武要峰 史冠男 國(guó) 濱 孟祥吉 陳金忠

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

近年來(lái)油氣長(zhǎng)輸管道事故頻發(fā)，焊縫失效作為主要原因之一，易對(duì)周邊人身財(cái)產(chǎn)安全和環(huán)境造成重大威脅，因此受到社會(huì)高度關(guān)注[1]。直接開挖檢測(cè)和焊縫射線底片復(fù)評(píng)是傳統(tǒng)的焊縫缺陷排查方法。由于長(zhǎng)輸管道距離長(zhǎng)、焊縫多、施工質(zhì)量參差不齊，采用直接開挖檢測(cè)排查焊縫異常隱患不僅工作量大、不易實(shí)施，還不能完全反映整條管道的所有焊縫情況。另外，部分管道存在射線底片造假或無(wú)射線底片，且射線底片復(fù)審只能反映安裝階段管道焊縫的情況。因此，上述2 種方法都存在一定的局限性。隨著高清、超高清漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)，焊縫缺陷檢出率和尺寸精度得到大幅度提高，采用漏磁內(nèi)檢測(cè)對(duì)管道焊縫缺陷進(jìn)行識(shí)別、定位開挖及評(píng)價(jià)，逐漸成為油氣管道焊縫缺陷排查最直接有效的方法[2-5]。

目前，對(duì)于焊縫異常，國(guó)內(nèi)外內(nèi)檢測(cè)單位通常是對(duì)漏磁數(shù)據(jù)分析后，按照輕度、中度及重度進(jìn)行簡(jiǎn)單分級(jí)，再對(duì)焊縫異常選擇性地進(jìn)行開挖驗(yàn)證和無(wú)損檢測(cè)，最后根據(jù)檢測(cè)結(jié)果參照安裝驗(yàn)收規(guī)范進(jìn)行評(píng)價(jià)和指導(dǎo)修復(fù)。明顯地，在役管道采用驗(yàn)收規(guī)范進(jìn)行評(píng)價(jià)過(guò)于嚴(yán)苛。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)管體腐蝕缺陷的評(píng)價(jià)與修復(fù)的報(bào)道較多，而關(guān)于焊縫缺陷分類、評(píng)價(jià)及修復(fù)的報(bào)道較少。鑒于此，本文基于鋼管焊接類型和漏磁內(nèi)檢測(cè)原理，系統(tǒng)地介紹不同類型焊縫漏磁信號(hào)特征和工程應(yīng)用，并總結(jié)不同焊縫異常類型典型信號(hào)，然后梳理不同焊縫異常的評(píng)價(jià)方法、響應(yīng)準(zhǔn)則、修復(fù)方法，并提出相關(guān)建議，以期為焊縫缺陷識(shí)別、評(píng)價(jià)、響應(yīng)及修復(fù)提供參考和技術(shù)支持。

1 油氣管道的焊縫類型

油氣管道的焊縫類型根據(jù)焊接特點(diǎn)可分為直焊縫、螺旋焊縫和環(huán)焊縫，其中直焊縫與螺旋焊縫為制管焊縫，環(huán)焊縫為現(xiàn)場(chǎng)施工焊縫。

1）直焊縫。直縫管直徑跨度比較大，在油氣管道應(yīng)用中一般以中小管徑為主。直焊縫一般在制造廠進(jìn)行焊接，焊接方法主要為自動(dòng)埋弧焊、組合焊和電（阻）焊。埋弧焊一般采用自動(dòng)埋弧焊接；組合焊主要采用熔化極氣體保護(hù)焊和埋弧焊，其中熔化極氣體用來(lái)保護(hù)焊縫不完全被埋弧焊道熔化；電（阻）焊是讓待焊板材邊緣通過(guò)機(jī)械加壓焊接在一起，再由感應(yīng)電流或傳導(dǎo)電流流動(dòng)的阻力產(chǎn)生焊接熱量完成焊接[6]。

2）螺旋焊縫。螺旋焊管直徑跨度較直縫管大，在油氣管道中一般以較大口徑為主。其制造方式是將鋼帶按一定的螺旋線角度（成型角）卷成管坯，然后將管縫焊接起來(lái)制成，它可以用較窄的鋼帶生產(chǎn)大直徑的鋼管。螺旋焊縫可選擇的焊接方法與直焊縫相似，鋼管制造廠一般以自動(dòng)埋弧焊為主。

3）環(huán)焊縫。除了部分管件需要在工廠提前焊接外，大部分在施工現(xiàn)場(chǎng)焊接完成。因受到現(xiàn)場(chǎng)施工條件限制，口徑相對(duì)較小的管道環(huán)焊縫焊接形式為單面焊雙面成型，即采用氬弧焊打底與手工電弧焊蓋面的組合方式。較大口徑管道采取雙面焊雙面成型，焊接方法包含氬弧焊、埋弧焊及手工電弧焊。此外，部分老舊管道只采用手工電弧焊，焊接質(zhì)量較差。環(huán)焊縫焊接質(zhì)量影響因素較多，如焊接環(huán)境（溫度、濕度、風(fēng)）、焊接工藝、焊縫接頭設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制等，因此油氣管道環(huán)焊縫施工質(zhì)量參差不齊。

2 焊縫與焊縫缺陷的漏磁信號(hào)分析

2.1 焊縫典型信號(hào)分析及工程應(yīng)用

●2.1.1 焊縫特征信號(hào)形成原理

油氣管道管壁具有高導(dǎo)磁性，管壁被磁化后其表面及近表面形成規(guī)律的漏磁場(chǎng)，漏磁檢測(cè)可利用傳感器檢測(cè)鐵磁性不連續(xù)處的磁場(chǎng)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和分析，從而得出管道缺陷的尺寸信息[7]。焊縫的剖面圖如圖1 所示，管道焊縫區(qū)域存在余高、焊縫金屬成分及熱處理工藝與管道本體不同，導(dǎo)致焊縫與兩側(cè)母材的導(dǎo)磁性不連續(xù)，所以漏磁檢測(cè)時(shí)焊縫具有明顯的特征信號(hào)。

圖1 焊縫示意圖

圖2 為螺旋焊縫與環(huán)焊縫的漏磁信號(hào)圖。由圖2可知，環(huán)焊縫與螺旋焊縫因存在余高和材質(zhì)不連續(xù)，信號(hào)特征明顯。圖2 中螺旋焊縫管管端150 mm 區(qū)域內(nèi)無(wú)焊縫余高時(shí)，仍有明顯的信號(hào)，可證明焊縫與母材的材質(zhì)不連續(xù)。

圖2 環(huán)焊縫與螺旋焊縫的漏磁信號(hào)圖

●2.1.2 不同焊縫類型的漏磁信號(hào)及工程應(yīng)用

圖3 為不同類型焊縫的漏磁信號(hào)圖，其信號(hào)曲線是正弦（先增后減）還是余弦（先減后增）與漏磁檢測(cè)器磁鋼N 極與S 極的順序有關(guān)[8]。直焊縫漏磁信號(hào)如圖3（a）所示，信號(hào)分布與環(huán)焊縫垂直。基于漏磁檢測(cè)原理，周向采樣間距取決于傳感器物理間距，因此直焊縫清晰度較環(huán)焊縫與螺旋焊縫差。螺旋焊縫漏磁信號(hào)如圖3（b）所示，可看出該信號(hào)與環(huán)焊縫呈一定夾角。螺旋焊縫按其旋進(jìn)方向可分為左螺旋和右螺旋。環(huán)焊縫漏磁信號(hào)如圖3（c）所示，該信號(hào)垂直于管道中心線。另外，環(huán)焊縫漏磁信號(hào)呈現(xiàn)單峰信號(hào)時(shí)，表示管壁增厚或者減薄，信號(hào)如圖4 所示。

圖3 焊縫漏磁信號(hào)圖

圖4 變壁厚漏磁信號(hào)圖

焊縫信號(hào)不僅可輔助金屬損失及其他特征信號(hào)識(shí)別，還能定位缺陷及估算金屬損失程度。首先，焊縫為金屬增加信號(hào)極性與金屬損失相反，因此可用于金屬損失信號(hào)識(shí)別，也可用于判定其他管道特征；其次，可用于判定管道壁厚是否變化，從而可對(duì)管道按壁厚進(jìn)行分段評(píng)估及剩余壽命預(yù)測(cè)；最后，可對(duì)比焊縫和金屬損失的峰峰值，通過(guò)牽拉數(shù)據(jù)、開挖數(shù)據(jù)創(chuàng)建和優(yōu)化評(píng)價(jià)模型，精準(zhǔn)地評(píng)價(jià)金屬損失深度。

2.2 焊縫缺陷分類及漏磁信號(hào)分析

●2.2.1 焊縫異常原因及分類

油氣管道焊縫異常根據(jù)生成的時(shí)間不同可分為3個(gè)階段：制造過(guò)程、安裝過(guò)程和使用過(guò)程。鋼管制造過(guò)程受制管廠質(zhì)量管理體系、焊接工藝、無(wú)損檢測(cè)質(zhì)量及是否進(jìn)行制造監(jiān)督檢驗(yàn)等因素影響，可能會(huì)產(chǎn)生焊縫異常缺陷；管道安裝過(guò)程因受焊接條件、焊接方式、質(zhì)量管理、無(wú)損檢測(cè)質(zhì)量控制及是否進(jìn)行安裝監(jiān)督檢驗(yàn)等因素影響，出現(xiàn)焊接異常的概率最大；管道服役過(guò)程中焊縫受輸送介質(zhì)、陰保系統(tǒng)、外防腐層質(zhì)量、土壤環(huán)境及第三方施工等影響，也可能形成焊縫異常及相關(guān)缺陷。

焊縫異常按缺陷的形狀與尺寸可分為體積型缺陷、面積型缺陷及外形不規(guī)則缺陷。體積型缺陷包括氣孔、夾渣、過(guò)度打磨、焊縫上的腐蝕及未焊滿等；平面型缺陷包括未焊透、未熔合、裂紋等；外形不規(guī)則缺陷包括錯(cuò)邊、咬邊等[1]。

焊接缺陷按信號(hào)特點(diǎn)還可分為如下3 類：焊縫異常、焊縫附近的母材異常、不合理的焊接接頭及其他情況。

●2.2.2 焊縫缺陷典型信號(hào)

1）焊縫異常

焊縫異常是指焊接缺陷主要分布在焊縫、熔合區(qū)及熱影響區(qū)的焊縫缺陷。按焊縫類型可分為直焊縫異常、螺旋焊縫異常及環(huán)焊縫異常。

（1）直焊縫異常。直焊縫異常的主要缺陷形式為點(diǎn)狀焊縫缺陷[9]。受漏磁檢測(cè)技術(shù)清晰度的制約，直焊縫異常之前報(bào)道較少?，F(xiàn)階段，高清及超高清漏磁檢測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)可識(shí)別大量直焊縫異常。直焊縫異常缺陷如圖5（a）所示，分別為漏磁場(chǎng)信號(hào)垂直分量曲線圖和偽彩圖，圖中缺陷為點(diǎn)狀缺陷。

圖5 焊縫異常漏磁信號(hào)圖

圖5 焊縫異常漏磁信號(hào)圖（續(xù)）

（2）螺旋焊縫異常。大部分螺旋焊管出廠前需進(jìn)行數(shù)字射線無(wú)損檢測(cè)，因此漏磁檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的焊縫異常主要為服役階段生成[10]。螺旋焊縫異常缺陷如圖5（b）所示，圖中缺陷為點(diǎn)狀缺陷。

（3）環(huán)焊縫異常。環(huán)焊縫因?yàn)榇蟛糠质乾F(xiàn)場(chǎng)焊接完成，焊縫質(zhì)量與施工質(zhì)量及服役環(huán)境息息相關(guān)。環(huán)焊縫異常缺陷如圖5（c）所示，圖中為坡口未熔合缺陷。

2）焊縫附近母材異常

焊縫附近母材異常主要可分為過(guò)度打磨和補(bǔ)口處腐蝕2 種。過(guò)度打磨一般發(fā)生在管道焊接前開坡口時(shí)，尤其是不同壁厚管道之間的焊接。圖6 為典型的過(guò)度打磨缺陷信號(hào)圖，圖中為異種壁厚鋼管焊接，右側(cè)彎頭比左側(cè)直管的壁厚大。補(bǔ)口處腐蝕的原因是管道環(huán)焊縫附近的補(bǔ)口位置防腐質(zhì)量不合格，焊縫附近發(fā)生腐蝕。圖7 為典型的補(bǔ)口處腐蝕信號(hào)圖。

圖6 過(guò)度打磨缺陷漏磁信號(hào)圖

圖7 補(bǔ)口處缺陷漏磁信號(hào)圖

3）不合理的焊接接頭及其他情況

不合理的焊接接頭主要分為錯(cuò)邊、斜接等，主要原因是施工設(shè)計(jì)不合理和現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量不規(guī)范。圖8為焊縫斜接的漏磁信號(hào)圖。

圖8 焊縫斜接的漏磁信號(hào)圖

焊縫若受到應(yīng)力集中，也會(huì)增加焊縫失效的風(fēng)險(xiǎn)，如強(qiáng)組對(duì)（碰死口）、返修口及焊縫上存在較大變形等。圖9 為螺旋焊縫附近存在凹陷的情況。

圖9 與焊縫相關(guān)的凹陷漏磁信號(hào)圖

3 焊縫缺陷評(píng)價(jià)與修復(fù)建議

3.1 油氣管道設(shè)計(jì)及驗(yàn)收規(guī)范相關(guān)規(guī)定

關(guān)于新建長(zhǎng)輸油氣管道，GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]、GB 50253—2014《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]中焊縫質(zhì)量均要求應(yīng)符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY／T 4109—2020《石油天然氣鋼質(zhì)管道無(wú)損檢測(cè)》[13]的有關(guān)規(guī)定，合格等級(jí)應(yīng)為Ⅱ級(jí)或以上等級(jí)。另外，GB 50369—2014 《油氣長(zhǎng)輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》[14]中規(guī)定，斜接角度不得大于3°，錯(cuò)邊應(yīng)小于等于壁厚的1／8，且連續(xù)50 mm 范圍內(nèi)局部最大不應(yīng)大于3 mm，且錯(cuò)邊沿周長(zhǎng)應(yīng)均勻分布。

3.2 焊縫缺陷失效評(píng)價(jià)方法及響應(yīng)準(zhǔn)則

●3.2.1 工業(yè)管道含焊縫缺陷的評(píng)定

工業(yè)管道按照TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則——工業(yè)管道》對(duì)裂紋缺陷和焊接缺陷（咬邊、圓形缺陷、條形缺陷、未焊透、未熔合及錯(cuò)邊）按照1～4級(jí)進(jìn)行評(píng)定，最終根據(jù)管道的綜合情況進(jìn)行安全狀況等級(jí)綜合評(píng)定[15]。

●3.2.2 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中焊縫缺陷失效評(píng)價(jià)方法

對(duì)于油氣管道焊縫缺陷，國(guó)內(nèi)慣用的方法是參照設(shè)計(jì)及驗(yàn)收規(guī)范進(jìn)行評(píng)判，不合格的建議修復(fù)，顯然過(guò)于保守。國(guó)內(nèi)外存在較多對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行失效評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)有ASME B31G、BS 7910 和API 579-1／ASME FFS-1，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)有SY／T 6151、SY／T 6477 和GB／T 19624。根據(jù)焊縫缺陷類型不同，可參照表1 選擇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行失效評(píng)估，評(píng)價(jià)中涉及的缺陷尺寸可采用超聲技術(shù)測(cè)量[16-18]。

表1 焊縫缺陷評(píng)價(jià)指南

在評(píng)價(jià)過(guò)程中，材料參數(shù)如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均可參照標(biāo)準(zhǔn)選取，而斷裂韌性Kmat需根據(jù)材料試驗(yàn)值或CVN 值進(jìn)行計(jì)算。國(guó)內(nèi)油氣管道主要依據(jù)GB／T 9711 制造，其中PLS1 鋼管制造時(shí)沒(méi)有進(jìn)行夏比V 型缺口（CVN）沖擊試驗(yàn)，所以對(duì)在役管道進(jìn)行評(píng)估存在一定的難度[6，17]。

●3.2.3 焊縫缺陷響應(yīng)準(zhǔn)則

關(guān)于焊縫缺陷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較多，而對(duì)焊縫缺陷是否需要維修的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較少，部分標(biāo)準(zhǔn)及建議見表2。此外，焊縫附近過(guò)度打磨和補(bǔ)口處腐蝕可參照管體腐蝕響應(yīng)準(zhǔn)則響應(yīng)。

表2 焊縫缺陷響應(yīng)準(zhǔn)則

●3.2.4 油氣管道焊縫缺陷修復(fù)建議

油氣管道焊縫缺陷可參照表3中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修復(fù)。表3 所列標(biāo)準(zhǔn)中，B 型套筒修復(fù)方式可用于所有焊縫缺陷的永久性修復(fù)[19]。

表3 焊縫缺陷修復(fù)方式參考標(biāo)準(zhǔn)[19]

4 應(yīng)對(duì)策略及建議

1）針對(duì)在役管道焊縫缺陷評(píng)估時(shí)，部分管道無(wú)CVN 值，無(wú)法計(jì)算材料斷裂韌性，不能進(jìn)行面積型焊縫缺陷失效評(píng)估，建議管道制造出廠時(shí)，增加夏比V型缺口（CVN）沖擊試驗(yàn)；

2）檢測(cè)機(jī)構(gòu)收集現(xiàn)場(chǎng)開挖驗(yàn)證的焊縫缺陷特征，加工焊縫缺陷試驗(yàn)樣管，進(jìn)行牽拉試驗(yàn)，建立焊縫缺陷漏磁信號(hào)圖庫(kù)，對(duì)含缺陷樣管進(jìn)行爆破試驗(yàn)，獲得最大工作壓力和失效模式，為以后焊縫缺陷漏磁信號(hào)識(shí)別、失效評(píng)估提供技術(shù)支撐；

3）管道使用單位定期對(duì)油氣管道進(jìn)行高清及超高清漏磁內(nèi)檢測(cè)，并對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊，了解缺陷生長(zhǎng)情況，以便評(píng)估焊縫異常剩余使用壽命；

4）鋼管制造廠加強(qiáng)鋼管制造過(guò)程質(zhì)量管理，提高制管焊縫的無(wú)損檢測(cè)比例，對(duì)于不合格焊縫及時(shí)返修，消除隱患；

5）安裝單位應(yīng)加強(qiáng)鋼管運(yùn)輸、入庫(kù)、敷設(shè)及安裝過(guò)程中的質(zhì)量監(jiān)管，對(duì)發(fā)生外力損傷的鋼管進(jìn)行修復(fù)或切除，避免管道帶傷服役；

6）施工方應(yīng)提高管道安裝現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量，選擇合適的施工工藝，嚴(yán)格按照安裝施工規(guī)范進(jìn)行施工和檢測(cè)。

5 結(jié)論

1）根據(jù)油氣管道施工特點(diǎn)將焊縫分為直焊縫、螺旋焊縫和環(huán)焊縫3 類；

2）基于漏磁內(nèi)檢測(cè)原理歸納出焊縫漏磁信號(hào)的特點(diǎn)，有利于缺陷評(píng)價(jià)和其他管道特征識(shí)別；

3）按照漏磁信號(hào)特點(diǎn)將焊縫缺陷分為焊縫異常、焊縫附近的母材異常、不合理的焊接接頭及其他情況，并得出不同類型焊縫缺陷產(chǎn)生的原因和信號(hào)特征，有利于焊縫缺陷的識(shí)別；

4）總結(jié)出焊縫缺陷在設(shè)計(jì)、施工驗(yàn)收、失效評(píng)價(jià)、響應(yīng)準(zhǔn)則及修復(fù)建議方面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，有利于在役油氣管道焊縫缺陷評(píng)價(jià)與修復(fù)的實(shí)施；

5）為完善在役油氣管道焊縫缺陷漏磁信號(hào)識(shí)別及評(píng)價(jià)體系和減少焊縫缺陷提供相關(guān)建議，以期為焊縫缺陷隱患排查及保障油氣管道運(yùn)行安全提供技術(shù)支持。