油氣管道環(huán)焊縫PAUT檢測與RT檢測的比較分析

(中國船級社質量認證公司江西分公司，江西 南昌 330038)

0 引言

中國能源行業(yè)十三五規(guī)劃發(fā)布后，我國油氣管網(wǎng)建設大規(guī)模發(fā)展。截至2018年底，我國油氣長輸管道總里程累計達到13.6萬km，位居世界第三。但與發(fā)達國家相比我國管道密度仍有較大增長空間，管道輸送能力仍有待提高。因此，管道的投入和使用也會增加。油氣管道地理環(huán)境復雜，管道的質量和安全至關重要。近年來，油氣管道泄露、爆炸事故頻繁發(fā)生，導致了大量的經(jīng)濟損失、人員傷亡甚至環(huán)境污染。在管道安裝過程中，管道采用環(huán)焊縫對接的形式進行焊接，而對環(huán)焊縫的檢測又極為重要。最早的檢測方法一般采用傳統(tǒng)的射線檢測和手工超聲波檢測。近年來，隨著新技術的不斷發(fā)展，相控陣檢測技術也被應用到油氣管道中。筆者以某長輸管道工程作為研究對象。采用兩種檢測方法對同一焊縫進行檢測，并對檢測結果進行比較。因為PAUT和RT是兩種不同的原理，所以導致結果有一定的差異。

1 PAUT和RT檢測原理

1.1 PAUT檢測原理

相控陣檢測其基本檢測原理與常規(guī)超聲波檢測相同，都是基于脈沖反射法。不同的是探頭結構、視圖顯示及記錄方式。常規(guī)超聲探頭只有1個晶片，而相控陣探頭是相當于把1個普通探頭晶片切割成多個小的晶片。1個晶片為一個陣元，多個晶片組成一個陣列，每個小晶片都可單獨被激發(fā)。再通過控制各個陣元激勵(或接收)脈沖的時間延遲，改變由各陣元發(fā)射(或接收)聲波到達(或來自)物體內某點時的相位關系，實現(xiàn)波束偏轉及聚焦。再利用機械掃描和電子掃描相結合的方法實現(xiàn)多種方式成像。相控陣系統(tǒng)能夠同時實現(xiàn)A掃描、 B掃描、C掃描、S掃描和TOFD成像。TOFD檢測存在上下表面盲區(qū)，使用PA檢測可以彌補TOFD檢測盲區(qū)的不足。

1.2 RT檢測原理

射線在穿透物體的過程中會與物質發(fā)生相互作用，因吸收和散射其射線強度會減弱。強度的衰減程度取決于材料的衰減系數(shù)和射線穿過材料的厚度。如果物體(試件)局部有缺陷，且形成缺陷材料的衰減系數(shù)又與試件不同，則局部區(qū)域的透射射線強度與周圍區(qū)域的透射射線強度不同。當射線透照工件后使膠片感光，膠片再經(jīng)過暗室處理后得到底片。由于透射缺陷部位和其他完好部位的透射射線強度不同，底片上相應部位就會出現(xiàn)不同的黑度差。 底片上相鄰區(qū)域之間的黑度差異被定義為“對比度”。檢測人員通過對底片的觀察，根據(jù)其黒度差，便能得到缺陷的具體情況。RT檢測的圖像是焊縫和缺陷的平面投影，不能顯示缺陷本身的高度，只能得到缺陷大小及數(shù)量，通過測量缺陷大小可以評判缺陷。

2 PAUT和RT檢測的特點

2.1 PAUT檢測的特點

PAUT是在常規(guī)超聲波檢測基礎上拓展的一項新技術。PAUT與常規(guī)超聲波的主要區(qū)別為：常規(guī)超聲波檢測顯示只有A掃圖，顯示不直觀，不便于記錄保存；而PAUT可以實現(xiàn)A掃、B掃、C掃、S掃和TOFD等多掃描圖像同時顯示，顯示較為直觀、便于判讀缺陷、圖譜可永久保存，是真正的可記錄超聲波檢測技術。對于焊縫檢測，常規(guī)超聲是用固定角度的斜探頭進行掃查的，如45°、60°、70°(或K1、K2、K3)。而相控陣檢測則是以一定角度范圍進行掃查的。一般掃查范圍為40°～70°。相控陣檢測在不需要移動探頭的情況下，利用一次反射波就能覆蓋整個焊縫截面。使用單個探頭以多個角度檢測，能極大的提高缺陷的檢出率。圖1表示相控陣掃查焊縫的聲束覆蓋圖。

圖1 相控陣掃查焊縫聲束模擬圖

2.2 RT檢測的特點

在射線檢測中，底片作為記錄介質，可以直接得到缺陷的直觀圖像并可長期保存。通過觀察底片能夠比較準確地判斷出缺陷的性質、數(shù)量、尺寸、位置。射線檢測容易檢出那些形成局部厚度差的缺陷。對體積型缺陷(氣孔、夾渣)有很高的檢出率，對面積型缺陷(裂紋、未熔合)的檢出率則受到透照角度的影響。射線檢測時在不同部位的射線穿透角度會因坡口角度而改變，未熔合是管道環(huán)焊縫比較容易產(chǎn)生的一種缺陷，它是一種面積型缺欠。射線檢測焊縫未熔合缺陷如圖2所示。①射線檢測時，缺陷大小、缺陷位置及射線照射方向均會影響RT檢出率。②當射線方向與未熔合角度在10°以下時，缺陷檢出率影響不大；當大于15°時，隨著角度的增大，檢出率就越低，易漏檢。③當透照方向與未熔合方向相同時，檢出率最高，見圖2中①和③。④當透照方向與未熔合方向差別較大時，檢出率低。見圖2中②和④。

3 PAUT與RT檢測結果對比分析

以某長輸管道項目作為試驗依據(jù)，按照適當工藝參數(shù)對焊口分別進行PAUT檢測和RT檢測。本文選取了其中比較典型的5道焊口進行對比分析。檢測結果如表1所示。從表1可看出，RT檢測可以判斷缺陷的性質，測出缺陷的長度，而對缺陷深度，缺陷自身高度無法測量。PAUT檢測可以檢測出缺陷的長度、埋藏深度、自身高度以及判定缺陷的性質，但是對于缺陷性質的判定，PAUT檢測沒有RT檢測顯示那么直觀，要豐富的經(jīng)驗以及評圖水平，綜合來判定缺陷的性質。所以對于缺陷定性，RT檢測要優(yōu)于PAUT檢測。而對于缺陷定量PAUT檢測要優(yōu)于RT檢測。

圖2 RT檢測效果與缺陷方向關系

表1 環(huán)焊縫的PAUT和RT檢測結果

3.1 裂紋

圖3為編號1的射線檢測底片，在底片發(fā)現(xiàn)1處缺陷顯示。缺陷性質為裂紋，長度為20 mm。而經(jīng)過PAUT檢測，對數(shù)據(jù)進行分析，通道1和通道2均有缺陷顯示，A掃最高波幅191%，長度為31 mm，觀察波形有雙峰顯示，再結合TOFD通道顯示，綜合分析缺陷性質判定為裂紋。

3.2 根部未熔合

圖4為編號2的射線檢測底片，在底片發(fā)現(xiàn)1處缺陷顯示，為根部未熔合缺陷，長度為12 mm。而經(jīng)過PAUT檢測，對數(shù)據(jù)進行分析，通道1有一處缺陷顯示，A掃最高波幅147%。長度為11 mm。通道2該位置無明顯缺陷顯示，TOFD底波上有微弱的信號顯示。這是由于該缺陷在TOFD下表面盲區(qū)內。最后結合S掃波形圖缺陷性質判定為根部未熔合。

3.3 夾層未熔合

圖5為編號3的射線檢測底片，在底片發(fā)現(xiàn)4處顯示，為斷續(xù)的夾層未熔合，長度為6 mm+5 mm+4 mm+3 mm。而經(jīng)過PAUT檢測，對數(shù)據(jù)進行分析，通道1和通道2均有缺陷顯示，TOFD信號顯示明顯，A掃最高波幅126%，長度為390 mm。結合S掃波形圖缺陷性質判定為夾層未熔合。

圖3 RT與PAUT檢測結果對比圖(裂紋)

圖4 RT與PAUT檢測結果對比圖(根部未熔合)

圖5 RT與PAUT檢測結果對比圖(夾層未熔合)

3.4 氣孔

圖6為編號4的射線檢測底片，在底片發(fā)現(xiàn)1處缺陷顯示，缺陷性質為密集氣孔。而經(jīng)過PAUT檢測，對數(shù)據(jù)進行分析后，通道1顯示為多個點狀缺陷，A掃最高波幅59%，其余點狀波幅較弱。通道2只顯示1個點狀缺陷。TOFD信號無明顯信號顯示，這是由于此缺陷在近表面，存在TOFD的上表面盲區(qū)中，圖6中可以看到直通波有降低的變化。再結合C掃圖，缺陷性質判定為氣孔。

3.5 夾層未熔合

圖7為編號5的射線檢測底片，底片無明顯缺陷顯示。而經(jīng)過PAUT檢測，對數(shù)據(jù)進行分析后，該位置通道1和通道2均有缺陷顯示，通道1發(fā)現(xiàn)為多個點狀顯示，而且在不同的層面上均勻分布。在相同位置通道2和TOFD通道均有缺陷顯示。缺陷A掃最高波幅117%，單個點狀長度最大為10 mm。結合多種掃描圖，缺陷性質判定為夾層未熔合。屬于焊道與焊道之間的層間未熔合。

圖6 RT與PAUT檢測結果對比圖(氣孔)

圖7 RT與PAUT檢測結果對比圖(層間未熔合)

3.6 PAUT和RT現(xiàn)場檢測的優(yōu)劣

PAUT比RT檢測安全性高。RT檢測時，存在一定的電離輻射，要保持一定的安全距離。而PAUT安全，可與施工機組交替作業(yè)，不需要其他工作人員撤離現(xiàn)場，也不影響施工進度。射線檢測出結果慢，射線檢測分為現(xiàn)場拍片、暗室洗片、評片，耗時久。任何一個環(huán)節(jié)出錯，就會導致底片質量不合格，包括底片劃傷、黑度過高或過低、水跡污染等問題導致重拍。而采用PAUT檢測，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集一般只需幾分鐘，并可初步評判有無缺陷，如果存在明顯缺陷可就地畫出返修位置通知返修。PAUT靈活性高，設備較輕，攜帶方便。而RT設備沉重，RT設備有機頭、爬行器等，在現(xiàn)場需要好幾個人配合。PAUT對人員操作要求高，PAUT儀器需要經(jīng)常校準，采集的數(shù)據(jù)不應存在掃偏、丟失的現(xiàn)象，應保持良好的連貫性。RT檢測操作簡單，對人員要求低一些。

4 結語

PAUT對缺陷的檢出率相對較高。對層間未熔合類缺陷，RT檢測存在一定的漏檢，而PAUT能夠很好的檢出。RT檢測對體積型缺陷有很高的檢出率，如氣孔、夾渣等。對面積型缺陷則受透照角度、缺陷位置等因素影響，檢出率較低。射線檢測能確定缺陷的平面投影，能對缺陷的大小進行定量，同時能夠較準確地判別缺陷的性質。但不能確定缺陷的深度及自身高度。PAUT與RT相比，PAUT對面積型缺陷檢出率高，能實現(xiàn)缺陷的三維定量(長度、深度、高度)，但偶爾會出現(xiàn)漏檢焊縫內部較小的體積型缺陷。兩種檢測方法是可以互補的，任何一種檢測方法不能百分百的把缺陷檢出?？梢愿鶕?jù)實際需要，選擇適當?shù)臋z測方法。