管道環(huán)向?qū)雍附咏宇^超聲檢測用對比試塊的討論

張學成,雷 嘯,楊龍榮

(四川正吉油氣田工程建設檢測有限公司,成都 610021)

石油天然氣行業(yè)采用超聲檢測管道環(huán)向?qū)雍附咏宇^,通常執(zhí)行SY/T 4109—2005標準《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測》。近幾年,超聲檢測管道環(huán)向?qū)雍附咏宇^執(zhí)行JB/T 4730.3—2005標準《承壓設備無損檢測 第3部分:超聲檢測》逐漸增多,實施過程中出現(xiàn)了這樣一個問題:管道外徑≥159 mm的管道環(huán)向?qū)雍附咏宇^在超聲檢測時應如何設計、制作和選用對比試塊。

JB/T 4730.3—2005標準中6.1條只明確設計了適用于壁厚≥4 mm,外徑為32～159 mm環(huán)向?qū)雍附咏宇^的GS系列試塊。有觀點認為,JB/T 4730.3—2005中5.1.3.4規(guī)定“檢測曲面工件時,如檢測曲率半徑R≤W2/4時(W 為探頭接觸面寬度,環(huán)縫檢測時為探頭寬度,縱縫檢測時為探頭長度),應采用與檢測面曲率相同的對比試塊”。選擇探頭尺寸,使R＞W(wǎng)2/4,就可以使用現(xiàn)成相應的平面試塊(如CSK-ⅡA)進行超聲檢測。筆者認為,這樣反向延伸標準的規(guī)定是想當然且錯誤的。又有觀點認為,那就制作與檢測面曲率相同的對比試塊。這是可以的,但試塊的人工反射體如何選擇,如何設計以使得對比試塊一塊多用,便于現(xiàn)場操作和降低成本,筆者嘗試進行一些探討。

1 JB/T 4730.3對試塊的要求和分析

該標準6.1條規(guī)定了壁厚4～6 mm,管道外徑≥159 mm的管道環(huán)向?qū)雍附宇^超聲檢測要求。檢測用的距離-波幅曲線的三條曲線靈敏度是用φ 2 mm×20 mm加減分貝數(shù)表示的。顯然,所要求的對比試塊的人工反射體同GS試塊一樣,是φ 2 mm×20 mm橫通孔。標準的6.1.2.2還規(guī)定,對比試塊的曲率應與被檢管徑相同或相近,其曲率半徑之差不應大于被檢管徑的10%。

標準附錄G規(guī)定了母材厚度6～8 mm鋼制承壓設備對接焊接接頭的超聲檢測和質(zhì)量分級,采用的試塊是人工反射體為φ2 mm×40 mm橫孔的CSK-ⅡAm試塊。

標準的5.1條中規(guī)定了母材厚度8 mm以上對接焊接接頭的超聲檢測和質(zhì)量分級,在母材厚度≤120 mm時,采用的試塊是人工反射體為φ 2 mm×40 mm橫孔的CSK-ⅡA和人工反射體為φ 1 mm×6 mm短橫孔的CSK-ⅢA試塊。兩者都是平面型試塊,采用時必擇其一。標準在5.1.6.2曲面工件(直徑≤500 mm)對接焊接接頭的超聲檢測中規(guī)定:“環(huán)縫檢測時,對比試塊的曲率半徑應為檢測面曲率半徑的0.9～1.5倍”。這就是說,直徑500 mm以上對接環(huán)向焊接接頭的超聲檢測可用平面試塊;直徑≤500 mm時,就要按“對比試塊的曲率半徑應為檢測面曲率半徑的0.9～1.5倍”設計、制作或選用對比試塊。當然,這里隱含了一個條件,按照標準5.1.3.4的要求,所選探頭接觸面寬度W應滿足R＞W(wǎng)2/4(式中R為曲率半徑),否則,只能采用與檢測面曲率相同的對比試塊。

按照標準對管道外徑≥159 mm的環(huán)向?qū)雍附咏宇^超聲檢測的上述要求,不難看出,在所選探頭滿足R＞W(wǎng)2/4的條件下,管道母材厚度決定了對比試塊的人工反射體類型,管道外徑?jīng)Q定了對比試塊檢測面的曲率半徑。

2 設計對比試塊的3個考慮步驟

根據(jù)上文分析,管道外徑≥159 mm的環(huán)向?qū)雍附咏宇^超聲檢測用對比試塊的設計可分三步考慮:

(1)考慮管道的壁厚,以決定對比試塊的人工反射體類型和尺寸。根據(jù)管道壁厚,對比試塊可分為3類:①壁厚4～6 mm 的,采用φ 2 mm×20 mm的橫通孔。②壁厚6～8 mm的,采用φ2 mm×40 mm橫通孔。③壁厚8 mm以上的,采用φ 2 mm×40 mm橫孔或φ 1 mm×6 mm短橫孔。

(2)考慮管道的外徑,以決定對比試塊檢測面的曲率半徑。外徑＞500 mm時用平面對比試塊,外徑≤500 mm時用曲面對比試塊,試塊的曲率半徑應為實物檢測面曲率半徑的0.9～1.5倍。對于壁厚4～6 mm管道,要求苛刻一些,曲率半徑之差不應大于被檢管徑的10%(即對比試塊的曲率半徑應為檢測面曲率半徑的0.9～1.1倍)。顯然,兩者相等時檢測耦合誤差最小。根據(jù)標準的5.1.3.4規(guī)定,當探頭寬度W＞2R1/2時,只能選擇兩者相等。

(3)考慮檢測需要,以決定對比試塊人工反射體數(shù)量和布置、一塊多用和系列化。對于單一規(guī)格管道環(huán)向?qū)雍附咏宇^超聲檢測,設計一個對比試塊,人工反射體設置盡量少,能滿足制作距離-波幅曲線制作要求即可。對于多種規(guī)格管道環(huán)向?qū)雍附咏宇^超聲檢測就還要考慮對比試塊一塊多用,必要時系列化,覆蓋所需要的檢測對象。

下又結(jié)合各類對比試塊設計和應用加以說明。

3 各類對比試塊的設計和應用

3.1 Ⅰ類對比試塊

對于壁厚4～6 mm管道,由于壁厚小,很難運用相同管材加工對比試塊。因采用的對比試塊人工反射體為φ 2 mm×20 mm的橫通孔,這為石油天然氣管道檢測提供了方便。管道環(huán)向?qū)雍附咏宇^超聲檢測通常采用SY/T 4109—2005標準,使用SGB系列試塊,試塊的人工反射體也是φ 2 mm×20 mm橫通孔。SGB-3,4,5型試塊就可拿來所用。根據(jù)這些試塊曲率半徑和JB/T 4730.3—2005的6.1.2.2規(guī)定計算得到,SGB-3,4,5可分別用于外徑159～168.9 mm,218.2～266.7 mm,363.6～444.4 mm的鋼管環(huán)向?qū)雍附咏宇^的超聲檢測,這就大體解決了壁厚4～6 mm,外徑≥159 mm的常用管徑鋼管環(huán)向?qū)雍附咏宇^超聲檢測所需的對比試塊問題。沒有SGB系列試塊的單位,筆者建議按圖1制作對比試塊,如有必要,可參照SGB系列試塊思路結(jié)合本單位檢測實際,按標準6.1.2.2要求制作一套系列試塊。

圖1 Ⅰ類對比試塊

如圖1所示對比試塊材料選擇與被檢測對象相同或相近材質(zhì)。該對比試塊可運用在管道半徑為0.9～1.1R,壁厚4～6 mm管道環(huán)向?qū)雍附咏宇^環(huán)向?qū)雍附咏宇^的超聲檢測。注:底面為平面,可用反射波擴大孔使用深度。R為受檢鋼管外半徑;L為試塊長度,由使用的聲程確定;尺寸誤差≤±0.05 mm。

3.2 Ⅱ類對比試塊

對于母材厚度6～8 mm,外徑≤159 mm的鋼制承壓設備管道環(huán)向?qū)雍附咏宇^超聲檢測,應采用φ 2 mm×40 mm的CSK-ⅡA試塊。對比試塊可作如下考慮:

鋼管外徑500 mm以上的選擇CSK-ⅡA平面試塊使用。鋼管外徑500 mm以下就要制作曲面對比試塊。

對于單一規(guī)格壁厚的鋼管環(huán)焊縫,采用的對比試塊檢測面的曲率半徑同受檢鋼管外半徑,人工反射體為φ 2 mm×40 mm 的長橫孔,屬CSK-ⅡA型試塊。由于試塊有一面是曲面,該面不能用于一次反射波,相對平面也不能作為制作距離-波幅曲線的檢測面,CSK-ⅡA試塊型式就要從兩孔設計變成三孔設計,如圖2所示。

圖2 Ⅱ類對比試塊

當然,圖 2試塊也可用于外半徑為 0.67～1.11R且相同壁厚的鋼管環(huán)焊縫超聲檢測的對比試塊。但必須選擇探頭寬度W＜2R1/2的探頭。圖2試塊還可直接用受檢焊縫母材相同鋼管截一段鉆孔制作(圖2虛線)。注:T為鋼管壁厚;R為受檢鋼管外半徑;L為試塊長度,由使用的聲程確定;尺寸誤差≤±0.05 mm。

3.3 Ⅲ類對比試塊

對于母材厚度8 mm以上對接環(huán)向焊接接頭的超聲檢測,按照母材厚度和合同要求,采用人工反射體為φ 2 mm×40 mm的長橫孔或φ 1 mm×6 mm短橫孔。同樣,鋼管外徑500 mm以上的選擇CSK-ⅡA或CSKⅢA平面試塊使用。鋼管外徑500 mm以下就要制作曲面對比試塊。

對于單一規(guī)格鋼管環(huán)焊縫檢測可按圖2設計制作對比試塊。有多種規(guī)格鋼管環(huán)焊縫檢測任務的單位(如無損檢測機構(gòu)),每一種規(guī)格鋼管都要制做一塊對比試塊將增加成本,每次加工還要耽誤時間,現(xiàn)場檢測攜帶也不方便。筆者吸取 SY/T 4109—2005標準的SGB試塊系列化的經(jīng)驗,在選擇探頭寬度W＜2R1/2的條件下,選用表1所列三種試塊參數(shù)的設計,就可包括壁厚 ＜50 mm,外徑 159～500 mm鋼管環(huán)焊縫超聲檢測所需的對比試塊。試塊型式見圖3。從表1中可看出,試塊檢測面的曲率半徑設計在常用管附近(常用管 φ168.3,273,457 mm),減少耦合誤差,有利于提高檢測的準確性。至于試塊之間適用鋼管外徑范圍有部分重疊,主要是為了擴大單個試塊的使用范圍,對有些場合,可減少現(xiàn)場檢測人員攜帶試塊數(shù)量。注:R見表1;尺寸誤差≤±0.05 mm。

表1 試塊參數(shù)

圖3 Ⅲ類對比試塊

Ⅱ,Ⅲ類對比試塊均采用人工反射體為φ 2 mm×40 mm的橫通孔,試塊較寬、較重,如改為φ 1 mm×6 mm的短橫孔,試塊寬度可從40 mm變?yōu)?0 mm,可減輕重量,但只能用于壁厚8 mm以上的鋼管環(huán)焊縫。還應注意,應如CSK-ⅢA試塊那樣開半徑R=10 mm的半圓槽,在槽內(nèi)鉆φ1 mm×6 mm的短橫孔,以避免界面對超聲波的影響。

4 結(jié)語

鋼管外徑≥159mm的環(huán)向?qū)雍附咏宇^超聲檢測是曲面工件對接焊接接頭超聲檢測的一個重要應用。JB/T 4730.3—2005對曲面工件對接焊接接頭超聲檢測除了要求“可盡量按平板對接焊接接頭的檢測方法進行檢測”外,另一個重要要求就是對對比試塊的設計和制作要求。

根據(jù)管子的外徑?jīng)Q定對比試塊檢測面的曲率半徑,根據(jù)管子的壁厚決定對比試塊的人工反射體類型和尺寸,按照標準關于“環(huán)縫檢測時,對比試塊的曲率半徑應為檢測面曲率半徑的0.9～1.5倍”、檢測壁厚4～6 mm管道“對比試塊的曲率應與被檢管徑相同或相近,其曲率半徑之差不應大于被檢管徑的10%”以及“如檢測曲率半徑R≤W2/4時,應采用與檢測面曲率相同的對比試塊”等規(guī)定,正確設計人工反射體位置和數(shù)量、減少對比試塊數(shù)量,形成系列化,方便應用。應用時應注意探頭寬度 W的選擇。