文 毅，馮 強(qiáng)，李 燕

（1.四川科特石油工業(yè)井控質(zhì)量安全監(jiān)督測評中心，廣漢 638300；2.塔里木油田公司，庫爾勒 841000）

某油田處理廠近年曾連續(xù)發(fā)生兩起因管道焊縫腐蝕導(dǎo)致的泄漏。如何運(yùn)用超聲檢測發(fā)現(xiàn)管道焊縫腐蝕，是管道在役檢測急需解決的問題。超聲檢測對缺陷定性主要依賴于檢測人員的經(jīng)驗及技術(shù)水平，是通過超聲檢測回波在焊縫上的水平和深度位置、回波的波高、波形等特點來判斷。筆者通過超聲檢測技術(shù)對管道焊縫腐蝕試樣進(jìn)行了反復(fù)檢測試驗總結(jié)，找出超聲波檢測管道焊縫腐蝕的各種特點。

1 管道焊縫腐蝕后的結(jié)構(gòu)特點

焊縫在各種腐蝕原因的作用下，如母材和焊縫之間由于各種化學(xué)成分、金相組織等的差別形成的電位差，在介質(zhì)的作用下，加速焊縫腐蝕；焊縫本身存在缺陷，在介質(zhì)的作用下，發(fā)生焊縫腐蝕；以及在安裝過程中的強(qiáng)力裝配焊接，形成較大的焊接應(yīng)力，加速焊縫腐蝕等[1]，容易造成焊縫腐蝕速度大于母材，形成溝槽。在母材和焊縫熔合處形成一條腐蝕輪廓，該輪廓猶如未焊透母材的鈍邊，但并不像鈍邊那樣規(guī)則整齊，而是凹凸不平的。如圖1所示。

圖1 管道焊縫腐蝕

2 影響焊縫腐蝕回波信號的因素

單面焊雙面成型的焊縫發(fā)生腐蝕后，會在管道母材與焊縫兩側(cè)熔合線處形成兩條輪廓，超聲波遇此輪廓后就會形成端角反射，被超聲檢測儀接收，在顯示屏上出現(xiàn)回波信號。能否發(fā)現(xiàn)焊縫腐蝕與所用超聲探頭的K值和腐蝕形成的端角規(guī)整程度有關(guān)。

2.1 大K值探頭端角反射率

根據(jù)端角反射的理論[2]，當(dāng)入射角在35°～55°，即K值在0.7～1.43時，端角反射率達(dá)100%。當(dāng)入射角不小于56°，即K不小于1.5時，檢測靈敏度較小。但很多管道壁厚通常在10 mm左右，不適合用較小K值的探頭進(jìn)行探傷，K值選擇多在2.0～2.5之間。通過研究橫波端角反射率，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)入射角在60°時并不是沒有反射，只是反射率較低，在15%左右；而當(dāng)入射角等于63.5°，即K值為2時，反射率在30%左右；當(dāng)入射角等于68°，即K值為2.5時；反射率達(dá)到60%左右。也就是說，在使用大K值（K 2，K 2.5）探頭檢測焊縫腐蝕時，端角反射率在30%以上，能夠接收到根部的回波。

圖2 橫波端角反射率

2.2 端角腐蝕規(guī)整度的影響

端角反射原理如圖3所示。當(dāng)在A點或者B點發(fā)生腐蝕，超聲波探頭發(fā)射一束聲波到達(dá)A和B時，因為反射面的凹凸不平，一部分聲束將發(fā)生散射，如圖3（b）所示，只有部分反射波信號能夠被探頭接收。由于接收的反射波信號減少，所以回波波高就比完好端角反射的波高要低。

3 管道焊縫腐蝕回波信號的識別

3.1 焊縫腐蝕與其他缺陷信號的差異

超聲波檢測單面焊雙面成型管道焊縫時，根部出現(xiàn)的缺陷主要有未焊透、裂紋、焊瘤、夾渣、氣孔和腐蝕等。

圖3 端角反射原理

焊縫兩側(cè)對裂紋類缺陷探傷時，水平定位在同一位置。焊縫兩側(cè)對焊瘤探傷時，水平定位將出現(xiàn)交叉，偏向于焊縫中心對側(cè)，在焊縫中連續(xù)出現(xiàn)的可能性較小。點狀夾渣的回波信號與點狀氣孔相似，斜探頭從不同方向探測，反射波高不同。條狀夾渣的回波信號多呈鋸齒狀，回波寬而帶有多個波峰，探頭橫向移動時，各個波峰的高度隨之發(fā)生變化。由于夾渣內(nèi)部含有非金屬或金屬物，聲阻抗變化相對較小，所以回波低。氣孔缺陷波形穩(wěn)定、尖銳，進(jìn)行環(huán)繞掃查時波高較為穩(wěn)定，探頭移動很快便消失，沒有指示長度[3]。

根部未焊透與焊縫腐蝕的信號回波相似。根部未焊透回波的特點是熔敷金屬未完全熔化母材，在母材根部形成了端角。進(jìn)行超聲檢測時在根部同樣會出現(xiàn)端角反射。根據(jù)這個特點，為了解未焊透與焊縫腐蝕回波波高的關(guān)系，利用一塊完好的試塊端角反射模擬未焊透信號與其進(jìn)行對比。試塊壁厚與焊縫腐蝕的管道壁厚同為12 mm，分別采用K 1.5，K 2，K 2.5探頭做好距離－波幅曲線。通過試驗發(fā)現(xiàn)，不論是完好試塊或者焊縫腐蝕的管道，其端角反射回波高低與K值有較大關(guān)系，反射回波都比較容易被發(fā)現(xiàn)。試塊端角反射的波高高于判廢線10 dB以上，而焊縫腐蝕的管道反射回波處于Ⅱ區(qū)或者稍超過判廢線，如表1所示。

表1 端角反射回波波高對比

3.2 管道焊縫腐蝕信號判定

通過分析焊縫腐蝕后的結(jié)構(gòu)特點，發(fā)現(xiàn)其回波在焊縫的水平和深度位置與根部未焊透類似。水平位置位于焊縫中心線部位偏向于母材一側(cè)；深度位于工件根部，兩側(cè)檢測時不重合，有一定的間隙，如圖4所示。根部未焊透波形穩(wěn)定，橫向移動時波幅無變化或者很小，而焊縫腐蝕回波波形和波幅有一定的變化。焊縫腐蝕回波高度要比根部未焊透低很多，一般處于距離－波幅曲線中的II區(qū)或稍超過判廢線。利用回波在焊縫中的水平和深度位置、回波高度較低和橫向移動時波形變化等特點可以判定焊縫是否存在腐蝕現(xiàn)象。

圖4 超聲檢測分析圖

管道的腐蝕是多樣化的，在超聲檢測懷疑存在焊縫腐蝕時，應(yīng)運(yùn)用多種檢測方法進(jìn)行復(fù)核。如采用射線檢測技術(shù)對焊縫進(jìn)行透照，根據(jù)底片的黑度差，能夠直接判定其腐蝕情況；運(yùn)用超聲衍射時差法（TOFD），通過觀察底面反射波的變化來判斷根部情況。

4 典型應(yīng)用

某油田處理廠內(nèi)原料氣（含H2O，CL－等）管道總長229.7 m，管道規(guī)格φ323 mm×14 mm，材質(zhì)為20 G，設(shè)計壓力10 MPa，使用壓力7.6 MPa，常溫，管道級別GC1，使用年限3年。根據(jù)《在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程》編制檢驗方案，著重檢測管道彎頭和三通壁厚，壁厚檢測抽檢比例為50%，對管道焊縫超聲檢測抽檢比例為15%。在對管道壁厚檢測過程中發(fā)現(xiàn)管道局部存在腐蝕，超聲檢測抽檢管道環(huán)焊縫有反射回波，波幅位于DAC曲線Ⅱ區(qū)，兩側(cè)檢測都能收到回波，兩側(cè)定位有一定的間隙，水平移動時波幅不穩(wěn)定。由于一時無法判定該缺陷性質(zhì)，將抽檢比例擴(kuò)大到30%后，發(fā)現(xiàn)共有4條環(huán)焊縫都存在這種情況。經(jīng)射線檢測復(fù)查確定，這4條環(huán)焊縫都存在腐蝕，引起運(yùn)行方的高度重視，要求判定該腐蝕的嚴(yán)重情況。通過TOFD檢測發(fā)現(xiàn)該焊縫出現(xiàn)雙底波，最大量為4.0 mm。根據(jù)GB 50316－2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，該管道強(qiáng)度校核計算壁厚為10.72 mm。建議運(yùn)行方監(jiān)控使用。一年后廠內(nèi)檢修，將其更換，管道部分焊縫腐蝕深度已達(dá)6 mm左右。

5 結(jié)語

由于超聲檢測無法直接對缺陷進(jìn)行定性，故缺陷的定性取決于檢測人員的經(jīng)驗及技術(shù)水平。但是通過了解焊縫的結(jié)構(gòu)和回波特點，是可以檢測出這類缺陷的。實踐證明，超聲波檢測能夠判斷管道焊縫是否存在腐蝕，但應(yīng)充分了解管道的材質(zhì)、輸送的介質(zhì)、焊縫坡口形式和焊接工藝等，運(yùn)用超聲檢測判定，最后運(yùn)用多種方法進(jìn)行復(fù)核。

[1]賴春曉.焊縫腐蝕的原因和解決方法[J].全面腐蝕控制，2004，18（6）：10－12.

[2]中國特種設(shè)備檢驗協(xié)會編寫.超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

[3]曹剛，朱思民.焊縫超聲波檢測回波信號分析[J].無損檢測，2004，26（10）：533－536.