張雙楠，龐笑，楊宏宇，朱子?xùn)|，羅旭

1.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧沈陽(yáng)110016

2.沈陽(yáng)龍昌管道檢測(cè)中心，遼寧沈陽(yáng)110034

3.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都610500

油氣管道維修中搭接焊縫超聲B掃描檢測(cè)方法與設(shè)備

張雙楠1，龐笑2，楊宏宇2，朱子?xùn)|2，羅旭3

1.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧沈陽(yáng)110016

2.沈陽(yáng)龍昌管道檢測(cè)中心，遼寧沈陽(yáng)110034

3.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都610500

針對(duì)油氣管道破裂維修過(guò)程中形成的B型套筒搭接焊縫尚缺少有效的超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備的問(wèn)題，文章提出了一種新的搭接焊縫超聲檢測(cè)方法，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的超聲B掃描檢測(cè)系統(tǒng)，從檢測(cè)方法、檢測(cè)系統(tǒng)的組成和工作原理、檢測(cè)系統(tǒng)功能的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)等方面進(jìn)行了論述。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效檢測(cè)出試樣上的預(yù)埋缺陷，具有良好的探傷效果及應(yīng)用前景。

油氣管道；搭接焊縫；超聲B掃描；掃查器；檢測(cè)方法；設(shè)備

0 引言

截至2010年底，我國(guó)已建油氣管道總長(zhǎng)度達(dá)到約8.2萬(wàn)km，其中包括天然氣管道、原油管道和成品油管道，預(yù)計(jì)2015年我國(guó)油氣管道總長(zhǎng)度將超過(guò)11萬(wàn)km。隨著管道運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，管道逐年老化，部分進(jìn)入了老年期的管道穿孔破裂泄漏事故增加，維修量增加。在各類維修方法中，B型套筒搭接焊（見(jiàn)圖1）因效果好、成本低而被列入管道維修標(biāo)準(zhǔn)中[1]。當(dāng)采用B型套筒加護(hù)管道缺陷處時(shí)，會(huì)在套筒端部與管道壁間形成兩條搭接焊縫，這種搭接焊縫與常見(jiàn)的對(duì)接焊縫不同，是一種角接結(jié)構(gòu)角焊縫，目前還缺少有效的探傷方法和標(biāo)準(zhǔn)。因此，開(kāi)展針對(duì)該型焊縫的檢測(cè)方法及設(shè)備研究，對(duì)提高管道維修質(zhì)量，保證油氣管道安全具有積極意義。

圖1 兩條搭接焊縫將套筒焊到輸油管道上

1 搭接焊縫超聲檢測(cè)方法

1.1 探頭選擇

如圖2所示，典型的管道搭接焊縫焊接缺陷形式主要有未熔合、未焊透、氣孔、夾渣和裂紋[2-3]。由于探傷檢驗(yàn)時(shí)管內(nèi)有原油、成品油或天然氣，綜合考慮搭接焊縫的幾何形狀，探傷檢驗(yàn)的效果、效率及成本，可采用超聲波橫波45°角斜探頭對(duì)在役輸油氣鋼質(zhì)管道搭接焊縫進(jìn)行檢測(cè)。

圖2 搭接焊縫示意

1.2 坡口未熔合缺陷的檢測(cè)

如圖3（a）所示，當(dāng)存在水平坡口未熔合（未熔合缺陷位于管體外表面）時(shí)，置于套管表面的超聲探頭發(fā)射出的超聲脈沖經(jīng)未熔合缺陷反射到達(dá)焊縫表面，由焊縫表面再次反射后按原路徑返回，并被探頭接收。同樣，當(dāng)存在垂直坡口為未熔合（未熔合缺陷位于套筒端面）時(shí)，其檢測(cè)方法如圖3（b）所示。因此，用兩個(gè)探頭分別布置在管道表面和套筒表面，并沿著環(huán)焊縫掃查，即可檢測(cè)出管道表面或套管端面存在的未熔合缺陷。

圖3 檢測(cè)坡口未熔合缺陷時(shí)超聲波傳播路徑

1.3 夾渣和氣孔等焊縫內(nèi)部缺陷的檢測(cè)

如圖3所示，探頭1和探頭2發(fā)射的聲束都穿過(guò)焊縫區(qū)，并幾乎全部覆蓋焊縫區(qū)。如圖4所示，如果焊縫內(nèi)有氣孔和夾渣等缺陷，入射聲束就會(huì)被焊縫內(nèi)部缺陷反射，形成相應(yīng)的缺陷回波，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。

圖4 檢測(cè)氣孔、夾渣缺陷時(shí)超聲波傳播的路徑

1.4 區(qū)分坡口未熔合與焊縫內(nèi)部缺陷的方法

由于坡口未熔合缺陷的回波與夾渣、氣孔等內(nèi)部焊接缺陷的回波在聲程上有差異，故可以根據(jù)信號(hào)聲程把未熔合與夾渣、氣孔等焊縫內(nèi)部缺陷區(qū)分開(kāi)。以壁厚為12 mm套筒與壁厚為8 mm管道焊接形成的搭接焊縫為例：對(duì)于探頭1（參看圖3）收到的回波，如果垂直聲程S1≤12 mm，則回波是來(lái)自焊縫內(nèi)部的缺陷，實(shí)際檢測(cè)波形如圖5（a）所示（波形來(lái)自焊接試塊中位于焊縫中的橫孔）；如果12 mm≤S1≤18 mm，則回波是來(lái)自水平坡口未熔合缺陷，實(shí)際檢測(cè)波形如圖5（b）所示（波形來(lái)自焊接試塊中位于管體側(cè)焊縫中的平底孔）。對(duì)于探頭2（參看圖3）收到的回波，如果垂直聲程S2滿足16 mm≤S2≤28 mm，則回波來(lái)自焊縫內(nèi)部的缺陷，實(shí)際檢測(cè)波形如圖5（c）所示（波形來(lái)自焊接試塊中位于焊縫中的橫孔）；如果22 mm≤S2≤28 mm，則回波來(lái)自垂直坡口未熔合缺陷，實(shí)際檢測(cè)波形如圖5（d）所示（波形來(lái)自焊接試塊中位于套筒側(cè)焊縫中的平底孔）。如上所述，當(dāng)22 mm≤S2≤28 mm時(shí)，會(huì)有兩種可能，反射體可能是內(nèi)部缺陷，也可能是未熔合。上述判斷規(guī)則可用圖6表示，藍(lán)色表示內(nèi)部缺陷回波的聲程范圍，紅色表示未熔合缺陷回波的聲程范圍。

圖5 探頭檢測(cè)實(shí)際試塊的波形

圖6 坡口未熔合的回波聲程（用紅色表示）與焊縫內(nèi)部缺陷的回波聲程（用藍(lán)色表示）

2 搭接焊縫超聲B掃描檢測(cè)系統(tǒng)的組成和工作原理

2.1 硬件的組成和功能

如圖7所示，搭接焊縫超聲檢測(cè)系統(tǒng)主要由三部分組成：

（1）主機(jī)。由工控機(jī)、超聲板卡（單通道）、編碼器數(shù)據(jù)采集卡組成。超聲板卡是集成式超聲卡，將脈沖發(fā)射、接收、高速模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換集成設(shè)計(jì)在一塊PCI主板上。編碼器數(shù)據(jù)采集卡采集編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)，從而讀出并記錄掃查小車的位置。

（2）多通道轉(zhuǎn)換器。由多通道轉(zhuǎn)換卡、編碼器輸出信號(hào)控制卡、直流電源組成。多通道轉(zhuǎn)換卡是將一個(gè)通道的超聲波發(fā)射和接收分時(shí)切換為八個(gè)通道的超聲波發(fā)射和接收。單向運(yùn)動(dòng)觸發(fā)控制卡控制編碼器的觸發(fā)超聲波信號(hào)的輸出，使得編碼器向前移動(dòng)時(shí)輸出觸發(fā)超聲波信號(hào)，向后移動(dòng)時(shí)不觸發(fā)超聲波信號(hào)。

（3）掃查器。由掃查小車、編碼器、多個(gè)超聲斜探頭組成。掃查器上固定2個(gè)45°角的超聲斜探頭（兩個(gè)通道）和一個(gè)編碼器。編碼器用于產(chǎn)生代表小車當(dāng)前位置的信號(hào)。

圖7 搭接焊縫超聲B掃描檢測(cè)系統(tǒng)的整體框圖

如圖8所示，掃查小車可以安裝6個(gè)探頭，增加探頭可以增加其他探傷功能，例如增加透射法探傷，串列探頭法探傷等。

圖8 掃查小車

2.2 軟件及檢測(cè)界面

檢測(cè)系統(tǒng)軟件采用Labview進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件的功能包括掃查器數(shù)據(jù)讀取的控制、超聲板卡觸發(fā)控制和超聲信號(hào)采集控制、超聲成像和圖像處理、缺陷圖像分析等。檢測(cè)界面有三個(gè)，分別是A掃描檢測(cè)界面、B掃描檢測(cè)界面以及回放界面。

3 超聲B掃描檢測(cè)系統(tǒng)功能的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

搭接焊縫B掃描超聲檢測(cè)系統(tǒng)功能驗(yàn)證用樣管由一段長(zhǎng)1 070 mm、壁厚8 mm、直徑500 mm的螺旋焊管與一段長(zhǎng)400 mm、壁厚12 mm的套筒焊接制作而成。其中，未熔合人工缺陷制作方法為先在水平坡口和垂直坡口上用砂輪片開(kāi)淺槽，再用小片薄鋼板點(diǎn)焊在坡口上，覆蓋住坡口上的淺槽，然后再進(jìn)行正常搭接焊。用上述方法制作4個(gè)水平坡口未熔合缺陷和5個(gè)垂直坡口未熔合缺陷。樣管制成后進(jìn)行射線檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)的缺陷除制作的9個(gè)較長(zhǎng)未熔合缺陷外，還有點(diǎn)狀?yuàn)A渣。

用掃查車掃查兩條搭接焊縫，9個(gè)未熔合缺陷有8個(gè)顯示出較強(qiáng)的缺陷信號(hào)。有一個(gè)未熔合在B掃描回波圖上沒(méi)有回波信號(hào)，該未熔合位于垂直坡口，用傳統(tǒng)的手動(dòng)掃查A掃描檢測(cè)該未熔合，也未發(fā)現(xiàn)明顯的回波信號(hào)。從X射線底片來(lái)看，該未熔合的影像黑度較低，由此可知該未熔合是一個(gè)很狹窄的長(zhǎng)條，由于反射面積較小，未能產(chǎn)生較強(qiáng)的回波信號(hào)。除此之外，還發(fā)現(xiàn)B掃描圖上有2個(gè)很短的回波信號(hào)，其中一個(gè)在X射線底片上有黑色斑點(diǎn)，判斷是一個(gè)夾渣；另外一個(gè)超聲回波信號(hào)在X射線底片上未發(fā)現(xiàn)有對(duì)應(yīng)的缺陷顯示。對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，射線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的搭接焊縫焊接缺陷90%能通過(guò)超聲B掃描檢測(cè)發(fā)現(xiàn)。見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 探頭1收到的水平坡口未熔合的回波信號(hào)回放界面

圖10 探頭2收到的夾渣的回波信號(hào)回放界面

4 結(jié)束語(yǔ)

為滿足B型套筒搭接焊縫焊接缺陷的檢測(cè)需求，根據(jù)長(zhǎng)輸油氣管道搭接焊縫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文提出了一種搭接焊縫的超聲檢測(cè)方法，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的B掃描超聲檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測(cè)方法不僅能可靠地檢測(cè)出搭接焊縫的各種焊接缺陷，而且能將坡口未熔合與其他焊接缺陷區(qū)分開(kāi)，具有良好的檢測(cè)效果。因此，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)便攜式現(xiàn)場(chǎng)用檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)油氣長(zhǎng)輸管道維修和改建過(guò)程中大量搭接焊縫的無(wú)損檢測(cè)，有助于避免由焊接缺陷引發(fā)的管道泄漏和破裂事故，具有良好的應(yīng)用前景。

[1]Q/SY GD 0192-2009，油氣鋼制管道管體缺陷修復(fù)規(guī)范[S].

[2]鄒良鵬，王向陽(yáng).石油天然氣長(zhǎng)輸管道薄壁管環(huán)焊縫超聲波探傷[J].化工建設(shè)工程，2003，25（6）：39-40.

[3]張鵬，段永紅.管道環(huán)形焊縫的安全性與可靠性[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，1998，14（7）：51-53.

Ultrasonic B-scan NDT Inspection Method and Instrument for Lap Welds onRepaired OilorGas Pipeline

Zhang Shuangnan1，Pang Xiao2，Yang Hongyu2，ZhuZidong2，Luo Xu3
1.Institute of MetalResearch，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China
2.Shenyang Longchang Pipeline Survey Centerof PetroChina，Shenyang 110034，China
3.Schoolof Mechatronic Engineering of Southwest Petroleum University，Chengdu610500，China

In order to solve the problem that there are not effective NDT technique and instrument to detect the lap weld formed by using B type sleeve to repaired the long distance oil and gas pipeline，the method using multi probes is proposed，and B-scan ultrasonic inspection system is developed.The inspection method，system configuration，working principle and experimental verification of function are discussed in the paper.The simulation experiments show that the artificial defects made on the sample pipe can be detected effectively，the system has good inspectioncapability and applicationprospect.

oiland gas pipelines；lap weld；ultrasonic B-scan；scanner；inspectionmethod；equipment

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.03.009

張雙楠（1983-），男，遼寧沈陽(yáng)人，工程師，2009年畢業(yè)于沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損檢測(cè)及設(shè)備研發(fā)工作。

2014-08-21