高壓大口徑厚壁油氣輸送管對(duì)接環(huán)焊縫無(wú)損檢測(cè)方法探討

魏增安 楊 濤 長(zhǎng)慶油田分公司建設(shè)工程處

高壓大口徑厚壁油氣輸送管對(duì)接環(huán)焊縫無(wú)損檢測(cè)方法探討

魏增安 楊 濤 長(zhǎng)慶油田分公司建設(shè)工程處

目前國(guó)內(nèi)的油氣管網(wǎng)遠(yuǎn)不能滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境建設(shè)對(duì)石油、天然氣運(yùn)輸?shù)男枨?，因此，我?guó)除了目前建設(shè)的西氣東輸二線、中亞管線等大型工程以外，還將陸續(xù)建設(shè)一批國(guó)內(nèi)能源干線和延伸到國(guó)外的長(zhǎng)輸管線，為了節(jié)約材料和提高輸送效率，這些管線都在朝著高壓、大口徑、厚壁的方向發(fā)展。這就給作為保證管道焊接質(zhì)量重要手段的無(wú)損檢測(cè)工作帶來(lái)了新的課題，國(guó)外在高壓大口徑厚壁油氣輸氣管線焊縫缺陷評(píng)定方法技術(shù)方面已開發(fā)出一系列新技術(shù)并在管線建設(shè)工程中得到了成功應(yīng)用，有效地提高了管線環(huán)焊縫焊接缺陷的檢測(cè)可靠性，減少了管線環(huán)焊縫失效事故，而國(guó)內(nèi)在這方的工作相對(duì)滯后。因此，本文將就目前可以用于高壓大口徑厚壁輸送管對(duì)接環(huán)焊縫無(wú)損檢測(cè)的方法進(jìn)行一些初步的探討，以期對(duì)從業(yè)人員有所幫助。

大口徑；厚壁；油氣輸送管；環(huán)焊縫；無(wú)損檢測(cè)

1、目前大口徑厚壁環(huán)焊縫無(wú)損檢測(cè)中存在的問(wèn)題

概括起來(lái)說(shuō)，我國(guó)目前在高壓大口徑厚壁對(duì)接環(huán)焊縫無(wú)損檢測(cè)中存在著以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

1）對(duì)大壁厚連頭環(huán)焊縫而言，X射線檢測(cè)已接近現(xiàn)有設(shè)備能力的上限，裂紋漏檢率高；

2）適合于大口徑厚壁接頭的新型檢測(cè)方法太少；

3）已有的超聲檢測(cè)儀器設(shè)備配置欠缺配套試驗(yàn)的研究；

4）超聲檢測(cè)人員對(duì)環(huán)焊縫缺陷反射波有效識(shí)別不準(zhǔn)確；

5）對(duì)大口徑大壁厚焊縫缺陷回波反射規(guī)律不了解；

6）專用的超聲檢測(cè)評(píng)定方法技術(shù)和判廢標(biāo)準(zhǔn)不完善。

因此，我國(guó)石油工業(yè)須加大對(duì)接環(huán)焊縫危害性缺陷的檢測(cè)技術(shù)工藝評(píng)定方法的研究，優(yōu)選有效的無(wú)損檢測(cè)方法、儀器和裝置，提高大口徑大厚壁油氣輸氣管線焊縫檢測(cè)的可靠性，確保管線的安全運(yùn)行。

2、大口徑厚壁環(huán)焊縫中常見的焊接缺陷

大口徑壁厚環(huán)焊縫中常見焊接缺陷有氣孔、夾渣、裂紋、未熔合和未焊透等，按其形狀不同可分為平面型缺陷和體積型缺陷，其中裂紋、未熔合和未焊透屬于平面型缺陷，對(duì)焊縫質(zhì)量危害很大，氣孔和夾渣屬于體積型缺陷。下面對(duì)這幾種常見的缺陷進(jìn)行分析，以便于對(duì)其的判別。缺陷的類型是判斷缺陷對(duì)構(gòu)件危害程度的重要因素。

1）裂紋 在焊縫和熱影響區(qū)都會(huì)出現(xiàn)，分為宏觀裂紋和顯微裂紋，危害非常大。其原因是焊接過(guò)程中產(chǎn)生了較大的內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)焊縫中含有低熔點(diǎn)雜質(zhì)，如FeS、FeP，當(dāng)外界應(yīng)力較大時(shí)就會(huì)從結(jié)合力較弱的這些低熔點(diǎn)雜質(zhì)處裂開，形成裂紋；或者由于過(guò)熱區(qū)和融合區(qū)的塑性和韌性很低、焊縫金屬中含有較多的氫，當(dāng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大時(shí)，容易產(chǎn)生冷裂紋。裂紋是最尖銳的一種缺口，它的缺口根部曲率半徑接近于零，尖銳根部有明顯的應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力水平超過(guò)尖銳根部的強(qiáng)度極限時(shí)，裂紋就會(huì)擴(kuò)展，以至貫穿整個(gè)截面而造成結(jié)構(gòu)失效。特別是當(dāng)焊接接頭處于脆性狀態(tài)時(shí)，裂紋的擴(kuò)展速度極快，造成脆性破裂事故。裂紋還會(huì)加劇疲勞破壞和應(yīng)力腐蝕破壞。

2）氣孔 焊接現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的主要焊接缺陷之一，是焊縫金屬凝固過(guò)程中由于侵入氣體而形成的氣囊或空穴，造成結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性。氣孔、夾渣等體積性缺陷的危害性主要表現(xiàn)為降低焊接接頭的承載能力。如果氣孔穿透焊縫表面。介質(zhì)積存在孔穴內(nèi)，當(dāng)介質(zhì)有腐蝕性時(shí)，將形成集中腐蝕，孔穴逐漸變深、變大，以至腐蝕穿孔而泄漏。夾渣邊緣如果有尖銳形狀，還會(huì)在該處形成應(yīng)力集中。

3）未熔合 是由于電弧未能直接在母材上燃燒，焊絲熔化的鐵水只是堆積在上一層焊道或坡口表面上而形成的。是一種幾乎沒(méi)有厚度的面狀缺陷，其直接危害是減少截面，增大應(yīng)力，對(duì)承受疲勞、經(jīng)受沖擊、應(yīng)力腐蝕或低溫下工作都非常不利。主要形式有層間未熔合和單側(cè)點(diǎn)狀未熔合，并出現(xiàn)在平、立焊位置，長(zhǎng)度不一。未熔合和未焊透等缺陷的端部和缺口是應(yīng)力集中的地方，在交變載荷作用下很可能生成裂紋。

4）咬邊 屬焊縫成形缺陷之一，是由母材金屬損耗引起的、沿焊縫焊趾產(chǎn)生的溝槽或凹縫，是電弧沖刷或熔化了近縫區(qū)母材金屬后，又未能填充的結(jié)果。咬邊嚴(yán)重影響焊接接頭質(zhì)量及外觀成型，使得該焊縫處的截面減小，容易形成尖角，造成應(yīng)力集中，該處斷裂的可能性最大。咬邊是一種危險(xiǎn)性較大的外觀缺陷。它不但減少焊縫的承壓面積，而且在咬邊根部往往形成較尖銳的缺口，造成應(yīng)力集中，很容易形成應(yīng)力腐蝕裂紋和應(yīng)力集中裂紋。因此，對(duì)咬邊有嚴(yán)格的限制。

5）未焊透 是指焊接時(shí)接頭根部未完全焊透的現(xiàn)象?？赡墚a(chǎn)生在單面或雙面焊的跟部、坡口表面、多層焊焊道之間或重新引弧處。它相當(dāng)于一條裂紋，當(dāng)構(gòu)件受到外力作用時(shí)刻能擴(kuò)展成更大的裂紋，使構(gòu)件破壞。產(chǎn)生未焊透的原因是：焊接電流小、焊接速度大、破口角度和間隙小、操作不當(dāng)、焊接接頭表面有油污、漆、鐵銹等。

6）條狀?yuàn)A渣 是指存在于焊縫內(nèi)部的長(zhǎng)寬比較大的夾渣，條狀?yuàn)A渣的危害性比點(diǎn)狀?yuàn)A渣嚴(yán)重得多。造成原因很多，主要有焊件表面焊接前清理不良（如油、銹等）、焊層間清理不徹底（如殘留熔渣）、焊接電流太小或融化金屬凝固太快及焊速太快使熔渣沒(méi)有充足的時(shí)間上浮、操作不當(dāng)、焊條藥皮受潮及焊接材料選擇不合適等。

3、目前國(guó)內(nèi)環(huán)焊縫檢測(cè)的主要方法及特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管道的無(wú)損檢測(cè)方法主要有射線、超聲波、磁粉和液體滲透四種。射線和超聲波檢測(cè)是最為常用的管道環(huán)焊縫檢測(cè)方法;磁粉和液體滲透檢測(cè)法主要適用于焊縫表面或近表面缺陷的檢查,在長(zhǎng)輸管道中主要用于異型管件的連接焊縫探傷,在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)焊縫檢測(cè)上使用較少。主要使用射線和超聲波兩種探傷方法。

1)射線檢測(cè) 射線檢測(cè)是利用射線檢查焊縫內(nèi)部缺陷的一種無(wú)損檢測(cè)方法。按使用的射線源劃分,又分為X射線探傷和γ射線探傷兩種。X射線探傷是利用探傷儀在管道外側(cè)采用雙壁單影法或雙壁雙影法進(jìn)行透照，分段曝光，其優(yōu)點(diǎn)是顯示缺陷的靈敏度較γ射線高，不受地形限制，平原地段、大坡度山區(qū)段以及對(duì)死口連頭段均可適用；缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜、操作不便、效率低、費(fèi)用高。γ射線探傷是利用爬行器在管道內(nèi)部進(jìn)行內(nèi)透照全周向一次性曝光，優(yōu)點(diǎn)是透視時(shí)不需電源，在野外條件下使用方便，設(shè)備輕巧、操作簡(jiǎn)單、效率高；缺點(diǎn)是顯示缺陷的靈敏度較X射線小，不適用于大坡度山區(qū)段和對(duì)死口連頭段環(huán)焊縫檢測(cè)。

2)超聲波檢測(cè) 超聲波檢測(cè)是利用超聲波探測(cè)材料內(nèi)部缺陷的一種無(wú)損檢測(cè)方法。按操作模式具體又分為手工超聲波探傷和全自動(dòng)超聲波探傷兩種。手工超聲波檢測(cè)是一種傳統(tǒng)的探傷方式，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管道無(wú)損檢測(cè)方法中的超聲波檢測(cè)一般就是指的手工超聲波檢測(cè)。管道全自動(dòng)超聲波檢測(cè)是國(guó)內(nèi)剛剛興起的一種檢測(cè)方法，相比傳統(tǒng)的手工超聲波檢測(cè)具有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)和適用條件。

3）兩種無(wú)損檢測(cè)方法的技術(shù)和優(yōu)缺點(diǎn)比較

由于射線檢測(cè)和超聲波檢測(cè)的原理不同,因此各具特點(diǎn)。對(duì)于射線探傷,通過(guò)工程實(shí)踐證明,是一種理想的探傷方式,其結(jié)果直觀、準(zhǔn)確,并具有可追溯性。尤其是管道射線爬行器探傷方法的應(yīng)用,在大大提高探傷速度的同時(shí),也大幅度降低了探傷成本。這種方法在近幾年建成的澀寧蘭、蘭成渝等多條管線中都得到了大量應(yīng)用,并獲得良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果。

理論上超聲波檢測(cè)為一種理想的探傷方式,但在以往的實(shí)際應(yīng)用中超聲波存在以下兩點(diǎn)缺點(diǎn): ①受人為因素(包括操作因素和經(jīng)驗(yàn)判定因素)影響較大，②原始記錄無(wú)法保存,不可追溯。這兩大不足之處使超聲波檢測(cè)的可信度和使用受到很大影響。但由于超聲檢測(cè)的靈敏度比射線檢測(cè)的靈敏度大得多。如果采用適當(dāng)?shù)姆椒?，超聲波還是可以取得優(yōu)于射線檢測(cè)的檢測(cè)效果。以往超聲波檢測(cè)主要采用A型脈沖反射式超聲波探傷儀進(jìn)行手工探傷。進(jìn)入80年代，出現(xiàn)了數(shù)字型A型脈沖反射式探傷儀，從技術(shù)上講前進(jìn)了一步，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化脈沖顯示，可以對(duì)反射波進(jìn)行存儲(chǔ)、打印。目前，它已經(jīng)改進(jìn)為全自動(dòng)超聲波探傷儀，逐漸采用相控陣技術(shù)，可實(shí)時(shí)檢測(cè)、存儲(chǔ)探傷數(shù)據(jù)，打印完整的彩色掃查圖，可刻寫數(shù)據(jù)光盤對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。全自動(dòng)超聲波探傷儀采用A掃描、B掃描和TOFD3種方式，實(shí)現(xiàn)了缺陷圖像彩色顯示。

4、可用于高壓大口徑厚壁環(huán)焊縫的新型無(wú)損檢測(cè)方法

1）射線爬行器檢測(cè) 工業(yè)管道射線爬行器進(jìn)行中心法透照法檢驗(yàn)。其主要優(yōu)點(diǎn)為靈敏度高，工作效率高，一次曝光就可以完成一個(gè)對(duì)接焊縫的檢驗(yàn)工作。其原理是：爬行器的在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接到指令源的信息后，通過(guò)CPU處理，確定前進(jìn)、后退、停止、曝光。通過(guò)指令源的控制完成各種操作。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的焊縫射線檢測(cè)目前廣泛采用實(shí)時(shí)射線照相技術(shù)，非常適用于自動(dòng)化，便于自動(dòng)控制。但是這種技術(shù)還不能完全替代膠片射線照相方式。

2）自動(dòng)超聲波檢測(cè)該技術(shù)是在1977年，由Silk根據(jù)超聲波衍射現(xiàn)象提出來(lái)。該方法是脈沖反射法和射程衍射時(shí)間法（TOFD）的相結(jié)合。脈沖發(fā)射技術(shù)確保高的檢出概率，而射程衍射時(shí)間法可精確地確定臨界尺寸的大小。

意大利AEA sonovatiion公司在TOFD應(yīng)用方面，已經(jīng)有15年歷史。此技術(shù)首先是應(yīng)用于核工業(yè)設(shè)備在役檢驗(yàn)，現(xiàn)在在核電、建筑、化工、石化、長(zhǎng)輸管道等工業(yè)的厚壁容器和管道方面多有應(yīng)用。TO FD技術(shù)的成本是脈沖回聲技術(shù)的1/1 0。現(xiàn)在，TOFD檢測(cè)技術(shù)在西方國(guó)家是一個(gè)研究熱點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)開始推廣應(yīng)用。經(jīng)過(guò)幾年以后，將有取代R T趨勢(shì)的可能。

TOFD是一種依靠從待檢試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)（主要是指缺陷）的“端角”和“端點(diǎn)”處得到的衍射能量來(lái)檢測(cè)缺陷的方法，也叫“裂紋端點(diǎn)衍射法”或“尖端反射法”。其探傷原理見圖1，發(fā)射探頭和接收探頭按一定間距相向放置，盡可能使被檢缺陷處于兩探頭間距中點(diǎn)正下方，然后使小晶片發(fā)射探頭向被檢焊縫發(fā)出一束指向角足夠大的斜射縱波聲束(折射角宜在60°～75°)。此聲束可充分覆蓋整個(gè)板厚范圍內(nèi)的焊縫體積，若在缺陷上下端部能產(chǎn)生衍射波(簡(jiǎn)稱上端波和下端波)并被同尺寸、同頻率的接收探頭接收到，則根據(jù)沿探測(cè)面?zhèn)鞑サ膫?cè)向波(Lateralw ave)與由缺陷上下端部產(chǎn)生的衍射波以及底面回波(簡(jiǎn)稱底波)到達(dá)接收探頭的傳播時(shí)間差與聲速的關(guān)系，即可準(zhǔn)確地測(cè)出缺陷(如裂紋)的埋藏深度和自身高度。

TOFD法有賴于超聲波與缺陷端部的相互作用。相互作用結(jié)果會(huì)在較大角度范圍發(fā)射衍射波。檢出衍射波就能確定缺陷的存在。信號(hào)傳播時(shí)間差就是缺陷高質(zhì)量值。缺陷尺寸根據(jù)衍射信號(hào)的傳播時(shí)間而非幅度來(lái)測(cè)量。因此說(shuō)TOFD 法是焊縫探傷缺陷定位、定量、定性的一種有效技術(shù)。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(CEN)于2000年發(fā)布了有關(guān)用超聲TOFD法探傷和定量的標(biāo)準(zhǔn)草案ENV583—6:2000。有關(guān)TOFD法的第一份標(biāo)準(zhǔn)BS7706:1993是英國(guó)提出的。近兩三年相繼發(fā)布的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還有美國(guó)ASME 2235:2001和日本的NDIS 2423:2001。

圖1 TOFD原理和AC波形圖

TOFD技術(shù)缺陷檢出能力強(qiáng)，缺陷定位精度高，節(jié)省設(shè)備的制造時(shí)間，安全，檢測(cè)數(shù)據(jù)可以用數(shù)字形式永久保存。與常規(guī)的脈沖回聲檢測(cè)技術(shù)相比，TOFD在缺陷檢測(cè)方面與缺陷的方向無(wú)關(guān)。在安全上，不需要一個(gè)安全的獨(dú)立的操作空間，因此可以在不中斷工藝生產(chǎn)的情況下進(jìn)行檢測(cè)，節(jié)約設(shè)備制造時(shí)間。當(dāng)然，TOFD也存在很多局限性：在位于表面下幾毫米處存在一個(gè)“盲區(qū)”。同樣，近內(nèi)壁的TOFD信號(hào)也不清晰。并且TOFD有“過(guò)分強(qiáng)調(diào)”中壁信號(hào)的傾向。TOFD波幅很低，可能會(huì)被漏掉。

自動(dòng)超聲波探傷技術(shù)相比射線探傷優(yōu)點(diǎn)在于：

I．檢測(cè)速度快,每道口掃描只需幾分鐘，最快每天能達(dá)到100道焊口；

II．自動(dòng)超聲波技術(shù)可以測(cè)出裂紋穿透管壁的徑向尺寸，而射線探傷只能測(cè)出缺陷長(zhǎng)度；

III．自動(dòng)化焊接工藝一般要求特殊坡口設(shè)計(jì)，具有斜交面特征,射線探傷很難檢查出取向錯(cuò)誤區(qū)的未熔合缺陷；

IV．自動(dòng)化超聲波技術(shù)能夠快速檢測(cè)并得到結(jié)果，并有利于缺陷分析和臨界缺陷尺寸的判定評(píng)估。近十年在北美地區(qū),自動(dòng)超聲波探傷技術(shù)在管道工程中得到了廣泛的應(yīng)用,是一種比較成熟的技術(shù)，如穿越加拿大管線工程和A lliance自動(dòng)焊接環(huán)焊縫都采用了這種檢測(cè)技術(shù)。隨著國(guó)內(nèi)大口徑、高壓力管道的陸續(xù)上馬，以及全自動(dòng)焊技術(shù)在這些管道上的普及應(yīng)用，全自動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)必將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

[1]李廣波，周勇.長(zhǎng)輸管道工程無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].焊接技術(shù).2005,34(33)

[2]韓相勇.長(zhǎng)輸管線對(duì)接環(huán)焊縫自動(dòng)相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè).2006,28(5)237

[3]李衍.鋼焊縫相控陣超聲波探傷新技術(shù).無(wú)損探傷.2002（3）：1-5

[4] E.A.Ginzel；周育宇，等譯.用線性掃描時(shí)的波幅測(cè)量和全自動(dòng)超聲波檢測(cè).2000.1

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.086