油氣管道環(huán)焊縫數字化無損檢測技術及應用

趙賞鑫

國家石油天然氣管網集團有限公司建設項目管理分公司，河北廊坊 065000

1 數字化無損檢測技術

1.1 AUT檢測技術

AUT檢測技術（自動超聲檢測）采用分區(qū)掃查法，同時輔以TOFD和B掃描技術，將焊縫從壁厚垂直方向分成若干個分區(qū)，每個分區(qū)高度一般為2～3 mm，每個分區(qū)針對坡口未熔合采用獨立的檢測方案，檢測結果以數字化形式實時顯示、存儲，能夠快速地反饋全自動焊焊接質量，避免因焊接參數不當而導致大量缺陷的產生[1-5]。

AUT檢測技術根據全自動焊口易出現的坡口未熔合缺陷制定檢測方案，對每個位置的未熔合缺陷均有較高的檢出率。RT采用膠片成像，當缺陷角度與射線角度偏差大于15°時檢測靈敏度急劇下降，對全自動焊根部未熔合缺陷檢出率較低。AUT和RT對根部未熔合檢測情況如圖1所示，AUT顯示該焊口存在根部未熔合，而RT顯示為Ⅰ級片，通過切片顯示該位置存在根部未熔合，AUT檢出缺陷而RT漏檢。

圖1 AUT和RT對根部未熔合檢測情況

通過對國內某工程2 708道管道全自動焊缺陷焊口進行統(tǒng)計，發(fā)現全自動焊最主要的焊口缺陷類型為未熔合，缺陷類型及所占比例如表1所示。

表1 全自動焊缺陷類型統(tǒng)計

基于全自動焊口缺陷類型特點，目前在建和新建項目所有全自動焊焊口均推薦采用100%AUT無損檢測，對特殊地段焊口，根據設計要求增加100%RT檢測。

1.2 PAUT檢測技術

PAUT檢測是根據設定的延遲法則，激發(fā)相控陣陣列探頭各獨立壓電晶片（陣元）合成聲束，并實現聲束的移動、偏轉和聚焦等功能，再按一定的延遲法則接收超聲信號，并以圖像的方式顯示被檢對象內部狀態(tài)的超聲檢測技術。長輸管道PAUT檢測主要采用扇形掃查，即利用一組固定晶片在多角度范圍內（35°～70°）掃查，實現檢測區(qū)域的全覆蓋。沿焊縫周向掃查一周，即可完成整個焊縫及熱影響區(qū)的檢測，檢測結果以數字化形式實時顯示、存儲，缺陷檢出率高。

PAUT檢測可以在聲場中不同空間位置的某一點形成聚焦，增強了對焊縫中細小缺陷的檢測能力，與傳統(tǒng)UT檢測技術相比，PAUT能夠在探頭不移動的條件下實現多個不同波束角度的高靈敏度聚焦掃查，其效果相當于多種角度的常規(guī)探頭同時工作，檢測靈敏度很高。同時，PAUT檢測采用機械掃查，通過編碼器對掃查位置進行記錄，能夠實現檢測數據的準確定位和實時存儲?；赑AUT檢測的特點，PAUT主要用于返修口、連頭口及非自動焊口的檢測，PAUT檢測結果顯示如圖2所示。

圖2 管道環(huán)焊縫PAUT檢測

1.3 DR檢測技術

DR檢測利用X射線的穿透特性和衰減特性，以X射線機為射線源，以線陣列或平板探測器替代傳統(tǒng)膠片作為X射線接收轉換裝置，檢測時X射線透照過被檢物體后，強度發(fā)生了改變，衰減后的射線光子被數個探測器接收轉換為可見光或電子，而后通過電路讀出并進行數字化處理，再將信號數據發(fā)送至計算機系統(tǒng)形成可顯示、分析處理和存儲的數字化圖像，檢測圖像可通過網絡直接上傳至工程項目管理系統(tǒng)。DR檢測如圖3所示，采用探測器的實時成像代替RT的膠片成像，主要用于返修口、連頭口及非自動焊口的檢測[5]。

圖3 管道環(huán)焊縫DR檢測

2 工程應用與質量控制

2.1 AUT檢測技術應用現狀

AUT檢測雖為自動化無損檢測技術，但仍需專業(yè)技術人員進行工藝方案制定、缺陷評判，在使用過程中仍存在一些人員、設備、標準及檢測工藝問題。從以往工程應用情況來看，AUT在工程應用中主要存在以下問題。

（1） 人員技能水平參差不齊。目前TSG Z8001—2019《特種設備無損檢測人員考核規(guī)則》中未規(guī)定AUT檢測人員取證要求，2015年以前由設備廠家對AUT檢測人員進行培訓。2015年以后國內長輸管道行業(yè)建立了AUT檢測人員培訓體系，針對長輸管道開展AUT檢測人員培訓。但入場檢測的AUT人員缺乏足夠的檢測經驗，對圖譜質量、典型缺陷的認識不足，工程初期存在校準圖靈敏度低、軌道偏移、耦合丟失超標、覆蓋超標等圖譜失效和錯漏評問題，圖譜失效問題如表2、圖4所示[6]。

（2）設備資源短缺及性能變化。2018年以前AUT設備均為國外產品，在設備供貨周期、售后等方面存在一定的滯后，根據國家管網在“十四五”期間的規(guī)劃要求，AUT檢測機組需求峰值約118個，目前在項目上作業(yè)的AUT機組約70個，尚有近40個AUT機組缺口。AUT檢測設備由電子元器件組成，在使用一定期限后，其線性指標會發(fā)生偏移，通道會損壞，甚至有些設備的電噪聲較大，影響評判。

表2 AUT圖譜失效統(tǒng)計

圖4 體積通道數據丟失、耦合丟失超標導致圖譜失效

（3）標準內容不完善。AUT檢測技術采用的標準是GB/T 50818—2013，標準中對體積通道是否參與評判、耦合通道設置要求、鋼管表面狀況導致耦合始終超標后的處理措施、數據有效性等要求，均未明確規(guī)定。

2.2 AUT檢測的質量控制措施

為保證AUT檢測技術應用的可靠性，需要針對AUT在工程中出現的問題制定專項質量控制措施，建立完善的油氣管道AUT檢測質量控制體系。以中俄東線天然氣管道工程為例，通過立項研究、工程應用試驗、爭議缺陷割口驗證等方式，制定了AUT檢測單位及人員入場管理措施，修訂完善了AUT檢測標準體系，建立了無損檢測數據第四方復評和遠程復評制度，有效保證了AUT檢測技術應用的可靠性。

（1）開展AUT工藝評定。通過開展《鋼質油氣管道環(huán)焊縫全自動超聲檢測工藝評定與認證方法》項目的研究，完成了缺陷檢出率統(tǒng)計軟件的設計，確定了對AUT檢測單位及AUT檢測機組的工藝評定程序及認證方法，制定了通用AUT工藝評定和專項AUT工藝評定標準文件[7]。通用AUT工藝評定是在檢測單位重復性試驗、溫度靈敏度試驗和可靠性試驗數據的基礎上（如圖5所示），通過缺陷檢出率統(tǒng)計分析，能夠對檢測單位的AUT檢測能力進行有效評價。專項AUT工藝評定是針對入場的AUT檢測機組開展的能力考核，在重復性試驗和可靠性試驗的基礎上，對入場的AUT檢測人員、檢測設備、校準試塊及檢測工藝進行有效驗證，以保證入場AUT檢測機組的能力水平[8]。專項AUT工藝評定如圖6所示。

圖5 通用AUT工藝評定項目示意

圖6 專項AUT工藝評定項目示意

（2）統(tǒng)一校準試塊設計加工。AUT校準試塊是AUT設備校準的必備工具，應根據焊接工藝規(guī)程中的坡口形式及尺寸進行設計加工。試塊加工周期一般為20 d，焊接工藝規(guī)程發(fā)布至焊工考試之間的時間間隔不能滿足試塊加工周期的要求。同時，不同檢測公司試塊設計圖紙不一，有時存在偏差，影響校準試塊加工進度及質量。為了保證AUT校準試塊的一致性，建設單位委托專業(yè)機構統(tǒng)一根據焊接工藝預規(guī)程開展校準試塊圖紙設計，并提前進行AUT校準試塊材料加工，根據各標段開工需求統(tǒng)一調配AUT校準試塊的加工順序，有效保證了AUT校準試塊的加工質量和入場時間。

（3）完善檢測標準體系。根據現場工程應用數據，制定了《油氣管道環(huán)焊縫全自動超聲檢測技術規(guī)定》，對以往AUT標準中未涉及的人員資質、工藝評定、工藝參數設置、耦合通道設置、數據有效性判定等要求予以明確，進一步加強AUT檢測標準執(zhí)行的有效性。此外，為保證AUT檢測設備的可靠性，明確要求定期對設備進行校驗，校驗合格的設備方能進入現場。

（4）開展無損檢測技術交底。為了統(tǒng)一現場檢測人員對標準的理解，在相關標準要求的基礎上，結合工程典型案例，建設單位組織對入場檢測人員、無損檢測監(jiān)理工程師、第四方檢測單位復評人員進行無損檢測技術交底，進一步細化并明確檢測過程中的關鍵指標及項目要求。

2.3 PAUT檢測應用現狀

（1）PAUT檢測技術采用聚焦和多角度范圍扇形掃查原理，與UT采用單一角度檢測原理相比，缺陷的反射回波更強烈，GB/T 32563—2016《無損檢測超聲檢測相控陣超聲檢測方法》僅規(guī)定了工藝方法，未明確驗收指標，工程應用初期沿用了Q/SY 06317.2《油氣儲運工程無損檢測技術規(guī)范第2部分：鋼制管道相控陣超聲檢測》中的PAUT驗收指標，該指標與UT的驗收指標一致，導致了過度返修，如圖7所示。

圖7 點狀缺陷返修

（2） PAUT是變壁厚焊口的主要檢測方式，目前新建項目采用等外徑、不等內徑錐孔型坡口（如圖8所示），變壁厚種類及錐孔長度多樣（長度多樣主要由割口所致）。針對不同的變壁厚坡口型式，需要采用不同的PAUT檢測方案，否則易漏檢，如圖9所示。

圖8 錐孔型坡口

圖9 不同錐孔長度下PAUT檢測漏檢

2.4 PAUT質量控制措施

（1）完善檢測標準體系。根據現場工程應用試驗數據，編制了《油氣管道工程相控陣檢測技術規(guī)定》，修訂了PAUT檢測標準中模擬試塊及驗收指標的要求，確定了點狀缺欠、線狀缺欠和密集缺欠的分類，提高了固定連頭口的驗收要求，避免了一般線路口的過度返修。為了統(tǒng)一現場檢測人員對標準的理解，在相關標準要求的基礎上，結合工程典型案例，對入場檢測人員和無損檢測監(jiān)理工程師進行無損檢測技術交底，進一步細化并明確檢測過程中的關鍵指標及項目要求。

（2）制定專項檢測方案。針對變壁厚焊口傳統(tǒng)倒角式內坡口的結構特點，結合坡口機加工工藝和PAUT檢測工藝要求，開展了《油氣管道工程變壁厚焊口內對齊方案研究》的課題研究，完成了錐孔型內坡口PAUT檢測工藝方案設計及試驗驗證，確定了PAUT檢測變壁厚焊口的最小錐孔長度。針對不同變壁厚種類制定了《變壁厚焊口PAUT檢測方案》，保證了變壁厚焊口PAUT檢測結果的可靠性。

3 結論與建議

數字化無損檢測技術在智慧管道建設過程中與傳統(tǒng)檢測技術相比優(yōu)勢明顯，在工程應用中也充分展現了無損檢測新技術缺陷檢出率高、檢測數據數字化采集、檢測結果實時存儲等特點，通過無損檢測質量控制體系的建立，有效保證了油氣管道數字化無損檢測的質量，但在以下方面仍存在不足：

（1）AUT檢測技術的應用受軌道安裝精度、二維平面成像不直觀等因素的影響，缺陷檢出率及缺陷評判不直觀，無法準確呈現缺陷在焊縫中的實際狀況。

（2）PAUT檢測技術的應用在缺陷定量方面仍存在不足，無法準確定量缺陷的實際高度，易造成缺陷的過度返修。

（3）當前DR缺陷評判依靠有經驗的檢測人員不斷調整圖像的灰度、對比度等圖像處理方法，來觀察缺陷的細節(jié)并進行識別判斷，整體判斷的質量與檢測人員的經驗、狀態(tài)等有關。

當前的數字化檢測技術雖然已經發(fā)揮了其自身優(yōu)勢，基本滿足智慧管道建設的需求，但由于檢測人員整體水平參差不齊，仍然需要多方單位參與數據的審核確認，以保證無損檢測評判結果的準確性。隨著深度學習算法和卷積神經網絡算法在圖像識別領域的廣泛應用，有必要開展無損檢測數據智能評判技術的研究，建立典型缺陷數據庫和缺陷識別模型，完成智能評判軟件的設計，并與工程項目管理系統(tǒng)相結合，實現數據上傳、缺陷評判和焊口檢測報告的同步完成。針對AUT檢測技術開展三維成像技術研究和PAUT檢測定量技術研究，完成AUT三維成像軟件的設計和PAUT定量方法的制定，以利于對焊口缺陷位置及尺寸進行準確評定，從而減少不必要的返修。