魏增安 楊 濤 長慶油田分公司建設(shè)工程處

高壓大口徑厚壁油氣輸送管對接環(huán)焊縫無損檢測方法探討

魏增安 楊 濤 長慶油田分公司建設(shè)工程處

目前國內(nèi)的油氣管網(wǎng)遠不能滿足我國經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境建設(shè)對石油、天然氣運輸?shù)男枨?，因此，我國除了目前建設(shè)的西氣東輸二線、中亞管線等大型工程以外，還將陸續(xù)建設(shè)一批國內(nèi)能源干線和延伸到國外的長輸管線，為了節(jié)約材料和提高輸送效率，這些管線都在朝著高壓、大口徑、厚壁的方向發(fā)展。這就給作為保證管道焊接質(zhì)量重要手段的無損檢測工作帶來了新的課題，國外在高壓大口徑厚壁油氣輸氣管線焊縫缺陷評定方法技術(shù)方面已開發(fā)出一系列新技術(shù)并在管線建設(shè)工程中得到了成功應(yīng)用，有效地提高了管線環(huán)焊縫焊接缺陷的檢測可靠性，減少了管線環(huán)焊縫失效事故，而國內(nèi)在這方的工作相對滯后。因此，本文將就目前可以用于高壓大口徑厚壁輸送管對接環(huán)焊縫無損檢測的方法進行一些初步的探討，以期對從業(yè)人員有所幫助。

大口徑；厚壁；油氣輸送管；環(huán)焊縫；無損檢測

1、目前大口徑厚壁環(huán)焊縫無損檢測中存在的問題

概括起來說，我國目前在高壓大口徑厚壁對接環(huán)焊縫無損檢測中存在著以下幾個方面的問題：

1）對大壁厚連頭環(huán)焊縫而言，X射線檢測已接近現(xiàn)有設(shè)備能力的上限，裂紋漏檢率高；

2）適合于大口徑厚壁接頭的新型檢測方法太少；

3）已有的超聲檢測儀器設(shè)備配置欠缺配套試驗的研究；

4）超聲檢測人員對環(huán)焊縫缺陷反射波有效識別不準確；

5）對大口徑大壁厚焊縫缺陷回波反射規(guī)律不了解；

6）專用的超聲檢測評定方法技術(shù)和判廢標準不完善。

因此，我國石油工業(yè)須加大對接環(huán)焊縫危害性缺陷的檢測技術(shù)工藝評定方法的研究，優(yōu)選有效的無損檢測方法、儀器和裝置，提高大口徑大厚壁油氣輸氣管線焊縫檢測的可靠性，確保管線的安全運行。

2、大口徑厚壁環(huán)焊縫中常見的焊接缺陷

大口徑壁厚環(huán)焊縫中常見焊接缺陷有氣孔、夾渣、裂紋、未熔合和未焊透等，按其形狀不同可分為平面型缺陷和體積型缺陷，其中裂紋、未熔合和未焊透屬于平面型缺陷，對焊縫質(zhì)量危害很大，氣孔和夾渣屬于體積型缺陷。下面對這幾種常見的缺陷進行分析，以便于對其的判別。缺陷的類型是判斷缺陷對構(gòu)件危害程度的重要因素。

1）裂紋 在焊縫和熱影響區(qū)都會出現(xiàn)，分為宏觀裂紋和顯微裂紋，危害非常大。其原因是焊接過程中產(chǎn)生了較大的內(nèi)應(yīng)力，同時焊縫中含有低熔點雜質(zhì)，如FeS、FeP，當外界應(yīng)力較大時就會從結(jié)合力較弱的這些低熔點雜質(zhì)處裂開，形成裂紋；或者由于過熱區(qū)和融合區(qū)的塑性和韌性很低、焊縫金屬中含有較多的氫，當結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大時，容易產(chǎn)生冷裂紋。裂紋是最尖銳的一種缺口，它的缺口根部曲率半徑接近于零，尖銳根部有明顯的應(yīng)力集中，當應(yīng)力水平超過尖銳根部的強度極限時，裂紋就會擴展，以至貫穿整個截面而造成結(jié)構(gòu)失效。特別是當焊接接頭處于脆性狀態(tài)時，裂紋的擴展速度極快，造成脆性破裂事故。裂紋還會加劇疲勞破壞和應(yīng)力腐蝕破壞。

2）氣孔 焊接現(xiàn)場出現(xiàn)的主要焊接缺陷之一，是焊縫金屬凝固過程中由于侵入氣體而形成的氣囊或空穴，造成結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性。氣孔、夾渣等體積性缺陷的危害性主要表現(xiàn)為降低焊接接頭的承載能力。如果氣孔穿透焊縫表面。介質(zhì)積存在孔穴內(nèi)，當介質(zhì)有腐蝕性時，將形成集中腐蝕，孔穴逐漸變深、變大，以至腐蝕穿孔而泄漏。夾渣邊緣如果有尖銳形狀，還會在該處形成應(yīng)力集中。

3）未熔合 是由于電弧未能直接在母材上燃燒，焊絲熔化的鐵水只是堆積在上一層焊道或坡口表面上而形成的。是一種幾乎沒有厚度的面狀缺陷，其直接危害是減少截面，增大應(yīng)力，對承受疲勞、經(jīng)受沖擊、應(yīng)力腐蝕或低溫下工作都非常不利。主要形式有層間未熔合和單側(cè)點狀未熔合，并出現(xiàn)在平、立焊位置，長度不一。未熔合和未焊透等缺陷的端部和缺口是應(yīng)力集中的地方，在交變載荷作用下很可能生成裂紋。

4）咬邊 屬焊縫成形缺陷之一，是由母材金屬損耗引起的、沿焊縫焊趾產(chǎn)生的溝槽或凹縫，是電弧沖刷或熔化了近縫區(qū)母材金屬后，又未能填充的結(jié)果。咬邊嚴重影響焊接接頭質(zhì)量及外觀成型，使得該焊縫處的截面減小，容易形成尖角，造成應(yīng)力集中，該處斷裂的可能性最大。咬邊是一種危險性較大的外觀缺陷。它不但減少焊縫的承壓面積，而且在咬邊根部往往形成較尖銳的缺口，造成應(yīng)力集中，很容易形成應(yīng)力腐蝕裂紋和應(yīng)力集中裂紋。因此，對咬邊有嚴格的限制。

5）未焊透 是指焊接時接頭根部未完全焊透的現(xiàn)象?？赡墚a(chǎn)生在單面或雙面焊的跟部、坡口表面、多層焊焊道之間或重新引弧處。它相當于一條裂紋，當構(gòu)件受到外力作用時刻能擴展成更大的裂紋，使構(gòu)件破壞。產(chǎn)生未焊透的原因是：焊接電流小、焊接速度大、破口角度和間隙小、操作不當、焊接接頭表面有油污、漆、鐵銹等。

6）條狀夾渣 是指存在于焊縫內(nèi)部的長寬比較大的夾渣，條狀夾渣的危害性比點狀夾渣嚴重得多。造成原因很多，主要有焊件表面焊接前清理不良（如油、銹等）、焊層間清理不徹底（如殘留熔渣）、焊接電流太小或融化金屬凝固太快及焊速太快使熔渣沒有充足的時間上浮、操作不當、焊條藥皮受潮及焊接材料選擇不合適等。

3、目前國內(nèi)環(huán)焊縫檢測的主要方法及特點

國內(nèi)長輸管道的無損檢測方法主要有射線、超聲波、磁粉和液體滲透四種。射線和超聲波檢測是最為常用的管道環(huán)焊縫檢測方法;磁粉和液體滲透檢測法主要適用于焊縫表面或近表面缺陷的檢查,在長輸管道中主要用于異型管件的連接焊縫探傷,在現(xiàn)場環(huán)焊縫檢測上使用較少。主要使用射線和超聲波兩種探傷方法。

1)射線檢測 射線檢測是利用射線檢查焊縫內(nèi)部缺陷的一種無損檢測方法。按使用的射線源劃分,又分為X射線探傷和γ射線探傷兩種。X射線探傷是利用探傷儀在管道外側(cè)采用雙壁單影法或雙壁雙影法進行透照，分段曝光，其優(yōu)點是顯示缺陷的靈敏度較γ射線高，不受地形限制，平原地段、大坡度山區(qū)段以及對死口連頭段均可適用；缺點是設(shè)備復(fù)雜、操作不便、效率低、費用高。γ射線探傷是利用爬行器在管道內(nèi)部進行內(nèi)透照全周向一次性曝光，優(yōu)點是透視時不需電源，在野外條件下使用方便，設(shè)備輕巧、操作簡單、效率高；缺點是顯示缺陷的靈敏度較X射線小，不適用于大坡度山區(qū)段和對死口連頭段環(huán)焊縫檢測。

2)超聲波檢測 超聲波檢測是利用超聲波探測材料內(nèi)部缺陷的一種無損檢測方法。按操作模式具體又分為手工超聲波探傷和全自動超聲波探傷兩種。手工超聲波檢測是一種傳統(tǒng)的探傷方式，國內(nèi)長輸管道無損檢測方法中的超聲波檢測一般就是指的手工超聲波檢測。管道全自動超聲波檢測是國內(nèi)剛剛興起的一種檢測方法，相比傳統(tǒng)的手工超聲波檢測具有一些明顯的優(yōu)點和適用條件。

3）兩種無損檢測方法的技術(shù)和優(yōu)缺點比較

由于射線檢測和超聲波檢測的原理不同,因此各具特點。對于射線探傷,通過工程實踐證明,是一種理想的探傷方式,其結(jié)果直觀、準確,并具有可追溯性。尤其是管道射線爬行器探傷方法的應(yīng)用,在大大提高探傷速度的同時,也大幅度降低了探傷成本。這種方法在近幾年建成的澀寧蘭、蘭成渝等多條管線中都得到了大量應(yīng)用,并獲得良好的經(jīng)濟技術(shù)效果。

理論上超聲波檢測為一種理想的探傷方式,但在以往的實際應(yīng)用中超聲波存在以下兩點缺點: ①受人為因素(包括操作因素和經(jīng)驗判定因素)影響較大，②原始記錄無法保存,不可追溯。這兩大不足之處使超聲波檢測的可信度和使用受到很大影響。但由于超聲檢測的靈敏度比射線檢測的靈敏度大得多。如果采用適當?shù)姆椒ǎ暡ㄟ€是可以取得優(yōu)于射線檢測的檢測效果。以往超聲波檢測主要采用A型脈沖反射式超聲波探傷儀進行手工探傷。進入80年代，出現(xiàn)了數(shù)字型A型脈沖反射式探傷儀，從技術(shù)上講前進了一步，實現(xiàn)了數(shù)字化脈沖顯示，可以對反射波進行存儲、打印。目前，它已經(jīng)改進為全自動超聲波探傷儀，逐漸采用相控陣技術(shù)，可實時檢測、存儲探傷數(shù)據(jù)，打印完整的彩色掃查圖，可刻寫數(shù)據(jù)光盤對數(shù)據(jù)進行備份。全自動超聲波探傷儀采用A掃描、B掃描和TOFD3種方式，實現(xiàn)了缺陷圖像彩色顯示。

4、可用于高壓大口徑厚壁環(huán)焊縫的新型無損檢測方法

1）射線爬行器檢測 工業(yè)管道射線爬行器進行中心法透照法檢驗。其主要優(yōu)點為靈敏度高，工作效率高，一次曝光就可以完成一個對接焊縫的檢驗工作。其原理是：爬行器的在管道內(nèi)運動時，接到指令源的信息后，通過CPU處理，確定前進、后退、停止、曝光。通過指令源的控制完成各種操作。國外發(fā)達國家的焊縫射線檢測目前廣泛采用實時射線照相技術(shù)，非常適用于自動化，便于自動控制。但是這種技術(shù)還不能完全替代膠片射線照相方式。

2）自動超聲波檢測該技術(shù)是在1977年，由Silk根據(jù)超聲波衍射現(xiàn)象提出來。該方法是脈沖反射法和射程衍射時間法（TOFD）的相結(jié)合。脈沖發(fā)射技術(shù)確保高的檢出概率，而射程衍射時間法可精確地確定臨界尺寸的大小。

意大利AEA sonovatiion公司在TOFD應(yīng)用方面，已經(jīng)有15年歷史。此技術(shù)首先是應(yīng)用于核工業(yè)設(shè)備在役檢驗，現(xiàn)在在核電、建筑、化工、石化、長輸管道等工業(yè)的厚壁容器和管道方面多有應(yīng)用。TO FD技術(shù)的成本是脈沖回聲技術(shù)的1/1 0。現(xiàn)在，TOFD檢測技術(shù)在西方國家是一個研究熱點，現(xiàn)在已經(jīng)開始推廣應(yīng)用。經(jīng)過幾年以后，將有取代R T趨勢的可能。

TOFD是一種依靠從待檢試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)（主要是指缺陷）的“端角”和“端點”處得到的衍射能量來檢測缺陷的方法，也叫“裂紋端點衍射法”或“尖端反射法”。其探傷原理見圖1，發(fā)射探頭和接收探頭按一定間距相向放置，盡可能使被檢缺陷處于兩探頭間距中點正下方，然后使小晶片發(fā)射探頭向被檢焊縫發(fā)出一束指向角足夠大的斜射縱波聲束(折射角宜在60°～75°)。此聲束可充分覆蓋整個板厚范圍內(nèi)的焊縫體積，若在缺陷上下端部能產(chǎn)生衍射波(簡稱上端波和下端波)并被同尺寸、同頻率的接收探頭接收到，則根據(jù)沿探測面?zhèn)鞑サ膫?cè)向波(Lateralw ave)與由缺陷上下端部產(chǎn)生的衍射波以及底面回波(簡稱底波)到達接收探頭的傳播時間差與聲速的關(guān)系，即可準確地測出缺陷(如裂紋)的埋藏深度和自身高度。

TOFD法有賴于超聲波與缺陷端部的相互作用。相互作用結(jié)果會在較大角度范圍發(fā)射衍射波。檢出衍射波就能確定缺陷的存在。信號傳播時間差就是缺陷高質(zhì)量值。缺陷尺寸根據(jù)衍射信號的傳播時間而非幅度來測量。因此說TOFD 法是焊縫探傷缺陷定位、定量、定性的一種有效技術(shù)。

歐洲標準化委員會(CEN)于2000年發(fā)布了有關(guān)用超聲TOFD法探傷和定量的標準草案ENV583—6:2000。有關(guān)TOFD法的第一份標準BS7706:1993是英國提出的。近兩三年相繼發(fā)布的有關(guān)標準還有美國ASME 2235:2001和日本的NDIS 2423:2001。

圖1 TOFD原理和AC波形圖

TOFD技術(shù)缺陷檢出能力強，缺陷定位精度高，節(jié)省設(shè)備的制造時間，安全，檢測數(shù)據(jù)可以用數(shù)字形式永久保存。與常規(guī)的脈沖回聲檢測技術(shù)相比，TOFD在缺陷檢測方面與缺陷的方向無關(guān)。在安全上，不需要一個安全的獨立的操作空間，因此可以在不中斷工藝生產(chǎn)的情況下進行檢測，節(jié)約設(shè)備制造時間。當然，TOFD也存在很多局限性：在位于表面下幾毫米處存在一個“盲區(qū)”。同樣，近內(nèi)壁的TOFD信號也不清晰。并且TOFD有“過分強調(diào)”中壁信號的傾向。TOFD波幅很低，可能會被漏掉。

自動超聲波探傷技術(shù)相比射線探傷優(yōu)點在于：

I．檢測速度快,每道口掃描只需幾分鐘，最快每天能達到100道焊口；

II．自動超聲波技術(shù)可以測出裂紋穿透管壁的徑向尺寸，而射線探傷只能測出缺陷長度；

III．自動化焊接工藝一般要求特殊坡口設(shè)計，具有斜交面特征,射線探傷很難檢查出取向錯誤區(qū)的未熔合缺陷；

IV．自動化超聲波技術(shù)能夠快速檢測并得到結(jié)果，并有利于缺陷分析和臨界缺陷尺寸的判定評估。近十年在北美地區(qū),自動超聲波探傷技術(shù)在管道工程中得到了廣泛的應(yīng)用,是一種比較成熟的技術(shù)，如穿越加拿大管線工程和A lliance自動焊接環(huán)焊縫都采用了這種檢測技術(shù)。隨著國內(nèi)大口徑、高壓力管道的陸續(xù)上馬，以及全自動焊技術(shù)在這些管道上的普及應(yīng)用，全自動超聲波檢測技術(shù)必將成為未來的發(fā)展趨勢。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.086