曾登高

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測(cè)中心（陜西西安710018）

大口徑油氣管道環(huán)焊縫全自動(dòng)相控陣超聲波檢測(cè)管理探析

曾登高

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測(cè)中心（陜西西安710018）

全自動(dòng)相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)作為一種成熟有效的檢測(cè)手段，應(yīng)用于大口徑油氣管道全自動(dòng)焊接環(huán)焊縫的無(wú)損檢測(cè)。對(duì)該檢測(cè)技術(shù)原理、工藝技術(shù)特點(diǎn)及過(guò)程質(zhì)量控制進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，并針對(duì)這種檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及過(guò)程管理存在的問(wèn)題，提出了相應(yīng)的改進(jìn)對(duì)策及建議。

大口徑管道；相控陣；全自動(dòng)超聲波檢測(cè)

伴隨管道建設(shè)焊接施工全自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，全自動(dòng)相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大口徑油氣管道全自動(dòng)焊接環(huán)焊縫的無(wú)損檢測(cè)。由于傳統(tǒng)的管道射線和手工超聲波檢測(cè)方法存著諸多弊端，為滿足石油天然氣管道建設(shè)快速發(fā)展需求，2002年全自動(dòng)相控陣超聲檢測(cè)（以下簡(jiǎn)稱AUT）技術(shù)作為一種引進(jìn)無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)首次應(yīng)用于西氣東輸一線全自動(dòng)焊接管道環(huán)焊縫檢測(cè)。通過(guò)多年的不斷消化、吸收及實(shí)踐改進(jìn)，檢測(cè)儀器實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，檢測(cè)工藝成熟，檢測(cè)設(shè)備校驗(yàn)標(biāo)定已逐漸規(guī)范。國(guó)家頒布了相應(yīng)的行業(yè)和國(guó)家檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)［1-2］，檢測(cè)的可靠性已得到充分認(rèn)可。該檢測(cè)技術(shù)作為一種成熟有效的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于西氣東輸和中俄管道等石油天然氣行業(yè)及其他相關(guān)行業(yè)。

1　AUT基本原理及工藝

相控陣全自動(dòng)超聲波檢測(cè)是根據(jù)焊接工藝將焊縫進(jìn)行垂直區(qū)域劃分，每個(gè)分區(qū)高度為1～3mm，將由發(fā)射器發(fā)出的超聲波對(duì)準(zhǔn)焊縫斷面分區(qū)，利用電腦數(shù)據(jù)控制128個(gè)檢測(cè)通道，形成不同角度的聲束聚焦，角度的選取以可得到來(lái)自缺陷（常為未熔合）的最大反射波為準(zhǔn)。預(yù)調(diào)發(fā)射器角度使高度聚焦的聲束準(zhǔn)確投射到預(yù)定的焊縫掃查區(qū)域。根據(jù)主要缺陷設(shè)定探頭角度分別掃查不同的區(qū)域，綜合采用脈沖反射波和衍射時(shí)差法（TOFD）對(duì)焊接內(nèi)部缺陷進(jìn)行判斷（以壁厚11.1mm為例示意焊縫區(qū)域劃分）。探頭沿管道環(huán)縫自動(dòng)環(huán)繞一周，對(duì)焊縫內(nèi)部進(jìn)行全面掃查，其檢測(cè)結(jié)果在其相對(duì)應(yīng)的通道上以帶狀圖形式顯示，從而進(jìn)行焊縫質(zhì)量評(píng)定。AUT檢測(cè)技術(shù)是比手工單探頭超聲波檢測(cè)方法操作簡(jiǎn)單、掃描方式多、效率高，有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)：①無(wú)需射線底片，檢測(cè)速度快，勞動(dòng)強(qiáng)度低、安全無(wú)輻射，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)便捷，針對(duì)全自動(dòng)焊接工藝進(jìn)行檢測(cè)具有很高的準(zhǔn)確率；②通過(guò)像素點(diǎn)的不同色差集合，顯示缺陷的深度、高度、寬度及水平位置等信息，直觀地反映焊縫內(nèi)部的情況，為檢測(cè)人員提供了準(zhǔn)確直觀的判定依據(jù)；③能清晰分辨缺陷邊緣上下間隔大于0.4mm的缺陷，比常規(guī)手工超聲波檢測(cè)缺陷分辨率精確，測(cè)定長(zhǎng)度準(zhǔn)確；④比射線檢測(cè)的檢測(cè)靈敏度高、效率高、圖像可視直觀，缺陷的檢出能力強(qiáng)，評(píng)定準(zhǔn)確性高；⑤全自動(dòng)焊接管道環(huán)縫采用相控陣檢測(cè)技術(shù)在安全、效率、準(zhǔn)確性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。超聲波相控陣檢測(cè)系統(tǒng)可以是手動(dòng)，半自動(dòng)，或者全自動(dòng)工作［3-4］。

AUT檢測(cè)的缺點(diǎn)：①因應(yīng)用軟件、陣列的頻率、壓電元件尺寸及加工精度等條件的限制，使該技術(shù)對(duì)檢測(cè)對(duì)象、范圍提出特定要求，檢測(cè)適用性和能力受到限制；②裝置的調(diào)試、靈敏度校驗(yàn)及參數(shù)設(shè)置，均對(duì)操作人員的電腦操作熟練程度和軟件操作能力有嚴(yán)格要求，雖然B、C、S三型顯示圖直觀，但仍要掌握準(zhǔn)確識(shí)別圖形的技巧，具備豐富的判定經(jīng)驗(yàn)；③工件的材料冶金狀態(tài)、焊接工藝完整性、表面粗糙度、探測(cè)面選擇和軌道安裝精度等因素影響檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性，必須使用對(duì)比試塊進(jìn)行儀器的調(diào)節(jié)的校準(zhǔn)；④儀器的調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較大，調(diào)節(jié)過(guò)程較復(fù)雜。對(duì)手工電弧焊的檢測(cè)效果不如自動(dòng)焊，檢測(cè)對(duì)象有一定的局限性。

相控陣工藝流程如圖1所示。

圖1　相控陣檢測(cè)工藝流程圖

2　檢測(cè)過(guò)程質(zhì)量控制

2.1檢測(cè)過(guò)程

1）檢測(cè)前用試塊標(biāo)定掃查器，檢查試塊校準(zhǔn)圖是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，否則要針對(duì)某通道進(jìn)行調(diào)試直至滿足要求為止。

2）環(huán)焊縫兩側(cè)150mm范圍內(nèi)的管焊縫應(yīng)用機(jī)械打磨至與母材平齊，檢查檢測(cè)表面質(zhì)量及耦合情況，清除探頭移動(dòng)區(qū)域的飛濺、銹蝕、油垢及其他雜質(zhì)。

3）按照工藝規(guī)程要求在距焊縫中心規(guī)定距離劃出基準(zhǔn)線，作為準(zhǔn)確安裝軌道的基準(zhǔn)，在平焊位置劃出標(biāo)識(shí)原點(diǎn)和掃查方向，掃查起點(diǎn)必須與標(biāo)識(shí)原點(diǎn)重合。

4）2人分別在管子兩側(cè)同時(shí)配合進(jìn)行軌道安裝，軌道邊緣距焊縫中心距離及偏差必須符合工藝卡要求，掃查器、探頭及各插件確?？煽窟B接；掃查器運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)卡、滑現(xiàn)象應(yīng)立即急停，找明原因調(diào)整后重新掃查。

5）圖像采集應(yīng)信息完整，如發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息丟失，必須對(duì)被檢測(cè)焊口重新進(jìn)行檢測(cè)，采集相關(guān)圖像信息。

2.2檢測(cè)過(guò)程控制要點(diǎn)

1）檢測(cè)過(guò)程必須進(jìn)行試塊校驗(yàn)，一般是在每檢測(cè)2h或掃查10道焊縫以及檢測(cè)結(jié)束后進(jìn)行。試塊的每個(gè)主反射體的波幅應(yīng)為滿幅的70%～99%，若波幅低于70%，應(yīng)對(duì)已檢查的焊縫重新檢測(cè)，若波幅高于99%，應(yīng)重新評(píng)定檢查結(jié)果［5］。

2）在檢測(cè)過(guò)程中，記錄系統(tǒng)的耦合監(jiān)視通道顯示的耦合不良區(qū)域超過(guò)3mm時(shí)，應(yīng)對(duì)耦合不良區(qū)域進(jìn)行處理后重新檢測(cè)。

3）編碼器記錄的反射體位置與實(shí)際圓周位置的誤差為±10mm，以保證缺陷位置準(zhǔn)確性。

4）溫度的變化導(dǎo)致聲速和折射角度發(fā)生變化，試塊溫度影響探頭楔塊溫度，探頭楔塊溫度受被檢管件溫度的影響；若探頭楔塊溫差變化超過(guò)10℃，則必須重新調(diào)試整個(gè)系統(tǒng)，確保檢測(cè)的準(zhǔn)確率。

2.3檢測(cè)結(jié)果可靠性管理

1）操作人員對(duì)系統(tǒng)分析掃查數(shù)據(jù)及結(jié)果評(píng)定，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)發(fā)現(xiàn)判廢缺陷時(shí)，應(yīng)在掃查結(jié)束后及時(shí)在焊縫上標(biāo)識(shí)并打印結(jié)果。打印的報(bào)告信息必須完整準(zhǔn)確，壁厚、坡口及操作人等信息與實(shí)際相符。

2）如發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或耦合不良，必須重新按檢測(cè)工藝要求對(duì)相應(yīng)焊口重新檢測(cè)，確保采集數(shù)據(jù)完整。

3）聲波的聲束角度和速度受溫度影響較大，要準(zhǔn)確記錄校準(zhǔn)和掃查過(guò)程的溫度。實(shí)際檢測(cè)的溫度與所設(shè)置的溫度差不應(yīng)超過(guò)10℃。

4）利用試塊每隔2h或掃查10道焊口及檢測(cè)工作結(jié)束后進(jìn)行校準(zhǔn)。試塊每個(gè)主反射體的波幅高度及相鄰反射體覆蓋均應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)和工藝規(guī)程要求，否則對(duì)已檢測(cè)的焊口重新檢測(cè)。

5）因焊縫焊接位置偏移或施焊導(dǎo)軌偏移扭曲等特殊情況，導(dǎo)致對(duì)焊縫根部缺陷定性不準(zhǔn)確，其在返修焊縫檢測(cè)中也經(jīng)常遇到。

3　AUT檢測(cè)管理存在的問(wèn)題

3.1人員資格管理

3.1.1AUT從業(yè)人員上崗培訓(xùn)及執(zhí)業(yè)資格管理不規(guī)范

GB/T 50818-2013《石油天然氣管道工程全自動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》第3.0.2條對(duì)檢測(cè)人員的資格及專業(yè)知識(shí)水平及能力提出明確的要求；在第3.0.5條對(duì)檢測(cè)單位工藝規(guī)程編制、審核、批準(zhǔn)的人員資格及相關(guān)程序提出明確要求。但是目前現(xiàn)有的國(guó)家無(wú)損檢測(cè)專業(yè)人員考核規(guī)則中，不包括AUT檢測(cè)技術(shù)，所以AUT檢測(cè)人員考試認(rèn)證現(xiàn)階段尚處于無(wú)序管理狀態(tài)，AUT檢測(cè)人員上崗培訓(xùn)考核一般是由國(guó)外設(shè)備供應(yīng)商組織培訓(xùn)，頒發(fā)操作證，其培訓(xùn)內(nèi)容的全面性、規(guī)范性、有效性及合法性頗有爭(zhēng)議，亟待進(jìn)一步規(guī)范。

3.1.2無(wú)損檢測(cè)過(guò)程監(jiān)督管理人員資格管理存在漏洞

國(guó)家相關(guān)執(zhí)業(yè)管理規(guī)定中對(duì)從事無(wú)損檢測(cè)過(guò)程監(jiān)管的相關(guān)技術(shù)管理人員的業(yè)務(wù)技術(shù)能力和知識(shí)儲(chǔ)備都有明確的要求。但是目前從事AUT檢測(cè)的相關(guān)專業(yè)監(jiān)理、質(zhì)量監(jiān)督及建設(shè)單位的管理人員未進(jìn)行專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)，無(wú)證上崗，存在外行監(jiān)管內(nèi)行的弊端。監(jiān)管人員不具備檢測(cè)設(shè)備調(diào)試、標(biāo)準(zhǔn)選擇、缺陷評(píng)定等基本知識(shí)，無(wú)法對(duì)檢測(cè)過(guò)程實(shí)施有效監(jiān)管。許多檢測(cè)違規(guī)行為和錯(cuò)誤的檢測(cè)結(jié)論不能得到及時(shí)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)和糾正，檢測(cè)結(jié)果的可信度和權(quán)威性令人質(zhì)疑。

3.2設(shè)備及試塊校準(zhǔn)標(biāo)定管理

3.2.1檢測(cè)設(shè)備校準(zhǔn)不規(guī)范

AUT檢測(cè)設(shè)備儀器校準(zhǔn)質(zhì)量直接影響檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性。在GB/T 508018-2013《石油天然氣管道工程全自動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》對(duì)檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)調(diào)試標(biāo)定作出了嚴(yán)格的規(guī)定。但目前設(shè)備儀器標(biāo)定一般都由檢測(cè)單位或設(shè)備制造廠人員自行調(diào)試標(biāo)定，未實(shí)施公正的第三方標(biāo)定檢測(cè)，出現(xiàn)設(shè)備標(biāo)定調(diào)試質(zhì)量差或者不按規(guī)定定期標(biāo)定的現(xiàn)象。該檢測(cè)方法專業(yè)性強(qiáng)，標(biāo)定調(diào)試過(guò)程復(fù)雜，若過(guò)程監(jiān)管人員由于業(yè)務(wù)水平能力限制，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)該環(huán)節(jié)存著的漏洞，勢(shì)必嚴(yán)重影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2.2檢測(cè)試塊檢定不規(guī)范

標(biāo)定檢測(cè)系統(tǒng)各通道的檢測(cè)基準(zhǔn)靈敏度必須使用檢測(cè)試塊進(jìn)行。SY 4112-2007《石油天然氣鋼質(zhì)管道對(duì)接環(huán)焊縫全自動(dòng)超聲檢測(cè)試塊》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試塊制作及計(jì)量標(biāo)定提出明確要求。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試塊的材料應(yīng)取自實(shí)際檢測(cè)的管道，試塊材質(zhì)應(yīng)與被檢測(cè)的管道材質(zhì)完全相同，應(yīng)根據(jù)不同的制造廠家生產(chǎn)的管道，按照不同管徑、壁厚、焊接工藝、坡口型式等制作相應(yīng)的試塊。試塊制作質(zhì)量直接影響缺陷檢出率和靈敏度，所以SY 4112-2007《石油天然氣鋼質(zhì)管道對(duì)接環(huán)焊縫全自動(dòng)超聲檢測(cè)試塊》對(duì)試塊制作、質(zhì)量檢定、計(jì)量提出詳細(xì)的要求。但目前我國(guó)尚無(wú)專業(yè)第三方計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)對(duì)該類(lèi)專業(yè)試塊進(jìn)行測(cè)試和計(jì)量檢定，一般由檢測(cè)設(shè)備制造廠商和檢測(cè)機(jī)構(gòu)自行完成，缺乏規(guī)范嚴(yán)格的監(jiān)管。

3.3材料及檢測(cè)工藝文件管理

3.3.1檢測(cè)耗材報(bào)驗(yàn)不規(guī)范

檢測(cè)耗材質(zhì)量與檢測(cè)數(shù)據(jù)和檢測(cè)結(jié)果的正確性息息相關(guān)，由于檢測(cè)專業(yè)監(jiān)理工程師知識(shí)水平及責(zé)任心等原因，往往對(duì)檢測(cè)材料驗(yàn)收環(huán)節(jié)疏于監(jiān)管，不合格材料用于檢測(cè)工作，導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)失真，造成缺陷漏檢誤判。

3.3.2檢測(cè)工藝文件編制報(bào)審不規(guī)范

檢測(cè)工藝文件一般包括檢測(cè)工藝規(guī)程和檢測(cè)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，是保證檢測(cè)質(zhì)量的綱領(lǐng)性文件，檢測(cè)人員必須嚴(yán)格執(zhí)行，檢測(cè)工藝正確性和執(zhí)行效果嚴(yán)重影響檢測(cè)結(jié)果。所以，相關(guān)管理法規(guī)和制度要求檢測(cè)工藝文件在通過(guò)檢測(cè)單位內(nèi)控質(zhì)量體系審核后，必須報(bào)監(jiān)理及建設(shè)單位審核。由于AUT檢測(cè)技術(shù)專業(yè)性非常強(qiáng)，往往監(jiān)理及建設(shè)單位專業(yè)管理人員業(yè)務(wù)能力有限，對(duì)檢測(cè)工藝的審核流于形式，沒(méi)有起到審核把關(guān)的作用，導(dǎo)致不合格檢測(cè)工藝流入，直接影響檢測(cè)結(jié)果正確性和缺陷的檢出率。

4　對(duì)策及建議

1）為實(shí)施對(duì)檢測(cè)人員的規(guī)范管理，在國(guó)家尚無(wú)規(guī)范的考核情況下，建議石油行業(yè)制定相關(guān)行業(yè)管理規(guī)定，規(guī)范檢測(cè)從業(yè)人員管理。在中國(guó)石油集團(tuán)公司牽頭督促下，已經(jīng)在石油建設(shè)協(xié)會(huì)施工技術(shù)協(xié)會(huì)下設(shè)無(wú)損檢測(cè)協(xié)會(huì)，于2015年8月在河北廊坊成立，參考國(guó)家其他常規(guī)檢測(cè)方法人員考試規(guī)則，起草了石油行業(yè)管道AUT檢測(cè)考試規(guī)則。培訓(xùn)考核對(duì)象包括無(wú)損檢測(cè)機(jī)構(gòu)、建設(shè)單位專業(yè)管理人員、監(jiān)理單位專業(yè)監(jiān)理工程師、質(zhì)量監(jiān)督機(jī)構(gòu)專業(yè)監(jiān)督工程師。

2）檢測(cè)儀器標(biāo)定管理：①檢測(cè)儀器標(biāo)定必須取得國(guó)家或者國(guó)際認(rèn)可的專門(mén)標(biāo)定管理部門(mén)定期檢驗(yàn)標(biāo)定；②對(duì)比試塊的制作、出廠檢驗(yàn)及人工缺陷計(jì)量檢測(cè)必須有國(guó)家認(rèn)可的專門(mén)機(jī)構(gòu)檢查標(biāo)定；③檢測(cè)儀器、試塊、附屬設(shè)施、材料進(jìn)場(chǎng)前必須報(bào)監(jiān)理單位驗(yàn)收檢查，符合要求后才能開(kāi)展檢測(cè)工作。

3）檢測(cè)可靠性綜合評(píng)價(jià)管理：①監(jiān)理單位要做好檢測(cè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)、現(xiàn)場(chǎng)表面處理、檢測(cè)標(biāo)識(shí)的劃定、軌道及掃查器安裝固定、檢測(cè)過(guò)程圖像采集等關(guān)鍵點(diǎn)旁站及巡查抽查；②加強(qiáng)工藝規(guī)程、檢測(cè)方案、檢測(cè)工藝卡報(bào)驗(yàn)及缺陷評(píng)定復(fù)核監(jiān)理，確保檢測(cè)結(jié)論準(zhǔn)確可靠。

5　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)多年的實(shí)踐探索，相控陣全自動(dòng)超聲檢測(cè)技術(shù)發(fā)展日臻成熟，已經(jīng)成為大口徑全自動(dòng)焊接管道最有效的檢測(cè)手段。規(guī)范提高檢測(cè)技術(shù)的過(guò)程管理，已成為當(dāng)務(wù)之急，國(guó)家應(yīng)盡快規(guī)范檢測(cè)人員考核認(rèn)定，規(guī)范檢測(cè)儀器標(biāo)定和過(guò)程控制管理，方可使該檢測(cè)技術(shù)充分發(fā)揮作用，為大口徑管道快速高效建設(shè)及安全運(yùn)行保駕護(hù)航。

［1］住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.石油天然氣管道工程全自動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)規(guī)范：GB/T 508018-2013［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2013.

［2］石油工程建設(shè)專業(yè)標(biāo)委會(huì).石油天然氣鋼質(zhì)管道對(duì)接環(huán)焊縫全自動(dòng)超聲檢測(cè)試塊：SY/T 4112-2007［S］.北京：石油工業(yè)出版社，2007.

［3］韓相勇.長(zhǎng)輸管線對(duì)接環(huán)焊縫自動(dòng)相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)［J］.無(wú)損檢測(cè)2006，28（5）：237-241.

［4］白世武.管道環(huán)焊縫焊接缺陷相控陣超聲波檢測(cè)系統(tǒng)研究［D］.天津：天津大學(xué)，2007.

［5］中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司.中油質(zhì)［2012］331號(hào)中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司工程建設(shè)項(xiàng)目質(zhì)量管理規(guī)定［Z］.2012-06-26.

As a mature and effective detection means，the automatic phased array ultrasonic inspection technology has been applied to the nondestructive detection of the circular weld of large diameter oil and gas transportation pipeline.The principle，technology and pro?cess quality control of the detection technology are briefly introduced，and the corresponding improvement measures and suggestions are put forward in view of the problems existing in the application and process management of the inspection technology.

large diameter pipeline；phased array；automatic ultrasonic inspection

曾登高（1966-），男，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事石油石化工程建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督工作。