定量管道焊缝中的缺陷：我们究竟可以完成到什么程度？

ASME（美国机械工程师协会）PVP研讨会的会议记录：
（研讨会名称）
2004年7月，加利福尼亚州，圣地亚哥
PVP2004-2811

摘要

管道检测目前正在使用适用性评估（FFS）标准对焊缝缺陷做出合格或不合格的判断。适用性评估要求对缺陷的高度进行准确的测量，以完成断裂力学方面的评价。使用放射成像技术对管道焊缝进行的标准检测无法完成这种测量。但是，一种更新的超声技术，从原则上说，可以对焊缝缺陷的高度进行测量。最初，超声波幅方式曾被用于测量缺陷的高度，但是事后证明这类方法不太可靠。如今，人们将衍射方式，特别是衍射时差（TOFD），与超声波幅方式结合在一起使用，完成管道检测。本篇论文回顾了先前的研究工作，主要是一些在核能设备检测方面的大规模系列研究项目，如：PISC II（钢铁部件检测计划的第二阶段），并对一些已经发表的管道缺陷定量研究成果进行简要说明。使用衍射方式检测核能设备所获得的最佳定量精度在几毫米以下。与核能设备的检测不同，管道的自动超声检测使用了分区功能和聚焦的探头，所检测的材料要薄得多，而且所使用的分析技术也更简单。管道检测当前的精度一般为+1毫米（未定义术语），而且与声束点的大小和典型的焊道密切相关。目前对于+0.3毫米的精度要求可能还无法达到，不会，也许研发部门有可能在不久的将来显著提高管道检测的定量性能。

引言

即使采用了最严格的焊接程序，也总会出现焊接方面的缺陷。在实际操作中，通过修复方式去除所有缺陷的做法不太现实，因此要使用某种验收标准，来确定哪些缺陷应该被去除，哪些缺陷可以忽略不计。随着高强度钢的出现，使用验收标准作出判断变得更加重要，因为高强度钢材中经过打磨和重新焊接部位的微观结构通常会受到损坏；而修复缺陷可能比将缺陷留在焊缝中对材料造成的损坏更大。

在过去的几十年中，检测标准已经从主要根据检测系统的结果判断焊接合格或不合格的“工艺”标准转向了基于断裂力学的“适用性评估”（FFS）标准（也被称为工业临界评估，或ECA）。适用性评估（FFS）根据材料韧性、裂纹增长数据和部件的占空比等因素估算部件的使用寿命，从而确定可以接受的初始缺陷大小。在计算中我们采取了保守策略：为所输入的韧性值、裂纹增长率和缺陷测量值给予了较为宽松的误差幅度。适用性评估（FFS）所允许的缺陷尺寸通常比工艺标准大得多，从而可降低报废率和生产成本。不过，要完成适用性评估（FFS），必须要准确可靠地测量关键性的缺陷参数：缺陷高度。

在二十世纪80年代，核能工业是对缺陷进行定量检测的主要行业，而适用性评估（FFS）就是在这个行业中最先开始使用的。自从燃气管道行业使用了自动超声检测方式以来[1]，适用性评估（FFS）标准的应用也促使自动超声检测成为一种广受欢迎的检测方式。自动超声检测（AUT）和适用性评估（FFS）标准在管线输送行业中的应用，大大降低了报废率（尽管部分原因要归功于自动超声检测对焊接工艺进行控制的能力）。

几十年以来，检测管道焊缝所使用的主要技术一直是基于工艺标准的放射成像技术。除了具有明显的安全隐患之外，放射成像检测的一个严重不足之处是无法测量缺陷的高度，因而不能完成适用性评估。在过去的几十年中，超声检测技术变得越来越普遍；虽然超声检测技术具有测量缺陷高度的潜力，但是在实际操作中，完成这种检测比较困难，而且还会错误百出。有两种主要的超声检测方法：基于波幅，和基于衍射。下面我们对这两种方法进行详细的说明。

波幅与衍射

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。

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。

讨论

事实上，除了Oceaneering和EWI的结果令人满意，其他项目提供的数据似乎只能自圆其说，这些项目的RMS值和标准偏差值（σ）一般都高于1毫米。许多数据都可以叠放在一起，而没有明显的偏差，这表明关键问题源于技术方面的局限性，而不是操作人员的经验或设备。平均误差值通常远低于1毫米，低估缺陷大小的情况有限。此时，大多数证据表明好于标准偏差（σ）±1毫米的定量精度不太现实。独家拥有的R/D Tech数据集表明±1毫米的“目测估算范围”实际上是一个RMS值，或者是一个小于±1毫米的标准偏差值。不过，由于检测条件不同，自动超声检测（AUT）的程序不同、切片位置不同等原因，严格来说，这些数据并没有可比性。一般来说，平均定量误差值较小，通常接近于0毫米。

衍射技术比波幅技术具有更大的潜力，虽然在检测较小的缺陷（和近表面缺陷）时，衍射技术，尤其是衍射时差（TOFD）技术，仍然存在着局限性。单靠波幅技术一般会将定量精度限制为焦点直径值（约2毫米，或者在最近研究中得到的±1毫米的目测估算范围），而且还会频繁出现异常值。分配波幅并不能在很大程度上改善标准偏差值（σ）。低估缺陷的大小一般来说不是主要问题。从原则上说，TOFD应该可以降低显著高估缺陷大小的情况。

从这些公布的结果看，当前对在工厂中进行的缺陷定量所要求的±0.3毫米的精度似乎是不切实际的（再次声明，精度的术语未定义）。没有证据表明尚未发布(或独家拥有)的结果会有更好的精度。在使用更短的λ（波长）检测具有更完美几何形状的核工程材料时，可以达到具有重复性的±0.1毫米精度[32]。不过，这种超声频率在铁素体钢中不可能获得，因为铁素体钢在微观结构上会受到更多的限制。虽然已经对钢中的超声局限性进行了一些研究工作[33]，但是还应该专门针对管道材料和自动超声检测（AUT）条件完成更多的研究工作。

从适用性评估（FFS）的角度来看，当前技术的最佳解决方案是在所有定量精度估算值上加上±1毫米到±1.5毫米，这种保守的做法应该可以补偿低估缺陷的问题。对于较大的缺陷，最好的解决方案是使用一种以上的技术避免可能发生的严重高估缺陷的问题（5毫米或更多）[22]；如果时间允许，通常可以使用分区设置、TOFD、背向衍射和多个角度等技术[6]（特别是在检测竖管和钢腱管时）。
遗憾的是，在役检测的条件可能比在实验室完成的系列检测差很多。好消息是最近研究的结果（Oceaneering和EWI）明显好于早期研究的结果（Shell和Advantica）。

幸运的是，人们已经开始寻找具有替代性的定量技术，并改进现有的定量技术。R/D Tech已经在很多领域中开展了富有成效的工作：
1. 背向衍射[13]：这种技术测量缺陷的精度可以达到±0.5毫米，尽管这种潜力还有待在试验中得到证明。其主要问题是要对信号进行正确的辨别，并获得准确的振铃时间分辨率。
2. TOFD信号处理[34]：这种技术对TOFD信号进行反卷积处理，以对更小的缺陷进行定量。最初的结果令人鼓舞，但是，可能像所有DSP技术一样，最终结果会趋于失败。
3. 改进的聚焦[35]：增加晶片和矩阵的数量，会降低焦点的大小，并提高定量精度。
毫无疑问，类似的研发工作也在全球其他地区蓬勃开展。

结论

1. 随着适用性评估标准的日益普及，使用自动超声检测（AUT）方法对管道缺陷进行定量也变得越来越重要，特别是对海上的竖管和钢腱管的检测。
2. 一般来说，与波幅技术相比，TOFD技术可以更好地定量缺陷，但是在测量较小的缺陷和近表面缺陷方面，TOFD技术还是有很大的局限性。
3. 有限的几个管道研究表明，尽管检测过程不同，但是结果却相当一致。除了一、两个例外，大部分结果都处于一致的精度范围内。对检测过程的更多了解，可能会解释其中的缘由。
4. 各项研究一致表明一种高估缺陷大小而不是低估缺陷大小的趋势，而对于较小的缺陷，这种高估缺陷的趋势不难理解。
5. 在管道行业中，没有使用严格的数据分析或术语，这点与核能工业中的检测不同。管道行业所提到的精度通常没有被定义，而是使用目测估算范围、标准偏差、RMS、近似值等表达方式。
6. 平均定量误差很小，一般远低于1毫米，使用随机定量误差。
7. 大多数研究表明，定量误差处于约±1毫米的目测估算范围之内，标准偏差的变化范围最多为±2毫米，有多个异常值，具体情况取决于不同的缺陷和条件等。
8. 目前还没有（已发表的）证据表明管道检测的定量精度可以达到±0.3毫米。
9. 幸运的是，一些改进的技术已经出现在研发的议程上，这些技术有望显著提高缺陷的定量精度。

鸣谢

来自安大略省滑铁卢的材料研究学院的Ed Ginzel先生，提供了宝贵的意见和帮助。Oceaneering OIS为我们提供了曾经递交给DNV（Det Norske Veritas）的独家拥有的数据。

参考信息