一種大壁厚直縫焊管無損檢測(cè)技術(shù)研究及工藝

姚洪昆，梁 棟，錢 勇

（渤海裝備南京巨龍鋼管有限公司，江蘇南京 210061）

0 引言

隨著鋼級(jí)、壁厚的提高，油氣管線輸送壓力提高，由于焊接缺陷導(dǎo)致的事故的破壞性增加。因此，對(duì)于高鋼級(jí)厚壁鋼管焊縫中存在的裂紋、未焊透等危害性缺陷的檢驗(yàn)尤其重要。

1 鋼板超聲波檢測(cè)工藝技術(shù)改進(jìn)

目前國(guó)內(nèi)鋼廠的鋼板質(zhì)量非常不穩(wěn)定，特別是板邊質(zhì)量和鋼板表面質(zhì)量較差，經(jīng)常出現(xiàn)批量的重皮、折疊、裂紋、結(jié)疤等缺陷。在我國(guó)已建成的輸送管線中，鋼板母材缺陷對(duì)管線的危害程度遠(yuǎn)大于焊縫缺陷，但國(guó)內(nèi)外管線標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼板的檢測(cè)只是控制母材分層缺陷，因此對(duì)鋼板的質(zhì)量控制應(yīng)有超前意識(shí)。但是許多管廠使用的國(guó)內(nèi)設(shè)備無自動(dòng)評(píng)定、記錄系統(tǒng)軟件，探頭檢測(cè)盲區(qū)較大，儀器性能不穩(wěn)定，使用效果無法滿足高標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.1 超聲波檢測(cè)工藝技術(shù)的特點(diǎn)

針對(duì)以上問題，渤海裝備南京巨龍鋼管有限公司研制出一套鋼板超聲波檢測(cè)系統(tǒng)，目前已在生產(chǎn)線使用，其在檢測(cè)過程中主要實(shí)現(xiàn)了以下5 個(gè)功能：①鋼板100%覆蓋分層缺陷檢測(cè)，保證檢測(cè)上、下表面盲區(qū)≤1.5 mm；②100%覆蓋板邊50 mm 范圍內(nèi)的非分層縱向、橫向缺陷檢測(cè)；③鋼板邊緣檢測(cè)盲區(qū)≤5 mm，板頭和板尾檢測(cè)盲區(qū)≤20 mm；④對(duì)所有檢測(cè)報(bào)警處實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴標(biāo)功能；⑤板探探傷系統(tǒng)通過軟件智能實(shí)現(xiàn)對(duì)每一張鋼板探傷曲線記錄進(jìn)行保存。

該系統(tǒng)檢測(cè)方式的特點(diǎn)：①采用雙晶縱波直探頭檢測(cè)、水膜接觸耦合方式，探頭分割面垂直于鋼板前進(jìn)方向；②采用橫波探頭檢測(cè)、水膜接觸耦合方式，探頭分橫向檢測(cè)和縱向檢測(cè)，即鋼板前進(jìn)探頭固定不動(dòng)。

1.2 鋼板超聲波檢測(cè)設(shè)備探頭布置

該檢測(cè)設(shè)備是目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)全自動(dòng)超聲波板體探傷設(shè)備，探頭的布局主要從鋼板邊部分層檢測(cè)、中部分層檢測(cè)、板邊縱向非分層檢測(cè)及板邊橫向非分層檢測(cè)（圖1），通道分布及數(shù)量見表1。

表1 通道分布及數(shù)量

圖1 鋼板超聲波檢測(cè)設(shè)備探頭布置

該系統(tǒng)采用國(guó)際先進(jìn)的自動(dòng)檢測(cè)評(píng)定、記錄軟件系統(tǒng)，儀器及探頭機(jī)械部分具有穩(wěn)定的性能，探頭檢測(cè)盲區(qū)小。兩側(cè)板邊各5 個(gè)分層探頭，主要控制鋼板板邊較小分層缺陷。兩側(cè)板邊各12 個(gè)橫波斜探頭，在滿足國(guó)內(nèi)外所有標(biāo)準(zhǔn)的前提下，增設(shè)板邊斜探頭裝置主要檢測(cè)鋼板板邊重皮、折疊、裂紋、結(jié)疤等缺陷（彌補(bǔ)了其他探傷設(shè)備在這方面的空白），但在高鋼級(jí)大壁厚產(chǎn)品質(zhì)量控制方面卻是必要的。

2 自動(dòng)超聲波探傷工藝技術(shù)改進(jìn)

在大壁厚鋼管的在線自動(dòng)超聲波探傷過程中，根據(jù)鋼管管徑、壁厚特點(diǎn)以及設(shè)備特性，主要進(jìn)行了以下3 個(gè)方面的改進(jìn)。

2.1 擴(kuò)徑前焊縫超聲波檢測(cè)技術(shù)的改進(jìn)

通過幾年的鋼管生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)高鋼級(jí)Ф1219×25.7/27.5/32 mm規(guī)格鋼管焊縫橫向缺陷的比例較大，因此有必要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格控制，特別是有些標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)徑后不能補(bǔ)焊，擴(kuò)徑后一旦發(fā)現(xiàn)缺陷鋼管就只能將鋼管降級(jí)或降廢，所以本次有針對(duì)性地改進(jìn)擴(kuò)徑前焊縫超聲波自動(dòng)探傷設(shè)備。

該設(shè)備為ECH01155 多通道自動(dòng)探傷儀，18 通道，儀器總增益大于80 dB，儀器重復(fù)頻率為500 Hz，循環(huán)頻率為500 Hz。探頭耦合方式采用水柱式，不受焊縫形貌、鋼管表面質(zhì)量狀況影響，干擾少、靈敏度高。改進(jìn)內(nèi)容主要有：不同探頭布置方式實(shí)現(xiàn)100%全焊縫的縱向缺陷、橫向缺陷的檢測(cè)；管端盲區(qū)小于100 mm，尤其對(duì)焊縫微裂紋有很高的檢出靈敏度，能顯示每個(gè)通道對(duì)樣管的校驗(yàn)記錄和生產(chǎn)檢驗(yàn)中各通道對(duì)每根鋼管的探傷結(jié)果；大壁厚鋼管探傷時(shí)采用串列式探頭可對(duì)焊縫中心未焊透缺陷進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外全壁厚和熱影響區(qū)范圍的檢測(cè)。

該設(shè)備具有激光自動(dòng)跟蹤、探傷準(zhǔn)確率高、缺陷定位精度高、穩(wěn)定性好、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)探傷記錄、打印探傷曲線、缺陷自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)噴標(biāo)定位等特點(diǎn)，可加裝特定探頭進(jìn)行相控陣探傷，實(shí)現(xiàn)C 掃描等更高精度、更精細(xì)的斷面逐層探傷。

該超聲波自動(dòng)探系統(tǒng)探頭分布見圖2。

圖2 擴(kuò)經(jīng)前超聲波自動(dòng)探探頭分布

2.2 擴(kuò)徑后焊縫相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)的改進(jìn)

擴(kuò)徑后超聲波自動(dòng)檢測(cè)是國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)要求必須的檢測(cè)工序，因此各種檢測(cè)方法都應(yīng)齊全且達(dá)到要求，設(shè)備的先進(jìn)性、穩(wěn)定性、可靠性以及評(píng)定記錄系統(tǒng)都應(yīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

渤海裝備南京巨龍鋼管有限公司采用的是德國(guó)開發(fā)的最新相控陣檢測(cè)技術(shù)，對(duì)鋼管的焊縫及焊縫兩側(cè)25 mm 的母材進(jìn)行檢測(cè)（圖3）。

圖3 擴(kuò)經(jīng)后相控陣超聲波自動(dòng)探探頭分布

目前該相控陣檢測(cè)技術(shù)在焊管行業(yè)里屬于首創(chuàng)，系統(tǒng)具有以下6 個(gè)特征：

（1）主要檢測(cè)焊接缺陷及焊縫兩側(cè)25 mm 相鄰母材等缺陷。

（2）探頭布置及掃查范圍可以滿足國(guó)內(nèi)外鋼管最大42 mm的焊縫及母材檢測(cè)。

（3）采用激光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤焊縫。

（4）具有耦合監(jiān)視和區(qū)別于缺陷波報(bào)警的聲光報(bào)警功能，采用軟件和底波閘門監(jiān)視底波耦合狀態(tài)，可以自動(dòng)區(qū)分識(shí)別探架升起無底波、耦合不良兩種狀態(tài)（即失波報(bào)警功能）。

（5）每個(gè)通道能夠絕對(duì)獨(dú)立，可實(shí)現(xiàn)縱、橫向缺陷，分層缺陷檢測(cè)；可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警并輸出到噴標(biāo)器，可遠(yuǎn)程操作等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

（6）具備分析功能的分析軟件：可在線或離線脫機(jī)工作，操作方便快捷；對(duì)全信息記錄的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)估，各個(gè)通道波形及檢測(cè)結(jié)果重現(xiàn)；可顯示檢測(cè)信息、通道功能及參數(shù)信息；可對(duì)單個(gè)通道進(jìn)行A 掃描方式顯示，便于對(duì)缺陷的分析和評(píng)估等功能。

2.3 串列式掃查工作原理

對(duì)于大壁厚鋼管焊縫內(nèi)部垂直鈍邊處的缺陷利用常規(guī)的檢測(cè)方式很難檢測(cè)出，因此，需要采用特殊的檢測(cè)方式，即串列式掃查，下面對(duì)串列式掃查進(jìn)行介紹。單側(cè)使用串列探頭，即兩個(gè)相控陣探頭一前一后，并以相同方向放置在鋼管焊縫同一側(cè)表面，一個(gè)相控陣探頭發(fā)射的聲波被缺陷反射，反射的回波經(jīng)底面反射進(jìn)入另一個(gè)探頭（圖4）。在相控陣超聲波自動(dòng)探傷過程中，因探頭與鋼管的耦合不好、探頭的不完整等現(xiàn)象，容易導(dǎo)致探傷失效。

圖4 串列式檢測(cè)示意

為了防止串列式探傷失效，在自動(dòng)探傷系統(tǒng)上匹配有耦合監(jiān)視功能，鋼管焊縫兩側(cè)對(duì)稱布置串列探頭，在沒有缺陷的情況下，2#探頭與3#探頭相互監(jiān)視，1#探頭與4#探頭相互監(jiān)視（圖5）。

圖5 串列式掃查耦合監(jiān)視示意

3 其他無損檢測(cè)技術(shù)的研究及建議

國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司成立后，鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)由該公司進(jìn)行了編制，對(duì)無損檢測(cè)的要求尤其嚴(yán)格。施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)焊縫對(duì)接后采用的檢測(cè)方式也有了很大提高，由原來的“常規(guī)超聲波檢測(cè)+環(huán)焊縫射線拍片檢測(cè)”，升級(jí)為“相控陣超聲波+TOFD檢測(cè)技術(shù)+DR 射線檢測(cè)技術(shù)”，該檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)保存檢測(cè)結(jié)果，可以隨時(shí)調(diào)出檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行復(fù)審，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)結(jié)果永久性存儲(chǔ)的目的。其中，TOFD 為Time Of Flight Diffraction 的縮寫，即超聲波衍射時(shí)差法；DR 為Direct Radiography 的縮寫，即射線檢測(cè)。

目前，國(guó)內(nèi)鋼管廠的鋼管管端探傷為人工手探，人工手探隨著人員技術(shù)水平差異、工作狀態(tài)等不可控的因素較多，易導(dǎo)致鋼管檢測(cè)的漏檢。人工手探也很難實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過程中的監(jiān)控，對(duì)檢測(cè)過后的結(jié)果無法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存和檢測(cè)后的復(fù)審。

結(jié)合國(guó)家管網(wǎng)最新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)焊縫檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，為了達(dá)到制管廠鋼管管端檢測(cè)與施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)焊縫檢測(cè)手段的一致性和方便檢測(cè)結(jié)果復(fù)審和存儲(chǔ)的目的。建議鋼管制造廠的鋼管管端探傷由現(xiàn)在的人工手探改用自動(dòng)探傷，自動(dòng)探傷采用相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)，避免人的干擾影響最終的檢測(cè)結(jié)果，降低現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量異議。表2 為施工現(xiàn)場(chǎng)及工廠內(nèi)檢測(cè)對(duì)比內(nèi)容。

表2 施工現(xiàn)場(chǎng)及工廠內(nèi)檢測(cè)對(duì)比