超聲檢測(cè)在管道焊縫腐蝕中的應(yīng)用

文 毅，馮 強(qiáng)，李 燕

（1.四川科特石油工業(yè)井控質(zhì)量安全監(jiān)督測(cè)評(píng)中心，廣漢 638300；2.塔里木油田公司，庫(kù)爾勒 841000）

某油田處理廠近年曾連續(xù)發(fā)生兩起因管道焊縫腐蝕導(dǎo)致的泄漏。如何運(yùn)用超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)管道焊縫腐蝕，是管道在役檢測(cè)急需解決的問(wèn)題。超聲檢測(cè)對(duì)缺陷定性主要依賴(lài)于檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)水平，是通過(guò)超聲檢測(cè)回波在焊縫上的水平和深度位置、回波的波高、波形等特點(diǎn)來(lái)判斷。筆者通過(guò)超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)管道焊縫腐蝕試樣進(jìn)行了反復(fù)檢測(cè)試驗(yàn)總結(jié)，找出超聲波檢測(cè)管道焊縫腐蝕的各種特點(diǎn)。

1 管道焊縫腐蝕后的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

焊縫在各種腐蝕原因的作用下，如母材和焊縫之間由于各種化學(xué)成分、金相組織等的差別形成的電位差，在介質(zhì)的作用下，加速焊縫腐蝕；焊縫本身存在缺陷，在介質(zhì)的作用下，發(fā)生焊縫腐蝕；以及在安裝過(guò)程中的強(qiáng)力裝配焊接，形成較大的焊接應(yīng)力，加速焊縫腐蝕等[1]，容易造成焊縫腐蝕速度大于母材，形成溝槽。在母材和焊縫熔合處形成一條腐蝕輪廓，該輪廓猶如未焊透母材的鈍邊，但并不像鈍邊那樣規(guī)則整齊，而是凹凸不平的。如圖1所示。

圖1 管道焊縫腐蝕

2 影響焊縫腐蝕回波信號(hào)的因素

單面焊雙面成型的焊縫發(fā)生腐蝕后，會(huì)在管道母材與焊縫兩側(cè)熔合線處形成兩條輪廓，超聲波遇此輪廓后就會(huì)形成端角反射，被超聲檢測(cè)儀接收，在顯示屏上出現(xiàn)回波信號(hào)。能否發(fā)現(xiàn)焊縫腐蝕與所用超聲探頭的K值和腐蝕形成的端角規(guī)整程度有關(guān)。

2.1 大K值探頭端角反射率

根據(jù)端角反射的理論[2]，當(dāng)入射角在35°～55°，即K值在0.7～1.43時(shí)，端角反射率達(dá)100%。當(dāng)入射角不小于56°，即K不小于1.5時(shí)，檢測(cè)靈敏度較小。但很多管道壁厚通常在10 mm左右，不適合用較小K值的探頭進(jìn)行探傷，K值選擇多在2.0～2.5之間。通過(guò)研究橫波端角反射率，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)入射角在60°時(shí)并不是沒(méi)有反射，只是反射率較低，在15%左右；而當(dāng)入射角等于63.5°，即K值為2時(shí)，反射率在30%左右；當(dāng)入射角等于68°，即K值為2.5時(shí)；反射率達(dá)到60%左右。也就是說(shuō)，在使用大K值（K 2，K 2.5）探頭檢測(cè)焊縫腐蝕時(shí)，端角反射率在30%以上，能夠接收到根部的回波。

圖2 橫波端角反射率

2.2 端角腐蝕規(guī)整度的影響

端角反射原理如圖3所示。當(dāng)在A點(diǎn)或者B點(diǎn)發(fā)生腐蝕，超聲波探頭發(fā)射一束聲波到達(dá)A和B時(shí)，因?yàn)榉瓷涿娴陌纪共黄?，一部分聲束將發(fā)生散射，如圖3（b）所示，只有部分反射波信號(hào)能夠被探頭接收。由于接收的反射波信號(hào)減少，所以回波波高就比完好端角反射的波高要低。

3 管道焊縫腐蝕回波信號(hào)的識(shí)別

3.1 焊縫腐蝕與其他缺陷信號(hào)的差異

超聲波檢測(cè)單面焊雙面成型管道焊縫時(shí)，根部出現(xiàn)的缺陷主要有未焊透、裂紋、焊瘤、夾渣、氣孔和腐蝕等。

圖3 端角反射原理

焊縫兩側(cè)對(duì)裂紋類(lèi)缺陷探傷時(shí)，水平定位在同一位置。焊縫兩側(cè)對(duì)焊瘤探傷時(shí)，水平定位將出現(xiàn)交叉，偏向于焊縫中心對(duì)側(cè)，在焊縫中連續(xù)出現(xiàn)的可能性較小。點(diǎn)狀?yuàn)A渣的回波信號(hào)與點(diǎn)狀氣孔相似，斜探頭從不同方向探測(cè)，反射波高不同。條狀?yuàn)A渣的回波信號(hào)多呈鋸齒狀，回波寬而帶有多個(gè)波峰，探頭橫向移動(dòng)時(shí)，各個(gè)波峰的高度隨之發(fā)生變化。由于夾渣內(nèi)部含有非金屬或金屬物，聲阻抗變化相對(duì)較小，所以回波低。氣孔缺陷波形穩(wěn)定、尖銳，進(jìn)行環(huán)繞掃查時(shí)波高較為穩(wěn)定，探頭移動(dòng)很快便消失，沒(méi)有指示長(zhǎng)度[3]。

根部未焊透與焊縫腐蝕的信號(hào)回波相似。根部未焊透回波的特點(diǎn)是熔敷金屬未完全熔化母材，在母材根部形成了端角。進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)在根部同樣會(huì)出現(xiàn)端角反射。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，為了解未焊透與焊縫腐蝕回波波高的關(guān)系，利用一塊完好的試塊端角反射模擬未焊透信號(hào)與其進(jìn)行對(duì)比。試塊壁厚與焊縫腐蝕的管道壁厚同為12 mm，分別采用K 1.5，K 2，K 2.5探頭做好距離－波幅曲線。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不論是完好試塊或者焊縫腐蝕的管道，其端角反射回波高低與K值有較大關(guān)系，反射回波都比較容易被發(fā)現(xiàn)。試塊端角反射的波高高于判廢線10 dB以上，而焊縫腐蝕的管道反射回波處于Ⅱ區(qū)或者稍超過(guò)判廢線，如表1所示。

表1 端角反射回波波高對(duì)比

3.2 管道焊縫腐蝕信號(hào)判定

通過(guò)分析焊縫腐蝕后的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)其回波在焊縫的水平和深度位置與根部未焊透類(lèi)似。水平位置位于焊縫中心線部位偏向于母材一側(cè)；深度位于工件根部，兩側(cè)檢測(cè)時(shí)不重合，有一定的間隙，如圖4所示。根部未焊透波形穩(wěn)定，橫向移動(dòng)時(shí)波幅無(wú)變化或者很小，而焊縫腐蝕回波波形和波幅有一定的變化。焊縫腐蝕回波高度要比根部未焊透低很多，一般處于距離－波幅曲線中的II區(qū)或稍超過(guò)判廢線。利用回波在焊縫中的水平和深度位置、回波高度較低和橫向移動(dòng)時(shí)波形變化等特點(diǎn)可以判定焊縫是否存在腐蝕現(xiàn)象。

圖4 超聲檢測(cè)分析圖

管道的腐蝕是多樣化的，在超聲檢測(cè)懷疑存在焊縫腐蝕時(shí)，應(yīng)運(yùn)用多種檢測(cè)方法進(jìn)行復(fù)核。如采用射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)焊縫進(jìn)行透照，根據(jù)底片的黑度差，能夠直接判定其腐蝕情況；運(yùn)用超聲衍射時(shí)差法（TOFD），通過(guò)觀察底面反射波的變化來(lái)判斷根部情況。

4 典型應(yīng)用

某油田處理廠內(nèi)原料氣（含H2O，CL－等）管道總長(zhǎng)229.7 m，管道規(guī)格φ323 mm×14 mm，材質(zhì)為20 G，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，使用壓力7.6 MPa，常溫，管道級(jí)別GC1，使用年限3年。根據(jù)《在用工業(yè)管道定期檢驗(yàn)規(guī)程》編制檢驗(yàn)方案，著重檢測(cè)管道彎頭和三通壁厚，壁厚檢測(cè)抽檢比例為50%，對(duì)管道焊縫超聲檢測(cè)抽檢比例為15%。在對(duì)管道壁厚檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)管道局部存在腐蝕，超聲檢測(cè)抽檢管道環(huán)焊縫有反射回波，波幅位于DAC曲線Ⅱ區(qū)，兩側(cè)檢測(cè)都能收到回波，兩側(cè)定位有一定的間隙，水平移動(dòng)時(shí)波幅不穩(wěn)定。由于一時(shí)無(wú)法判定該缺陷性質(zhì)，將抽檢比例擴(kuò)大到30%后，發(fā)現(xiàn)共有4條環(huán)焊縫都存在這種情況。經(jīng)射線檢測(cè)復(fù)查確定，這4條環(huán)焊縫都存在腐蝕，引起運(yùn)行方的高度重視，要求判定該腐蝕的嚴(yán)重情況。通過(guò)TOFD檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該焊縫出現(xiàn)雙底波，最大量為4.0 mm。根據(jù)GB 50316－2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，該管道強(qiáng)度校核計(jì)算壁厚為10.72 mm。建議運(yùn)行方監(jiān)控使用。一年后廠內(nèi)檢修，將其更換，管道部分焊縫腐蝕深度已達(dá)6 mm左右。

5 結(jié)語(yǔ)

由于超聲檢測(cè)無(wú)法直接對(duì)缺陷進(jìn)行定性，故缺陷的定性取決于檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)水平。但是通過(guò)了解焊縫的結(jié)構(gòu)和回波特點(diǎn)，是可以檢測(cè)出這類(lèi)缺陷的。實(shí)踐證明，超聲波檢測(cè)能夠判斷管道焊縫是否存在腐蝕，但應(yīng)充分了解管道的材質(zhì)、輸送的介質(zhì)、焊縫坡口形式和焊接工藝等，運(yùn)用超聲檢測(cè)判定，最后運(yùn)用多種方法進(jìn)行復(fù)核。

[1]賴(lài)春曉.焊縫腐蝕的原因和解決方法[J].全面腐蝕控制，2004，18（6）：10－12.

[2]中國(guó)特種設(shè)備檢驗(yàn)協(xié)會(huì)編寫(xiě).超聲檢測(cè)[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008.

[3]曹剛，朱思民.焊縫超聲波檢測(cè)回波信號(hào)分析[J].無(wú)損檢測(cè)，2004，26（10）：533－536.