽略了焦点大小、波幅和缺陷的关联性,以及缺陷的波长等问题。通过观察这些数据,可以得出±1毫米的典型的精度范围。 图5:Kopp等人员获得的定量数据。[27] Saipem研究
Cataldo和Legori [28]发表了一个用于DNV审批的有限数据集,这组数据表现了与缺陷大小的良好相关性(参见图6)。与Shell结果一样,这项研究几乎没有低估缺陷大小情况,虽然高估了几个缺陷的大小。±1毫米的目测估算范围可能不算“出格”。Saipem研究的结果可以被方便地叠放在Shell研究的结果之上。
更为有趣的一个观察是将常规多探头系统与相控阵自动超声检测(AUT)系统进行比较。在使用相同的设置(且标称相同的校准试块)时,两者之间的差异几乎可以忽略不计,正如基于物理学的预测。Shell/Shaw [27]使用的是多探头系统;Saipem使用的是相控阵系统。两种其他方面的比较表明,使用相同的设置时,两种检测系统在缺陷探测方面没有明显的差别。 Oceaneering OIS
在2003年初,Oceaneering进行了一项DNV鉴定,鉴定数据的标准偏差(约0.6毫米)远低于Shell、Saipem或其他项目的研究数据。这个数据集主要包含侧壁未熔合数据,尽管所测管壁要比Saipem研究中的管道稍微薄一些。这项研究的内部文件没有对实际检测和定量程序进行概述[30]。结果如图7所示。
图7:Oceaneering研究中测得的缺陷高度和实际缺陷高度的比较
在撰写本文之时,还不清楚为什么Oceaneering研究获得的结果会明显优于其它研究。Oceaneering研究的确在研究过程中大量使用了TOFD技术,以尽量减少明显的过高定量情况(如图5所示),但是除此之外,使用的都是标准检测程序。相控阵在定量方面具有明显的优势(例如:使用更多的声束,可控制聚焦等),也许使用相控阵系统的经验与改进的操作程序同样有助于提高检测的性能。 Edison(爱迪生)焊接研究所的系列研究 在GTI的赞助下,EWI(爱迪生焊接研究所)与几家检测公司进行了一系列的研究:对实际上含有24个未熔合缺陷的两个管道进行检测[21]。结果表明不同的检测公司所呈现的检测结果具有很大的差异,即使所用的检测程序在名义上完全相同。具体来说,最好的情况是45%的缺陷定量精度在+0.5毫米以下,而大部分缺陷的定量精度在+2毫米以下(参见下面的表1)。
与Advantica的结果一样,这项EWI(爱迪生焊接研究所)研究项目中大约只有一半的缺陷可以使用TOFD技术得到准确的分析,原因可能是缺陷太小,或者缺陷离表面太近。
使用了多种技术,花费了很多时间,EWI(爱迪生焊接研究所)研究项目的缺陷定量精度达到了+ 0.6毫米(类别A6-open)。这意味着,使用的技术越多,付出的努力越多,获得的结果就越好。PISC II系列研究中对核能工业压力容器的检测也证实了这个观点[7]。 编号 | 方法说明 | 高度定量精度,平均误差“a”,单位为毫米,探测到缺陷数量的% | | | a < ±0.5 mm | ±0.5 > a < ±2.0 mm | ±2.0 > a < ±4.0 mm | A1 | 聚焦多探头,波幅线性 | 35% | 35% | 30% | A2 | 聚焦多探头,独家专有的定量算法 | 45% | 45% | 10% | A3 | 非聚焦多探头,区域和波幅规则 | 30% | 45% | 25% | A4 | 聚焦相控阵,48个晶片,波幅线性 | 40% | 20% | 40% | A5 | 聚焦相控阵,64个晶片,波幅线性 | 15% | 35% | 50% | A6 | 聚焦相控阵,64个晶片,扇形扫查 | 25% | 25% | 50% | A6
open(开放) | 聚焦相控阵,32个晶片,光栅扫查和扇形扫查 | 75% | 25% | 不适用 |
表1:EWI的系列研究“所达到的定量精度”[21]
Det Norske Veritas
DNV(Det Norske Veritas)使用一组基于波幅的数据集和一组基于TOFD的数据集对缺陷定量进行研究,结果获得了不同寻常的低标准偏差(σ)[22]。与其他研究相同,低估缺陷大小的情况极少,而且两种情况的系统误差都很小,约0.1毫米。一组数据集的标准偏差为±0.41毫米,另一组数据集的标准偏差为±0.62毫米。这些结果表明其误差值明显低于大多数其他研究项目的误差值,尽管与Oceaneering的研究误差值不相上下。不过,Oceaneering项目只提供了88个点,而DNV(Det Norske Veritas)使用了204个点。
图8综合呈现了各项研究的数据,但是没有提供详细的情况,因此很难得出关于理想技术和程序的结论[31]。结果精度的不同可能源于分析、处理或统计操作的不同。上述EWI(爱迪生焊接研究所)项目的实验室结果也获得了较低的标准偏差,其原因是采用了多种技术,而且花费了大量的时间和精力[21]。如此详细的检测必然可以获得更准确的结果[6]。也许Oceaneering研究项目获得令人叹服的数据结果缘于使用了标准的检测设备[30]。
图8:DNV的定量结果[22]
R/D Tech数据
R/D Tech有一些早期的独家拥有的定量数据,我们可以将这些数据叠放在图5到图8上,而不会发现明显的偏差。R/D Tech数据的特性与其他研究相似:有一些零散的数据(在±1毫米的目测估算范围内),数量有限的低估缺陷大小的情况,一些明显的高估缺陷大小的情况,较低的平均定量误差。实际上,使用ASME方法对定量精度进行的RMS分析可获得±1.1毫米到1.7毫米的误差值,具体的误差值取决于所使用的实际数据集(ASTM区域、修改的区域、TOFD,以及上述各项的组合)。与简单的区域相比,组合技术会得到更好的结果(较小的标准偏差)。这个数据集还表明TOFD在管道检测中的作用有限,一般来说,只有一半的缺陷大小可以直接由标准的TOFD技术测量。 |