薛 巖，周廣言，李 佳，閆 臣

(中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院，廊坊 065000)

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油氣管道環(huán)焊縫自動(dòng)超聲檢測(cè)與射線檢測(cè)方法對(duì)比

薛 巖，周廣言，李 佳，閆 臣

(中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院，廊坊 065000)

針對(duì)AUT(自動(dòng)超聲檢測(cè))與RT(射線檢測(cè))檢測(cè)管道環(huán)焊縫結(jié)果不一致的問(wèn)題，結(jié)合AUT與RT檢測(cè)原理，制作了校準(zhǔn)試塊及含人工缺陷焊縫，制定了AUT與RT檢測(cè)管道焊縫試驗(yàn)方案，根據(jù)試驗(yàn)方案對(duì)人工缺陷焊縫進(jìn)行了對(duì)比檢測(cè)，在此基礎(chǔ)上分析AUT與RT對(duì)管道環(huán)焊縫缺陷的檢出率。結(jié)果表明：AUT對(duì)全自動(dòng)焊產(chǎn)生的未熔合缺陷具有很高的檢出率；RT檢測(cè)自動(dòng)焊環(huán)焊縫坡口時(shí)，若射線方向與未熔合缺陷方向一致，則檢出率最高，但隨著射線方向與未熔合缺陷角度的增大，檢出率降低，容易漏檢。

管道環(huán)焊縫；AUT檢測(cè)；RT檢測(cè)；對(duì)比試驗(yàn)

管道環(huán)焊縫檢測(cè)是管道焊接過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)“西三線”西段管道主要采用了全自動(dòng)焊接，要求對(duì)焊接管道的環(huán)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，全部AUT(自動(dòng)超聲)檢測(cè)結(jié)果中20%還要進(jìn)行RT(射線檢測(cè))復(fù)檢。由于AUT和RT是兩種具有不同檢測(cè)原理、不同評(píng)價(jià)體系的檢測(cè)方法，導(dǎo)致AUT檢測(cè)和RT復(fù)檢結(jié)果存在差異，因而有必要設(shè)計(jì)并制作全自動(dòng)焊人工缺陷焊縫，并對(duì)其進(jìn)行AUT與RT對(duì)比檢測(cè)。筆者制作了校準(zhǔn)試塊及人工缺陷焊縫，制定了AUT與RT檢測(cè)試驗(yàn)方案，根據(jù)試驗(yàn)方案對(duì)人工缺陷焊縫進(jìn)行了對(duì)比檢測(cè)，在此基礎(chǔ)上分析了AUT與RT對(duì)管道環(huán)焊縫缺陷的檢出率。

1 AUT與RT檢測(cè)原理

1.1 AUT檢測(cè)原理

AUT(Auto Ultrasonic Test)是一種基于脈沖反射法的超聲波檢測(cè)方法。其將焊縫沿厚度方向分成若干個(gè)分層(即分區(qū))，每個(gè)分區(qū)厚2～3 mm，每個(gè)分區(qū)用一對(duì)或兩對(duì)聚焦聲束檢測(cè)熔合線上的缺餡，體積型缺餡用非聚焦探頭檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果以帶狀圖形式顯示，掃描方式分為A 掃描-雙門帶狀圖、B 掃描、TOFD 掃描[1]。探頭沿著管道環(huán)向掃查一周，即可對(duì)整個(gè)焊縫厚度方向的分區(qū)進(jìn)行全面檢測(cè)。檢測(cè)人員可以根據(jù)A掃描-雙門帶狀圖以及TOFD掃描圖像實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的評(píng)判，而B(niǎo)掃描作為缺陷定性的一種輔助評(píng)判方式，檢測(cè)人員在掃查時(shí)就可以立即觀察到焊縫中的缺陷，并將檢測(cè)結(jié)果及時(shí)反饋給技術(shù)人員。AUT檢測(cè)是通過(guò)超聲波在工件中傳輸時(shí)，缺陷對(duì)聲波的反射或衍射來(lái)生成缺陷圖像的，可以實(shí)現(xiàn)缺陷自身高度和長(zhǎng)度的測(cè)量[2-4]，其檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 AUT檢測(cè)原理示意

1.2 RT檢測(cè)原理 RT檢測(cè)是利用射線在穿透物體的過(guò)程中會(huì)發(fā)生衰減，而物體無(wú)缺陷部位和有缺陷部位衰減系數(shù)不同，造成透過(guò)缺陷處的射線強(qiáng)度與缺陷周圍的射線強(qiáng)度產(chǎn)生差異。射線穿透工件后在膠片上形成有黑度差的潛影影像，膠片經(jīng)過(guò)沖洗，潛影變成可見(jiàn)投影影像。檢測(cè)人員通過(guò)人眼觀察底片圖像中的黑度差來(lái)分辨缺欠大小、形狀和位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的測(cè)量和評(píng)判。即，評(píng)片人員根據(jù)不同黑度的影像判斷缺陷性質(zhì)和測(cè)量缺陷尺寸[5]。因?yàn)镽T檢測(cè)出的圖像是焊縫和缺陷的平面投影，所以無(wú)法反應(yīng)出缺陷的自身高度，只能得到缺陷長(zhǎng)度，通過(guò)測(cè)量缺陷長(zhǎng)度來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)判，因此無(wú)論缺陷自身高度是多少，RT檢測(cè)均按照長(zhǎng)度一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量。RT采用絕對(duì)檢測(cè)靈敏度評(píng)判氣孔、夾渣等體積型缺陷以及平面平行于射線方向的缺陷的檢出率，其檢測(cè)原理如圖2所示。

射線檢測(cè)時(shí)，在不同部位的射線穿透角度會(huì)因坡口角度而改變，側(cè)壁未熔合是自動(dòng)焊環(huán)焊縫最易產(chǎn)生的缺陷，是一種類似裂紋樣的面積型缺欠，射線從不同方向穿過(guò)的行程不一樣，射線透照的影像存在密度差，其根本原因是對(duì)比度，而對(duì)比度正比于透照厚度差。RT檢測(cè)CRC坡口原理如圖3所示，射線從不同方向穿過(guò)的行程不一樣，當(dāng)射線方向與未熔合缺陷方向一致時(shí)(見(jiàn)圖3中①和③)，對(duì)比度最大，檢出率最高。當(dāng)射線方向與未熔合缺陷角度大于15°時(shí)，隨著角度的增大，對(duì)比度顯著降低，檢出率也降低，易漏檢(見(jiàn)圖3中②和④)。

圖2 射線檢測(cè)原理示意

圖3 射線檢測(cè)CRC坡口原理示意

2 AUT與RT對(duì)比檢測(cè)試驗(yàn)方案

2.1 AUT檢測(cè)系統(tǒng)與RT檢測(cè)系統(tǒng) 試驗(yàn)采用PIPEWIZARD檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要依靠?jī)蓚€(gè)相控陣探頭(PA探頭)發(fā)射脈沖回波進(jìn)行分區(qū)檢測(cè)，并附加TOFD探頭補(bǔ)充檢測(cè)，并對(duì)缺陷進(jìn)行測(cè)深測(cè)高；其中PA探頭為兩個(gè)7.5 MHz,60個(gè)晶片的線性探頭，兩個(gè)TOFD探頭頻率為10 MHz[6]。

RT檢測(cè)系統(tǒng)為依科視朗X射線探傷機(jī)，高壓290 kV，曝光時(shí)間60 s。

2.2 校準(zhǔn)試塊的制作

根據(jù)SYT 4112-2007《石油天然氣鋼質(zhì)管道對(duì)接環(huán)焊縫全自動(dòng)超聲波檢測(cè)試塊》標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)并加工校準(zhǔn)試塊，用于制作試塊的材料應(yīng)與被檢工件的管徑、壁厚、材料相同，聲學(xué)性能相似，試塊本體材料應(yīng)在被檢測(cè)的鋼管上截取。

2.3 人工缺陷環(huán)焊縫的設(shè)計(jì)與制作

試管材料為X80鋼，直徑1 219 mm，壁厚18.4 mm，坡口尺寸如圖4所示。參照DNV標(biāo)準(zhǔn)《鋼質(zhì)油氣管焊縫全自動(dòng)超聲檢測(cè)工藝評(píng)定與認(rèn)證方法》，在坡口的不同分區(qū)共設(shè)計(jì)并制作了117個(gè)高度不同的模擬人工缺陷，缺陷位置及類型分布如表1所示，人工缺陷焊縫如圖5所示。缺陷覆蓋所有分區(qū)，缺陷類型主要為坡口未熔合，缺陷之間距離約200 mm，進(jìn)行焊縫試驗(yàn)的鋼管應(yīng)該足夠長(zhǎng)，允許從焊縫的一側(cè)進(jìn)行掃描，并且在焊縫兩側(cè)距離焊縫中心不小于40 mm處畫(huà)有參考線。

圖4 18.4 mm壁厚坡口尺寸示意

圖5 人工缺陷焊縫外觀

缺陷位置及類型缺陷個(gè)數(shù)缺陷位置及類型缺陷個(gè)數(shù)根部22蓋面14鈍邊15夾銅2熱焊17層間未熔合2填充43氣孔2

2.4 檢測(cè)過(guò)程 AUT對(duì)人工缺陷焊縫整個(gè)檢測(cè)過(guò)程為：① 設(shè)置待檢坡口及超聲參數(shù)，并進(jìn)行聚焦方案計(jì)算；② 將掃查器固定在試塊上進(jìn)行校入校準(zhǔn)，在校正界面調(diào)整參數(shù)，直到校準(zhǔn)圖合格；③ 將掃查器固定到人工缺陷焊縫檢測(cè)；④ 人工缺陷焊縫檢測(cè)完成后，將掃查器固定在試塊上，進(jìn)行試塊校出校準(zhǔn)；⑤ 評(píng)價(jià)檢測(cè)數(shù)據(jù)有效性，若校出校準(zhǔn)數(shù)據(jù)無(wú)效，則需重新進(jìn)行校入校準(zhǔn)以及人工焊縫檢測(cè)，直到校出校準(zhǔn)數(shù)據(jù)合格；⑥ 評(píng)估數(shù)據(jù)，標(biāo)記缺陷，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，打印結(jié)果。

RT對(duì)人工缺陷焊縫進(jìn)行檢測(cè)過(guò)程為：① 射線檢測(cè)前準(zhǔn)備工作，準(zhǔn)備膠片、像質(zhì)計(jì)、增感屏及人工缺陷焊縫編號(hào)，計(jì)算曝光時(shí)間；② 進(jìn)行射線防護(hù)，選擇曝光參數(shù)，按RT程序進(jìn)行拍片；③ 暗室處理，對(duì)膠片進(jìn)行沖洗，干燥；④ 評(píng)片，記錄整理，出具檢測(cè)報(bào)告。

2.5 檢測(cè)結(jié)果

人工缺陷類型及AUT與RT對(duì)比檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

圖6 AUT檢測(cè)結(jié)果

圖7 射線檢測(cè)結(jié)果

由表2可以看出，AUT檢測(cè)方法能檢測(cè)出所有缺陷，并能夠給出缺陷位置、高度、深度等信息。而RT檢測(cè)方法檢出115個(gè)缺陷，漏檢2個(gè)缺陷，分別是熱焊區(qū)未熔合及層間未熔合缺陷，漏檢的原因是射線方向與缺陷方向角度比較大，產(chǎn)生的垂直于壁厚方向上的高度差小，射線檢測(cè)時(shí)對(duì)比度低。對(duì)系統(tǒng)檢出率的分析主要是為了確定系統(tǒng)能夠檢測(cè)到最小缺陷，一般認(rèn)為是在95%可信度的情況下對(duì)某一高度缺陷的檢出率。對(duì)于管道環(huán)焊縫缺陷，AUT檢測(cè)方法的檢出率明顯高于射線檢測(cè)[7]。AUT 掃查圖與射線拍片結(jié)果如圖6，7所示，AUT檢測(cè)圖像顯示出一條人工缺陷焊縫上的全部缺陷，RT結(jié)果顯示的是其中一個(gè)缺陷檢測(cè)圖像。

3 AUT與RT評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)差異

按照GB 50369-2014《油氣長(zhǎng)輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)第10.3.2條要求(強(qiáng)制條款)“無(wú)損檢測(cè)應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50818《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》和SY/T 4109《石油天然氣鋼質(zhì)管道無(wú)損檢測(cè)》的規(guī)定，射線及超聲波檢測(cè)合格等級(jí)Ⅱ級(jí)”，AUT檢測(cè)應(yīng)執(zhí)行GB/T 50818標(biāo)準(zhǔn)，RT復(fù)驗(yàn)應(yīng)執(zhí)行SY/T 4109標(biāo)準(zhǔn)。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比詳見(jiàn)表3。

表3 AUT與RT檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)判準(zhǔn)則對(duì)比

對(duì)比兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，僅從自動(dòng)焊管道環(huán)焊縫易出現(xiàn)的未熔合缺陷單個(gè)長(zhǎng)度上來(lái)看，AUT允許未熔合長(zhǎng)度是不大于25 mm，且對(duì)缺陷高度有具體的限定；RT允許未熔合長(zhǎng)度是不大于12.5 mm(層間未熔合)或不大于10 mm(根部未熔合)。因驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中尺寸要求不同，AUT缺陷判定時(shí)有高度要求，及兩種檢測(cè)方式存在理論差異，一定會(huì)造成兩種檢測(cè)方式的結(jié)果不同。如果采用一種檢測(cè)方法對(duì)另一種方法進(jìn)行復(fù)檢，并對(duì)驗(yàn)收結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單的對(duì)比，是缺少科學(xué)依據(jù)的。

相關(guān)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了檢測(cè)靈敏度，檢測(cè)靈敏度決定發(fā)現(xiàn)最小缺欠的閾值。AUT檢測(cè)方法可以檢測(cè)到自身高度小的缺陷，而標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其不需要檢測(cè)此類缺陷。在射線檢測(cè)方法里，由于對(duì)缺欠自身高度無(wú)法測(cè)量，致使所有達(dá)到檢測(cè)靈敏度的缺欠都被列為評(píng)定范圍，從而無(wú)形之中RT比AUT擴(kuò)大了評(píng)定范圍。與現(xiàn)有AUT評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)相比，相當(dāng)于評(píng)定線降低。因?yàn)锳UT能精確測(cè)量缺欠自身高度，自身高度小的未熔合缺欠能被AUT檢出，但不判廢，而被射線檢出并判廢的結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)AUT和RT原理的對(duì)比，AUT相對(duì)于RT對(duì)全自動(dòng)焊未熔合缺陷具有更高的檢出能力。檢測(cè)人員可及時(shí)根據(jù)AUT檢測(cè)結(jié)果優(yōu)化自動(dòng)焊工藝，調(diào)整焊接參數(shù)，避免相同位置連續(xù)出現(xiàn)相同的缺陷。國(guó)際上的幾大石油公司，全自動(dòng)焊接后均只采用AUT檢測(cè)方法。嚴(yán)格按照AUT工藝進(jìn)行檢測(cè)，是能夠保證焊縫質(zhì)量的，而沒(méi)必要用射線復(fù)檢。

[1] 慶紅若，徐進(jìn).Pipe WIZARD相控陣超聲波檢測(cè)缺陷評(píng)定技巧[J].石油工程建設(shè)， 2010,36(4):63-65.

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Contrast of AUT/RT Detection Method on Oil and Gas Pipeline Girth Weld

XUE Yan, ZHOU Guang-yan, LI Jia, YAN Chen

(China Petroleum Pipeline Research Institute, Langfang 065000, China)

Aiming to inquire into the issue of different results by AUT/RT testing for circumferential welding, a testing plan for AUT/RT was proposed by designing and manufacturing the calibration block with artificial defects of weld and by the combination of AUT/RT detection principle. The AUT/RT testing on artificial defects of weld was carried out according to the testing scheme and the detection rate of AUT/RT for circumferential welding was analyzed based on the test result. The test results showed that the AUT has very high detection ability for the incomplete fusion flaw by automatic welding, and for RT test for automatic welding bevels, the detection rate is highest when the X-ray direction is consistent with the incomplete fusion. The detection rate is reduced with angle increased and the detection will be prone to undetected error.

Pipeline girth weld; AUT testing; RT testing; Comparative test

2016-06-22

薛 巖(1982-)，女，碩士，工程師，主要從事無(wú)損檢測(cè)方面的科技研發(fā)和技術(shù)服務(wù)工作。

薛 巖,E-mail: cppxueyan@126.com。

10.11973/wsjc201611010

TG115.28

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1000-6656(2016)11-0045-04