全自動超聲檢測與射線檢測對管道環(huán)焊縫側(cè)壁未熔合缺陷的檢測能力

張宏亮，李　佳，白振軍，李旭生，曹立江，?！?/p>

(1.廊坊北檢無損檢測公司， 廊坊 065001;2.中石油管道科學(xué)研究院， 廊坊 065000;3.廊坊中油管道房地產(chǎn)開發(fā)有限公司， 廊坊 065000)

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全自動超聲檢測與射線檢測對管道環(huán)焊縫側(cè)壁未熔合缺陷的檢測能力

張宏亮1，李佳2，白振軍1，李旭生1，曹立江1，牛犖3

(1.廊坊北檢無損檢測公司， 廊坊 065001;2.中石油管道科學(xué)研究院， 廊坊 065000;3.廊坊中油管道房地產(chǎn)開發(fā)有限公司， 廊坊 065000)

為了探究管道全自動超聲檢測(AUT)和射線檢測(RT)對管道對接環(huán)焊縫側(cè)壁未熔合缺陷的檢測能力，設(shè)計了專用的對比試塊，通過對測試結(jié)果做回歸分析，計算出了AUT檢測側(cè)壁未熔合缺陷的最小高度值。通過分析RT靈敏度與缺陷坡口角度之間的關(guān)系，將AUT與RT的靈敏度進(jìn)行了對比，分析了AUT與RT檢測法在環(huán)焊縫側(cè)壁未熔合缺陷檢測能力上的差異，并解釋了產(chǎn)生差異的原因，得出此兩種檢測方法存在不同靈敏度極限的結(jié)論,且不建議使用射線檢測對AUT方法檢出結(jié)果進(jìn)行抽檢。

管道；相控陣超聲波；全自動超聲波檢測；X射線檢測；側(cè)壁未熔合

1　案例分析

圖1　復(fù)合微型坡口示意

在某工程試驗階段，對復(fù)合坡口自動焊接工藝的對接環(huán)形焊縫進(jìn)行無損檢測，坡口形式如圖1所示，檢測時采用了PIPEWIAZRD分層聚焦相控陣超聲波檢測(以下簡稱AUT[1])和射線檢測(以下簡稱RT)兩種方法，進(jìn)行100% AUT檢測和20% RT抽查。AUT合格率為97.49%，不合格焊縫中未熔合占91%；RT抽檢合格率為84.7%，未熔合占82.3%。AUT檢測和RT檢測出的不合格焊縫沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系，且RT發(fā)現(xiàn)的未熔合比AUT發(fā)現(xiàn)的還要多。由圖23可見在RT底片上存在極細(xì)的黑色線條狀未熔合，該未熔合單長及累計長度超標(biāo)，按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)評定為不合格[2]，在對應(yīng)的AUT方法檢測雙門帶狀圖中卻大部分顯示為綠色[3]，B掃描和TOFD法(超聲衍射時差法)也能發(fā)現(xiàn)該缺陷，但按照標(biāo)準(zhǔn)Q-SY GJX 133-2012規(guī)定的方法測量[2]評定此缺陷為合格。說明兩種檢測方法可能存在不同的檢測能力下限。

圖2　RT檢測的側(cè)壁未熔合缺陷照片

在圖2中，焊縫號：G1-LH104-057;位置：0300 mm;深度：未知;性質(zhì)：夾層(坡口)未熔合;長度：70 mm。按標(biāo)準(zhǔn)Q/SY GJX 133-2012評定此缺陷為不合格。

圖3　AUT掃查的側(cè)壁未熔合缺陷

在圖3中，焊縫號：G1-LH104-057;位置：0300 mm;深度：13.5 mm;長度：39 mm,按標(biāo)準(zhǔn)Q/SY GJX 133-2012評定此缺陷合格。

在環(huán)焊縫自動焊中，填充區(qū)側(cè)壁未熔合缺陷占總?cè)毕葜械?0%以上。為此，筆者通過試驗用AUT和RT兩種方法，對填充區(qū)側(cè)壁未熔合缺陷檢測能力進(jìn)行分析。

2　AUT檢測原理

AUT檢測是一種基于脈沖反射法的超聲波檢測方法[3]。其將焊縫沿厚度方向分成若干個區(qū)，每個區(qū)厚23 mm ，每個分區(qū)用一對或兩對聚焦聲束檢測熔合線上的缺陷，體積型缺陷用非聚焦探頭檢測，檢測結(jié)果以圖像形式顯示，主要有A掃描-雙門帶狀圖、B掃描圖、TOFD衍射波時差法檢測結(jié)果。探頭沿著管道環(huán)向掃查一周，就可對整個焊縫厚度方向的分區(qū)進(jìn)行全面檢測，原理示意如圖4所示。

圖4　AUT檢測原理示意

3　AUT檢測坡口側(cè)壁未熔合缺陷的能力

3.1坡口側(cè)壁未熔合缺陷檢測原理

AUT是利用電子聚焦形成的多個聚焦聲束，分層掃查坡口面未熔合，再利用相控陣原理實(shí)現(xiàn)多通道超聲波檢測。每個坡口被分成23 mm厚一層，每層用一對聚焦超聲波聲束對準(zhǔn)坡口面進(jìn)行檢測，靈敏度設(shè)置為φ2 mm平底孔80%滿屏高，40%滿屏高做為評定線和測長線[3]。

假設(shè)在填充區(qū)的坡口面上有一處光滑表面的未熔合缺陷，但其未熔合處是熔合了一部分，還有一部分沒有熔合好。如圖5所示，可以推斷：一定會存在一個高度為xmm的未熔合，其反射波幅剛好等于φ2 mm平底孔波高的一半(即-6 dB)，當(dāng)缺陷高度大于該值時，反射波幅將高于40%滿屏高，帶狀圖內(nèi)呈現(xiàn)紅色塊，未熔合被檢測到；而當(dāng)缺陷自身高度小于該閾值時，反射波幅將低于40%滿屏高，在帶狀圖內(nèi)的色塊將顯示為綠色，評定此缺陷合格，從而造成較小的未熔合漏檢。為了得到AUT檢出該未融合缺陷的最小高度值，采用實(shí)測法配合回歸分析確定。

圖5　復(fù)合微型坡口填充區(qū)側(cè)壁未熔合缺陷AUT檢測示意

3.2對比試塊的設(shè)計

為了取得AUT檢測側(cè)壁未融合的最小高度值下限，設(shè)計了一個特殊的對比試塊，在其坡口面上φ2 mm平底孔相同深度和角度處加工一系列長橫槽，槽寬分別為0.5，1.0，1.5，2.0 mm。對比試塊設(shè)計如圖6所示。

3.3檢測過程及數(shù)據(jù)

為了不使高度為2 mm槽的回波高度超過100%屏幕高度，首先將φ2 mm平底孔反射波幅調(diào)到60%滿屏高，再測試其他長橫槽的波幅。測試不同長橫槽的反射波幅結(jié)果如表1所示，然后根據(jù)表1數(shù)據(jù)做出擬合曲線，如圖7所示。再通過回歸分析產(chǎn)生一個對應(yīng)于該曲線的函數(shù)，利用該函數(shù)推導(dǎo)計算出相當(dāng)于φ2 mm -6 dB平底孔的回波幅值的長橫槽高度值。其中，φ2 mm平底孔調(diào)到60%波高，再測試其他長橫槽的波高，測試環(huán)境溫度為8 ℃。

圖6　長橫槽對比試塊設(shè)計示意

反射體第一次滿屏高第二次滿屏高第三次滿屏高第四次滿屏高第五次滿屏高滿屏高平均值?2mm孔58606061.66059.92?0.5mm槽19.219.220.419.217.619.12?1.0mm槽34.93841.640.841.639.38?1.5mm槽6260.861.264.365.962.84?2.0mm槽83.589.484.780.884.384.54

圖7　波幅-槽高度線性擬合曲線

利用EXCEL推導(dǎo)出如下回歸函數(shù)：

(1)

式中：x為槽高度值，mm;y為反射波幅高度占屏幕的百分比。

則得到：

(2)

當(dāng)φ2 mm平底孔的反射波高為60%滿屏高時，需要求一個高度為x的槽，其反射波幅剛好比φ2 mm平底孔低6 dB，即求波幅高度為30%時的x值。

特朗普此次挑起中美貿(mào)易戰(zhàn)，直接原因在于中美貿(mào)易的失衡，而其深層目的則是為了試圖重演1980年代美日貿(mào)易戰(zhàn)以遏制中國復(fù)興，同時在11月美國國會中期選舉前拉票。

令y=30，則x約為0.75。根據(jù)計算可知，一個位于坡口熔合線上的高度小于0.75 mm的細(xì)長形狀的未融合，其回波高將比φ2 mm平底孔低6 dB，即其波幅高度低于40%滿屏高，從帶狀圖里看色塊顏色將為綠色，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50818-2013《石油天然氣管道工程全自動超聲檢測技術(shù)規(guī)范》，該反射信號將不會被評定為缺陷，AUT掃查圖與實(shí)物切片對比如圖8所示。

圖8　AUT掃查圖與實(shí)物切片對比

通過在焊縫的不同層上設(shè)置φ2 mm平底孔，測量其回波高度值，可測量AUT在不同層的放大率(對比測量值與實(shí)際值的比例關(guān)系)，如表2所示。

3.4關(guān)于不規(guī)則表面的說明

目前AUT檢測技術(shù)采用的還是當(dāng)量法，還難以確定缺陷的真實(shí)大小和形狀，回波聲壓相同的缺陷，其實(shí)際大小可能相差很大。上述是在假設(shè)未熔合是一個光滑平面條件下推導(dǎo)出的最小檢測極限值，實(shí)際上由于工件中缺陷的形狀各不相同，任何其他形狀的缺陷反射波高都將低于光滑平面的反射波高，那么就會出現(xiàn)自身高度高于上述計算值的未熔合缺陷的反射波高也低于40%滿屏高的情況，其未熔合高度方向能被發(fā)現(xiàn)到的尺寸將更大。這樣，計算的坡口極限高度值將不是一個下限，對其他表面形狀的缺陷，其高度大于平面缺陷值時仍會出現(xiàn)檢測不到的情況。

表2　在焊縫不同層的AUT靈敏度

4　RT檢測坡口側(cè)壁未熔合缺陷的能力

側(cè)壁未熔合是自動焊最易產(chǎn)生的缺陷，其是一種類似裂紋樣的面積型缺陷，射線從不同方向穿過的行程不一樣，射線透照的影像密度差根本原因是主因?qū)Ρ榷?，而主因?qū)Ρ榷日扔谕刚蘸穸炔瞀。RT方法在不同部位的射線穿透角度因坡口角度而改變，射線穿過焊縫檢測原理示意如圖9所示。

(3)

圖9　射線穿過檢測焊縫示意

式中：ΔI為射線強(qiáng)度變化量;I為初始射線強(qiáng)度;u為衰減系數(shù);n為散射比;ΔT為射線穿透部位厚度差。

圖10　射線穿過焊縫坡口不同位置示意

當(dāng)射線方向與未熔合方向一致時(0°，即未焊透)，檢測結(jié)果對比度最大，檢出率最高。當(dāng)穿透角度在10°以下時靈敏度高且變化不大，當(dāng)穿透角度大于15°時，隨著角度的增大，缺陷的檢出率顯著降低[5]。射線穿過焊縫坡口不同位置示意如圖10所示，其中1為填充區(qū)，2為熱焊區(qū)，3為鈍邊區(qū)，4為內(nèi)坡口。

圖11　假設(shè)的未熔合缺陷示意

分別計算圖10中4個角度缺陷的射線穿過區(qū)的長度(厚度方向)ΔT，如圖12所示。根據(jù)公式(4)計算數(shù)據(jù)如表3所示，不同焊縫位置缺陷檢測示意如圖13所示。表3中填充區(qū)和鈍邊的穿透厚度是根據(jù)假設(shè)缺陷長度所取的實(shí)際上限值，取值為1；填充區(qū)和鈍邊的放大率是按假設(shè)缺陷實(shí)際上計算的放大率，值為10。

(4)

式中：ΔT為射線穿透部位厚度差；θ為射線入射角；w為缺陷厚度。

表3　0.1 mm窄間隙缺陷在不同角度下的射線穿透厚度

圖12　射線穿透區(qū)示意

圖13　不同焊縫位置缺陷的RT檢測示意

在一般長輸管道X射線爬行器照相條件下，當(dāng)?shù)灼诙仍?.04.0之間時[6]，對18.4 mm壁厚焊縫，未熔合缺陷自身高度達(dá)到1%～2%是能夠檢出的。

5　分析討論

(1) AUT的一般評定步驟是：先對缺陷測高→當(dāng)高度不超過評定閘門時不評定→超過評定閘門后，再判斷是否超高→當(dāng)超高后直接判廢→根據(jù)長度評定。

RT的一般評定步驟是：當(dāng)缺陷肉眼可見(即超過評定閘門)后→判斷是圓形還是線型缺陷→根據(jù)長度(或?qū)挾?評定。

(2) 通過試驗測定，AUT標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50818-2013規(guī)定的評定閘門約為0.75 mm(遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于2.5 mm判廢值)，凡是缺陷自身高度低于此值的，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50818-2013規(guī)定可以不予評定，其通過滿足原API1104《鋼制管道焊接及驗收》標(biāo)準(zhǔn)而可被間接證明該高度缺陷是安全可接受的。而因RT無法測高，對缺陷高度不判定，只考慮缺陷的長度和寬度，雖然對于非常細(xì)的線狀缺陷，像質(zhì)計靈敏度不能代替真實(shí)靈敏度，但對于自動焊未熔合缺陷，肉眼能分辨的缺陷高度一般都能接近像質(zhì)計靈敏度；對于18.4 mm壁厚，按2%計算，其評定閘門約為0.364 mm(壁厚越薄此值越小)。

(3) RT靈敏度與透照角度有關(guān)，在填充區(qū)和鈍邊區(qū)極高，被AUT忽略的低高度未熔合被評定，而RT靈敏度在熱焊區(qū)和內(nèi)坡口區(qū)又極低，遠(yuǎn)低于AUT靈敏度。試驗證明，熱焊和內(nèi)坡口上的未熔合使用RT極易漏檢。

(4) AUT采用了分層聚焦相控陣超聲波，GB/T 50818-2013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其不需要檢測到“矮”缺陷。RT對缺陷自身高度無法測量，致使所有達(dá)到檢測靈敏度高度的缺陷都被評定，從而擴(kuò)大了評定范圍。

6　結(jié)論

AUT和RT兩種方法的評定方法、評定閘門、層間靈敏度不同，考慮到RT在不同層位靈敏度的不同和內(nèi)表面開口缺陷難以檢出等問題，以及AUT和RT兩種方法當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)存在較大差異，不建議使用RT方法對AUT方法檢出結(jié)果進(jìn)行抽檢，否則仍將出現(xiàn)檢測結(jié)論的不吻合。

[1]王詩鵬，李希明，劉蒙，等.PAUT和AUT檢測技術(shù)在海管檢測中的對比分析[J].焊管，2013，36(2)：48-52.

[2]Q-SY GJX 133-2012油氣管道工程無損檢測規(guī)范[S].

[3]GB/T 50818-2013石油天然氣管道工程全自動超聲檢測技術(shù)規(guī)范[S].

[4]鄭輝，林樹青. 超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008:73-80.

[5]強(qiáng)天鵬. 射線檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2007:67-117.

[6]JB/T 4730.2-2005承壓設(shè)備無損檢測 第2部分 射線檢測[S].

Capability of AUT and RT in Detection of Lack of Fusion of Pipeline Welding Side Wall

ZHANG Hong-liang1, LI Jia2, BAI Zhen-jun1, LI Xu-sheng1, CAO Li-jiang1, NIU Luo3

(1.Langfang North Non-destructive Testing Company, Langfang 065001, China;2.China Petroleum Pipeline Research Institute, Langfang 065000, China;3.Langfang Petroleum Pipeline Real Estate Development, Co., Ltd., Langfang 065000, China)

In order to study the pipeline full automatic ultrasonic (AUT) and X-ray (RT) detection capability of lack of fusion in girth butt welded pipes side wall, a special test block is designed. The regression analysis of the test results was performed and the minimum height of side wall of incomplete fusion value by the AUT was found through calculation. By the analysis of the relationship between RT sensitivity and groove angle, the sensitivity of AUT and RT was compared with each other and their ability differences in finding incomplete fusion in the side wall was discovered, which explained the reason for the existing difference. Conclusions were drawn that the two kinds of methods would give different sensitivity limit.

Pipeline; Phased array ultrasonic; AUT; X-ray detection; Side wall lack of fusion

2015-09-17

張宏亮(1970-)，男，高級工程師，主要從事射線管道爬行器、非放射性傳感器及定位控制技術(shù)、超聲波、AUT、漏磁等科研工作。

10.11973/wsjc201603009

TG115.28

A

1000-6656(2016)03-0029-05