厚壁SAWH 焊縫自動超聲波檢測對比試塊的合理性研究

黃 磊 ， 趙新偉 ， 李記科 ， 杜廣全 ， 王長安

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710065；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101；3.滄州市宏盛焊接無損檢測有限公司，河北 滄州 061001）

0 前 言

西氣東輸三線管道工程（以下簡稱西三線）干線西起新疆霍爾果斯首站，東至廣東省韶關末站，以寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)為界分為西段和東段，全線總長度為4 661 km，主干線設計輸氣能力300億m3/年，輸氣壓力為10～12 MPa。該管線所用鋼管中，螺旋埋弧焊管（SAWH）數量占一半以上， 規(guī)格為φ 1 219 mm×18.4 mm和φ 1 219 mm×22 mm等，鋼級X80。制管廠采用自動超聲波（AUT）檢測技術對焊管焊縫質量進行檢測，每根鋼管焊縫95%～97%的長度采用AUT檢測，可見AUT檢測在西三線鋼管焊縫檢測中起到了重要的作用。

AUT檢測與手工UT檢測不同，為了實現100%焊縫檢測，手工UT檢測可以用探頭前后、左右、轉角和環(huán)繞等多種掃查方式來實現，而AUT檢測就沒有這些優(yōu)勢。因此，對于SAWH焊縫AUT檢測中探頭的選取與排列、檢測閘門設置與靈敏度調節(jié)、對比試塊的設計與目標反射體選擇以及檢測結果的顯示與記錄等方面尤為重要。西三線技術條件規(guī)定，自動超聲波探傷系統(tǒng)的靈敏度及檢測范圍通過帶有人工缺陷的對比試塊進行校驗，因此對比試塊設計必須合理，才能確保自動超聲波檢測系統(tǒng)有效檢測整個焊縫厚度范圍和一定寬度范圍所有取向的缺陷，并且對檢測結果的顯示和記錄也有一定的要求。本研究僅對西三線中自動超聲波檢測對比試塊的合理性進行一些研究。

1 目前現狀和存在的問題

西三線相關規(guī)范要求：鋼管焊縫自動超聲檢測對比試塊具有N5刻槽和φ 1.6 mm豎通孔兩種人工缺陷，鋼管焊縫AUT檢測對比試塊如圖1所示。西三線高強度管線鋼管焊縫中的缺陷主要有縱向和橫向兩類，因此對比試塊中的N5刻槽也分縱向和橫向，其中縱向3組、橫向1組，分別位于焊縫內外表面，用以檢查探頭的檢測范圍及對各取向缺陷的檢測能力。φ 1.6 mm豎通孔位于焊縫中心用以確定檢測靈敏度。在進行設備及靈敏度校驗時，自動超聲波探傷系統(tǒng)應能夠檢出對比試塊中的所有人工缺陷，這是對自動超聲波探傷系統(tǒng)提出的最低要求，校驗合格方可進行探傷。

圖1 鋼管焊縫AUT檢測對比試塊示意圖

為了能檢測出西三線鋼管對比試塊中的所有人工缺陷，焊縫自動超聲波檢測系統(tǒng)的探頭數量及分布情況如圖2所示。一般地，SAWH鋼管采用 L11-L12， L21-L22， T11-T12， T21-T22和 D-D 組合方式，其中探頭L11-L12和L21-L22檢測縱向缺陷，探頭T11-T12與T21-T22檢測橫向缺陷，探頭D-D檢測焊縫熱影響區(qū)缺陷。除探頭D-D外，其余探頭均可檢測到φ 1.6 mm豎通孔，以此用來確定檢測靈敏度。

圖2 SAWH焊縫AUT檢測探頭排列與布置示意圖

圖1和圖2中鋼管焊縫AUT檢測對比試塊和探頭排列與布置均能滿足西三線相關規(guī)范和標準要求，圖2中的探頭排列與布置均能檢測出圖1中對應的人工缺陷。

西三線使用的SAWH鋼管直徑較大、壁厚較厚，其中使用的鋼管規(guī)格主要為φ 1 219 mm×18.4 mm和φ 1 219 mm×22 mm等，而目前選用的對比試塊人工缺陷（如刻槽）均位于焊縫內外表面，特別是對于檢測縱向缺陷的2組探頭已不能保證檢測到整個焊縫厚度范圍的縱向缺陷，而且也未考慮檢測閘門寬度設置的人工缺陷。另外，由于厚壁埋弧焊鋼管一般采用X形坡口焊接，容易產生垂直于檢測面的中間未焊透和坡口面未熔合等缺陷，未考慮此類缺陷檢測使用的人工缺陷。

由于埋弧焊管中橫向缺陷產生幾率較低，圖1和圖2中對于檢測橫向缺陷所使用的人工缺陷位置和探頭排列與布置可以滿足要求。

2 對比試塊的設計與探頭排列布置

SAWH焊縫AUT用對比試塊設計主要考慮以下3個方面：焊接采用的X形坡口；焊接過程產生的縱向缺陷和橫向缺陷；確保焊縫缺陷100%檢測（整個壁厚范圍和一定寬度范圍）。

根據聲場相關理論計算可知，常用2.5 MHz，φ 10~12 mm的K2斜探頭在100 mm聲程處的有效聲束寬度約12～15 mm，對于上下表面位置的刻槽檢測探頭的有效聲束寬度約為正常值的一半，即6～7 mm。另外，對于厚壁SAWH焊接采用的X形坡口（見圖3）容易產生缺陷的部位，將檢測區(qū)域劃分為外焊區(qū)域/內部/內焊區(qū)域，由于壁厚的不斷增加和探頭有效聲束寬度的限制，對于檢測內部區(qū)域的缺陷必須進行詳細劃分，主要考慮X形坡口鈍邊容易出現的中間未焊透缺陷的檢測，應用一收一發(fā)串列式雙探頭檢測技術。

圖3 X形坡口焊縫區(qū)域劃分與缺陷

綜合以上各種因素，西三線SAWH鋼管壁厚范圍在18 mm≤t≤23.9 mm內的焊縫對比試塊設計如圖4所示。圖4中主要有縱向、橫向和焊縫兩側熱影響區(qū)分層缺陷，其中1#，4#，8#和11#為外焊區(qū)域和內焊區(qū)域的縱向刻槽（N5），主要用于模擬焊趾部位的咬邊和延伸到表面未熔合等缺陷；2#，3#，9#和10#為焊縫內部區(qū)域垂直鈍邊平底孔 （φ 2～φ 3 mm），主要用于模擬中間未焊透及角度小于15°（半角）的坡口未熔合等缺陷，在焊縫中位置如圖5所示；12#和13#為外焊區(qū)域和內焊區(qū)域的橫向刻槽（N5），主要用于模擬焊縫表面和內部橫向缺陷等；5#和7#為距離焊趾一定距離 （一般為壁厚30%，最小5 mm，最大10 mm）的豎通孔 （φ 3.2 mm），主要用于設置檢測閘門終點；6#為焊縫中心位置豎通孔（φ 1.6 mm），主要用于調節(jié)檢測靈敏度和設置檢測閘門起點；14#和15#為焊縫熱影響區(qū)母材上平底孔，主要用于檢測焊縫熱影響區(qū)的母材分層缺陷。

為了能有效檢測出上述設計中對比試塊所有的人工缺陷，壁厚在 18 mm≤t≤23.9 mm內SAWH焊縫AUT系統(tǒng)的探頭數量及分布情況如圖6所示。一般來說，SAWH采用L11-L12，L21-L22， L31-L32/L41-L42， L51-L52/L61-L62， T11-T12， T21-T22和D-D組合方式，其中探頭L11-L12，L21-L22，L31-L32/L41-L42和L51-L52/L61-L62檢測縱向缺陷，探頭T11-T12與T21-T22檢測橫向缺陷，探頭D-D檢測焊縫熱影響區(qū)缺陷。除探頭D-D外其余探頭均可檢測到φ 1.6 mm豎通孔，以此來確定檢測靈敏度。

圖4 SAWH焊縫AUT檢測對比試塊示意圖

圖5 檢測內部鈍邊部位縱向人工缺陷設計示意圖

圖6 SAWH焊縫AUT檢測探頭排列與布置示意圖

3 對比分析

目前從西三線中使用的SAWH焊縫AUT對比試塊中縱向刻槽僅能檢測出上下表面6～7 mm的缺陷，即檢測壁厚12 mm左右，當壁厚大于12 mm時就存在縱向缺陷漏檢的風險。另外，對于目前西三線中使用的SAWH焊縫AUT對比試塊中未涉及檢測閘門寬度設置的人工缺陷，同樣也存在一定寬度范圍漏檢的風險。

為了保證西三線中使用的SAWH焊縫AUT的100%檢測，其對比試塊的設計及制作人工缺陷必須考慮整個壁厚范圍和一定寬度范圍（一般為壁厚30%，最小5 mm，最大10 mm）100%檢測。下面以壁厚22.0 mm，所用探頭規(guī)格為2.5P10×12K2（有效聲束寬度為12 mm）為例說明。

3.1 壁厚范圍的檢測

焊縫區(qū)域的縱向缺陷、橫向缺陷和分層缺陷均要100%檢測。對于縱向缺陷除了在內外表面各設置1組探頭，主要用于檢測表面和近表面咬邊等缺陷及向表面延伸的未熔合外，還應在壁厚的40%（約1/3處）位置和60%（約 2/3處）位置各設置1組探頭，用于檢測鈍邊未焊透等缺陷。SAWH鋼管壁厚劃分（針對縱向缺陷）如圖7所示，對于橫向缺陷一般選用K形或X形排列探頭檢測。

圖7 SAWH鋼管壁厚劃分（針對縱向缺陷）

根據焊接使用的坡口形式和焊接過程中容易產生的缺陷，檢測縱向缺陷時探頭分布應依次檢測外焊縫區(qū)域/內部/內焊縫區(qū)域，探頭主聲束位置、選用角度（檢測坡口面的未熔合缺陷，探頭折射角的選擇應與坡口角度有關）和排列與分布如圖8所示。

圖8 檢測縱向缺陷時探頭主聲束位置和選用角度

3.2 一定寬度范圍的檢測

檢測縱向缺陷的閘門設置如圖9所示?？v向缺陷檢測時，探頭L11檢測閘門的設置起點在圖9中虛線豎通孔反射波前端至少1～2 mm處，閘門的終點設置在焊縫中心豎通孔反射波后端至少1～2 mm處；探頭L12檢測閘門的設置與探頭L11敘述相似。探頭L21-L22，L31-L32，L41-L42和L51-L52/L61-L62檢測閘門的設置與探頭L11-L12檢測閘門的設置相似。這樣就保證檢測了焊縫與熱影響區(qū)一定寬度區(qū)域的縱向缺陷。

圖9 檢測縱向缺陷的閘門設置

檢測橫向缺陷的閘門設置如圖10所示。橫向缺陷檢測時，使用K形或X形探頭，探頭T21檢測閘門的設置起點在圖10中虛線豎通孔反射波前端至少1～2 mm處，閘門的終點設置在圖中實線豎通孔反射波后端至少1～2 mm處。探頭T22檢測閘門的設置與探頭T21敘述相似，探頭T11-T12檢測閘門的設置與探頭T21-T22檢測閘門的設置相似。這樣就保證檢測了焊縫與熱影響區(qū)一定寬度區(qū)域的橫向缺陷。

圖10 檢測橫向缺陷的閘門設置（K形或X形探頭）

通過上述分析可以知道，目前西三線中使用的SAWH焊縫AUT對比試塊中縱向刻槽僅能檢測出上下表面6～7 mm的缺陷，即檢測壁厚為12 mm左右。對壁厚大于12 mm鋼管焊縫的檢測，應用圖4設計的對比試塊就可以覆蓋壁厚范圍18～23.9 mm，滿足西三線鋼管使用壁厚為18.4 mm和22 mm的壁厚范圍和一定寬度范圍100%檢測的要求。

4 結 論

（1）目前西三線規(guī)范中使用的螺旋埋弧焊管焊縫自動超聲波檢測所用對比試塊僅能保證檢測壁厚12 mm內的鋼管焊縫缺陷，且對比試塊沒有明確的設置檢測閘門的人工缺陷。

（2）設計的對比試塊不但可以滿足西三線中螺旋埋弧焊管焊縫超聲波100%檢測整個壁厚范圍內的缺陷，而且可以滿足自動超聲波100%的檢測焊縫和熱影響區(qū)一定寬度范圍內 （一般為壁厚30%，最大10 mm，最小5 mm）的缺陷，保證了焊縫自動超聲波檢測結果的準確性和可靠性。

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