直縫埋弧焊鋼管焊縫附近母材缺欠的無損檢測(cè)

孟慶軍，唐彥林，任 勇，李曉敏

（1.中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司，河北 秦皇島066206；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 西安石油專用管分公司，西安710201）

在直縫埋弧焊鋼管的生產(chǎn)檢測(cè)過程中，焊縫附近母材缺欠的檢測(cè)甚為棘手，原因有以下幾點(diǎn)：①界定不清。相關(guān)的管線標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此類缺欠的檢測(cè)范圍和驗(yàn)收極限存有歧義；②定位困難。因其存在于焊接接頭內(nèi)，無損檢測(cè)方法不易確定缺陷在熔合線內(nèi)外的具體位置；③難以避免。由于原料軋制和剪切工藝的原因，原材料板邊缺欠分布密度較板體高，據(jù)某廠統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，鋼管生產(chǎn)工藝有擴(kuò)大和惡化該缺欠的趨勢(shì)；④不易檢測(cè)。對(duì)于含有該缺欠的原料鋼板，鋼板制造廠還沒有行之有效的檢測(cè)手段。

直縫埋弧焊管焊縫附近母材缺欠主要包括：母材分層、母材夾雜（渣）、母材裂紋等。由于焊縫附近母材缺欠處在焊接接頭較為薄弱的熱影響區(qū)，因此，含有該缺陷的鋼管厚度方向的力學(xué)性能容易惡化，導(dǎo)致壁厚方向性能降低，沖擊韌性、抗疲勞能力變?nèi)酰?］，進(jìn)而影響鋼管的使用性能。本研究分析和探討了直縫埋弧焊管焊縫附近母材缺欠無損檢測(cè)的相關(guān)問題。

1 管線標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)收極限

不同管線鋼管標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于焊縫附近母材缺欠的驗(yàn)收極限不盡相同，焊縫兩側(cè)母材缺欠的驗(yàn)收界定會(huì)帶來兩種不同的理解。部分常用管線標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于焊縫附近母材缺欠的無損檢測(cè)要求見表1。

表1 常用管線標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于焊縫附近母材缺欠規(guī)定的對(duì)照表

表1中①對(duì)于焊縫兩側(cè)1.6 mm寬的母材規(guī)定有兩種理解：一是以熔合線為基準(zhǔn)線，由焊縫金屬向兩側(cè)母材各延伸1.6 mm的區(qū)域；二是以焊趾為基準(zhǔn)做壁厚方向的直線為基準(zhǔn)線，向兩側(cè)母材各延伸1.6mm的區(qū)域。焊接接頭檢測(cè)區(qū)域劃分如圖1所示，對(duì)大于φ1.6mm豎通孔當(dāng)量而小于φ6.0mm平底孔當(dāng)量的缺欠，若對(duì)圖1中（a）區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果合格；若對(duì)圖1中（b）區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，則結(jié)果不合格。

圖1 焊接接頭檢測(cè)區(qū)域劃分示意圖

表1中①和②對(duì)焊縫兩側(cè)規(guī)定區(qū)域的母材缺欠驗(yàn)收極限不同。顯而易見，①的驗(yàn)收極限要嚴(yán)于②的驗(yàn)收極限，對(duì)于板邊大于φ 1.6 mm豎通孔當(dāng)量而小于φ 6.0 mm平底孔當(dāng)量的缺欠，鋼板檢測(cè)時(shí)合格，但是鋼管驗(yàn)收卻不合格，如此以來，合格鋼板不一定能夠生產(chǎn)出合格鋼管。

對(duì)于以上2個(gè)問題，若以①為驗(yàn)收基準(zhǔn)，即用焊縫的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)焊縫兩側(cè)的母材，不但給鋼板超聲波檢測(cè)提出了更高的要求，而且對(duì)鋼板制造廠板邊質(zhì)量的控制提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)；若以②為驗(yàn)收基準(zhǔn)，雖然超聲波檢驗(yàn)合格，但鋼管中具有疲勞危害的焊縫附近母材缺欠，卻為鋼管的使用埋下質(zhì)量隱患。

基于同一管線標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于焊縫附近母材缺欠驗(yàn)收極限的不一致性，為了更有效地提升鋼管品質(zhì)，避免制管廠與鋼廠的一些質(zhì)量爭(zhēng)議，焊縫附近母材缺欠的無損檢測(cè)方法及判定依據(jù)就顯得尤為重要。

2 焊縫附近母材缺欠的無損檢測(cè)

2.1 超聲波及金相檢測(cè)結(jié)果

在焊管檢驗(yàn)過程中，壁厚大于16 mm焊管的焊縫附近母材缺欠發(fā)生幾率較高，經(jīng)金相試驗(yàn)驗(yàn)證，總結(jié)母材缺欠的大小、位置、性質(zhì)及走向，以便于給以后的無損檢測(cè)工作積累經(jīng)驗(yàn)。

壁厚21 mm焊管母材分層的金相照片及其橫波波形如圖2所示。母材分層缺欠較為普遍，該分層缺欠成片狀分布，分層內(nèi)側(cè)邊界距熔合線1.5 mm，焊管圓周方向分層寬度3.2 mm，深度14.1 mm，缺欠徑向厚度約0.2 mm。超聲波橫波斜探頭檢測(cè)出的缺陷波寬而高，底波明顯降低。

圖2 焊管母材分層的金相照片及橫波波形

壁厚27.5 mm焊管母材夾雜的金相照片及其橫波波形如圖3所示。該夾雜呈閃電狀，處于熱影響區(qū)內(nèi)，焊管圓周方向?qū)挾?.6 mm，深度23.4 mm，缺欠自身高度約0.6 mm，壁厚方向有一定延伸。橫波檢測(cè)缺陷波堅(jiān)挺，缺陷波尖呈現(xiàn)清晰的高低雙峰。

壁厚26.2 mm焊管母材夾渣的金相照片及其橫波波形如圖4所示。該夾渣距熔合線0.2 mm，深度22.4 mm，寬度約0.5 mm，非常類似于焊縫中熔合線夾渣。由于母材夾渣壁厚減薄不足0.2 mm，因此射線檢驗(yàn)根本無法檢測(cè)到夾渣影像。但是，因其在焊管中軸向長(zhǎng)度超過3 mm，所以超聲波橫波檢測(cè)非常明顯，同側(cè)與異側(cè)相比缺陷當(dāng)量相差較大，波尖有毛刺。

圖3 焊管母材夾雜的金相照片及橫波波形

圖4 焊管母材夾渣的金相照片及橫波波形

圖5 焊管母材裂紋的金相照片及其橫波波形

壁厚22 mm焊管母材裂紋的金相照片及其橫波波形如圖5所示。該缺欠為母材徑向裂紋，距熔合線0.8 mm，裂紋開口寬度約0.3 mm，深度17.8 mm，缺欠壁厚方向高度0.5 mm，有延伸趨勢(shì)，缺欠波尖成明顯叢狀。

2.2 缺欠的定位

依據(jù)焊縫附近母材缺欠在熔合線內(nèi)外所處的位置，來確定是焊縫缺陷還是板邊母材缺陷。其判定結(jié)果不但直接影響成型和焊接工藝的調(diào)整方向，而且關(guān)系到鋼板廠家的軋制工藝?？梢?，缺欠的準(zhǔn)確定位是非常重要的。

2.2.1 超聲波定位

焊縫自動(dòng)超聲波檢測(cè)后，應(yīng)對(duì)缺陷噴標(biāo)處進(jìn)行手動(dòng)超聲波復(fù)查，對(duì)于焊縫附近母材缺欠，超聲波定位可采用橫波和縱波兩種檢測(cè)方式。首先采用橫波定位，橫波定位即為通常所說的缺欠最高反射波的水平定位，其檢測(cè)靈敏度應(yīng)以φ 1.6 mm豎通孔反射波高的100%為基準(zhǔn)，橫波定位受探頭磨損、儀器差異、缺欠形狀及走向影響存有一定的誤差?？v波深度定位時(shí)，檢測(cè)靈敏度在原來φ 6.0 mm平底孔基準(zhǔn)增益上再提升6~12 dB，為消除焊縫余高對(duì)直探頭耦合的影響，管端缺欠確認(rèn)前應(yīng)修磨去除焊縫余高，方可檢測(cè)到部分較寬的焊縫附近母材分層缺欠。

2.2.2 輔助方法

缺欠定位必須結(jié)合成型和焊接工藝、金相試驗(yàn)、X射線拍片、管端磁粉檢測(cè)等輔助手段，分析成型和焊接工藝有助于判斷缺欠在焊接接頭中的走向；通過金相試驗(yàn)的焊縫截面，為缺欠在焊縫中的位置提供參考；印證X射線拍片結(jié)果，進(jìn)一步排除了焊縫中體積型缺陷的可能性。熔合線附近的焊縫夾渣及其X射線底片如圖6所示，這類焊縫夾渣用超聲波檢測(cè)時(shí)易于混淆成母材的缺欠；對(duì)于延伸到管端端面焊縫附近的母材缺欠，使用磁粉檢測(cè)更為便捷準(zhǔn)確。

圖6 熔合線附近焊縫夾渣的金相照片及其X射線底片

考慮到無損檢測(cè)過程中，無法準(zhǔn)確確定焊縫中熔合線的曲線模型，因此，采用圖1中的檢測(cè)區(qū)域（a）進(jìn)行無損檢測(cè)的可操作性不強(qiáng)。實(shí)際操作過程中，只能執(zhí)行圖1中以焊趾為基準(zhǔn)線的檢測(cè)區(qū)域（b），在利用超聲波確定缺欠在焊縫熔合線內(nèi)外的具體位置時(shí)，還必須配合無損檢測(cè)以外的方法。

2.3 缺欠的定性

鋼板超聲波檢測(cè)設(shè)備驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是φ 6.0 mm平底孔反射波高的100%，若只考慮直探頭的驗(yàn)收基準(zhǔn)，會(huì)造成小于φ 6.0 mm平底孔當(dāng)量的母材缺欠 “漏檢”，從而導(dǎo)致板邊缺欠隨著制管成為焊縫附近的母材缺陷。發(fā)現(xiàn)缺欠并對(duì)其定位后，應(yīng)判定是否為焊縫附近母材缺欠，需對(duì)其進(jìn)行性質(zhì)估判，定性之后才能對(duì)含有該缺陷的焊管進(jìn)行相應(yīng)處理。

2.3.1 利用波形定性

在積累一定數(shù)量母材缺欠超聲波反射波形及金相試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過觀察不同缺欠波形，對(duì)比已驗(yàn)證的缺欠波形，可估判出缺欠性質(zhì)。一般而言，由于母材分層或較大夾雜沿鋼板軋制方向分布，焊管中焊縫附近母材缺陷反射波強(qiáng)烈，橫波檢出的缺欠當(dāng)量高于φ 1.6 mm豎通孔反射波幅；在焊管圓周方向呈層狀分布的分層缺欠，橫波水平掃描線顯示的缺欠波的波根較母材夾雜類缺欠寬；底波反射強(qiáng)度受分層遮擋而削弱，示波屏觀察到的底波將明顯低于正常底波的波幅（見圖2）。

在使用橫波檢測(cè)時(shí)，還可以觀察到缺欠邊界的不平滑度所產(chǎn)生的反射波，波尖呈現(xiàn)出類似裂紋波形的參差不齊狀（見圖5）。斜探頭前進(jìn)或后退過程中，參差的波尖隨之消失或出現(xiàn)，但是，在斜探頭靜態(tài)檢測(cè)時(shí)，一般不會(huì)出現(xiàn)裂紋特有波形自行粘連起伏的情況。

焊管檢測(cè)過程中，如再輔以雙晶直探頭縱波檢測(cè)，對(duì)母材缺陷的定性將更為可靠。

2.3.1 利用X射線拍片定性

焊縫附近母材缺欠中的分層屬于面積型缺欠，母材夾雜內(nèi)部填充物射線衰減系數(shù)與母材相差不大，X射線檢測(cè)對(duì)于此類缺欠敏感性較低，除外觀缺欠外，母材內(nèi)部缺欠一般情況下不易被X射線檢出。對(duì)于橫波檢出的波根較窄的疑似母材缺欠性質(zhì)的估判，使用X射線拍片檢測(cè)，能夠做出更為恰當(dāng)?shù)呐袛啵鐖D6所示。

3 焊縫兩側(cè)母材缺欠的預(yù)防及處理

通過成型和焊接工藝的調(diào)整無法消除焊縫附近母材的分層及夾雜，為使板邊母材缺欠不至于影響焊接接頭的質(zhì)量，分層的預(yù)防主要集中在鋼板超聲波檢測(cè)上。鋼板制造廠應(yīng)承擔(dān)鋼板超聲波檢測(cè)的主要責(zé)任，在檢測(cè)設(shè)備的板邊10 mm范圍內(nèi)加設(shè)K1橫波斜探頭，用于檢測(cè)板邊大于φ 1.6 mm豎通孔當(dāng)量的分層或夾雜類缺欠。

自動(dòng)超聲波連探設(shè)備在使用N5刻槽校驗(yàn)設(shè)備檢測(cè)范圍時(shí)，為檢測(cè)出焊縫兩側(cè)1.6 mm范圍內(nèi)的母材缺陷，N5刻槽應(yīng)位于距焊趾2~3 mm的母材上，以滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此區(qū)域的檢測(cè)要求。手動(dòng)超聲波復(fù)查過程中，按從嚴(yán)驗(yàn)收的原則，依照上文所述進(jìn)行無損檢測(cè)。

針對(duì)無損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的焊縫附近母材缺欠，遵照?qǐng)?zhí)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)處理：焊接接頭區(qū)域按焊縫修補(bǔ)規(guī)定處理，對(duì)PSL2焊管，補(bǔ)焊凹坑邊緣擴(kuò)展到母材金屬的距離不應(yīng)超過3.2 mm［2］，超出該區(qū)域的母材缺陷只能切除或拒收。

4 結(jié) 語

直縫埋弧焊管焊縫附近母材缺欠屬于比較普遍的現(xiàn)象，并且難以避免。筆者首先就常用管線標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收極限的矛盾點(diǎn)提出問題，之后結(jié)合該缺陷的特點(diǎn)和檢驗(yàn)結(jié)果，簡(jiǎn)述了該缺陷的無損檢測(cè)方法，為處理此類問題的提供了實(shí)際可行的途徑，最后，期待相關(guān)管線標(biāo)準(zhǔn)能夠關(guān)注并盡早處理技術(shù)文件的問題，為焊管的生產(chǎn)制造提供一個(gè)可靠的判定依據(jù)。

［1］李為繆.鋼中非金屬夾雜物［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1998．

［2］API SPEC 5L：2012，管線鋼管規(guī)范（45 版）［S］.

［3］GB/T 9711—2011，石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管［S］.

［4］CDP-S-NGP-PL-006—2011-2，天然氣管道工程鋼管通用技術(shù)條件［S］.

［5］CDP-S-COP-PL-007—2011-2，原油管道工程鋼管通用技術(shù)條件［S］.

［6］CDP-S-OGP-PL-017—2011-2，油氣管道工程感應(yīng)加熱彎管母管通用技術(shù)條件［S］.

［7］汪超，馬立立，張 航.超聲波檢測(cè)對(duì)直縫埋弧焊鋼管的質(zhì)量控制［J］.無損探傷，2010，34（06）：14-17.

［8］胡天明.超聲探傷［M］.武漢：武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1994.

［9］汪超，熊偉，李雅可.鋼管超聲波檢測(cè)時(shí)缺陷波形的識(shí)別［J］.無損檢測(cè)，2011，35（04）：78-81

［10］張學(xué)成，雷嘯，楊龍榮.管道環(huán)向?qū)雍附咏宇^超聲檢測(cè)用對(duì)比試塊的討論［J］.無損探傷，2010，34（07）：41-43，48.