大口徑油氣管道環(huán)焊縫全自動相控陣超聲波檢測管理探析

曾登高

中國石油長慶油田分公司技術監(jiān)測中心（陜西西安710018）

大口徑油氣管道環(huán)焊縫全自動相控陣超聲波檢測管理探析

曾登高

中國石油長慶油田分公司技術監(jiān)測中心（陜西西安710018）

全自動相控陣超聲波檢測技術已經(jīng)作為一種成熟有效的檢測手段，應用于大口徑油氣管道全自動焊接環(huán)焊縫的無損檢測。對該檢測技術原理、工藝技術特點及過程質(zhì)量控制進行簡要介紹，并針對這種檢測技術應用現(xiàn)狀及過程管理存在的問題，提出了相應的改進對策及建議。

大口徑管道；相控陣；全自動超聲波檢測

伴隨管道建設焊接施工全自動化技術的發(fā)展，全自動相控陣超聲波檢測技術已廣泛應用于大口徑油氣管道全自動焊接環(huán)焊縫的無損檢測。由于傳統(tǒng)的管道射線和手工超聲波檢測方法存著諸多弊端，為滿足石油天然氣管道建設快速發(fā)展需求，2002年全自動相控陣超聲檢測（以下簡稱AUT）技術作為一種引進無損檢測新技術首次應用于西氣東輸一線全自動焊接管道環(huán)焊縫檢測。通過多年的不斷消化、吸收及實踐改進，檢測儀器實現(xiàn)了國產(chǎn)化，檢測工藝成熟，檢測設備校驗標定已逐漸規(guī)范。國家頒布了相應的行業(yè)和國家檢測方法標準［1-2］，檢測的可靠性已得到充分認可。該檢測技術作為一種成熟有效的無損檢測技術廣泛應用于西氣東輸和中俄管道等石油天然氣行業(yè)及其他相關行業(yè)。

1　AUT基本原理及工藝

相控陣全自動超聲波檢測是根據(jù)焊接工藝將焊縫進行垂直區(qū)域劃分，每個分區(qū)高度為1～3mm，將由發(fā)射器發(fā)出的超聲波對準焊縫斷面分區(qū)，利用電腦數(shù)據(jù)控制128個檢測通道，形成不同角度的聲束聚焦，角度的選取以可得到來自缺陷（常為未熔合）的最大反射波為準。預調(diào)發(fā)射器角度使高度聚焦的聲束準確投射到預定的焊縫掃查區(qū)域。根據(jù)主要缺陷設定探頭角度分別掃查不同的區(qū)域，綜合采用脈沖反射波和衍射時差法（TOFD）對焊接內(nèi)部缺陷進行判斷（以壁厚11.1mm為例示意焊縫區(qū)域劃分）。探頭沿管道環(huán)縫自動環(huán)繞一周，對焊縫內(nèi)部進行全面掃查，其檢測結(jié)果在其相對應的通道上以帶狀圖形式顯示，從而進行焊縫質(zhì)量評定。AUT檢測技術是比手工單探頭超聲波檢測方法操作簡單、掃描方式多、效率高，有以下幾方面優(yōu)點：①無需射線底片，檢測速度快，勞動強度低、安全無輻射，數(shù)據(jù)存儲便捷，針對全自動焊接工藝進行檢測具有很高的準確率；②通過像素點的不同色差集合，顯示缺陷的深度、高度、寬度及水平位置等信息，直觀地反映焊縫內(nèi)部的情況，為檢測人員提供了準確直觀的判定依據(jù)；③能清晰分辨缺陷邊緣上下間隔大于0.4mm的缺陷，比常規(guī)手工超聲波檢測缺陷分辨率精確，測定長度準確；④比射線檢測的檢測靈敏度高、效率高、圖像可視直觀，缺陷的檢出能力強，評定準確性高；⑤全自動焊接管道環(huán)縫采用相控陣檢測技術在安全、效率、準確性方面具有明顯的優(yōu)勢。超聲波相控陣檢測系統(tǒng)可以是手動，半自動，或者全自動工作［3-4］。

AUT檢測的缺點：①因應用軟件、陣列的頻率、壓電元件尺寸及加工精度等條件的限制，使該技術對檢測對象、范圍提出特定要求，檢測適用性和能力受到限制；②裝置的調(diào)試、靈敏度校驗及參數(shù)設置，均對操作人員的電腦操作熟練程度和軟件操作能力有嚴格要求，雖然B、C、S三型顯示圖直觀，但仍要掌握準確識別圖形的技巧，具備豐富的判定經(jīng)驗；③工件的材料冶金狀態(tài)、焊接工藝完整性、表面粗糙度、探測面選擇和軌道安裝精度等因素影響檢測結(jié)果準確性，必須使用對比試塊進行儀器的調(diào)節(jié)的校準；④儀器的調(diào)節(jié)的準確性對檢測結(jié)果影響較大，調(diào)節(jié)過程較復雜。對手工電弧焊的檢測效果不如自動焊，檢測對象有一定的局限性。

相控陣工藝流程如圖1所示。

圖1　相控陣檢測工藝流程圖

2　檢測過程質(zhì)量控制

2.1檢測過程

1）檢測前用試塊標定掃查器，檢查試塊校準圖是否滿足標準要求，否則要針對某通道進行調(diào)試直至滿足要求為止。

2）環(huán)焊縫兩側(cè)150mm范圍內(nèi)的管焊縫應用機械打磨至與母材平齊，檢查檢測表面質(zhì)量及耦合情況，清除探頭移動區(qū)域的飛濺、銹蝕、油垢及其他雜質(zhì)。

3）按照工藝規(guī)程要求在距焊縫中心規(guī)定距離劃出基準線，作為準確安裝軌道的基準，在平焊位置劃出標識原點和掃查方向，掃查起點必須與標識原點重合。

4）2人分別在管子兩側(cè)同時配合進行軌道安裝，軌道邊緣距焊縫中心距離及偏差必須符合工藝卡要求，掃查器、探頭及各插件確?？煽窟B接；掃查器運行過程出現(xiàn)卡、滑現(xiàn)象應立即急停，找明原因調(diào)整后重新掃查。

5）圖像采集應信息完整，如發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息丟失，必須對被檢測焊口重新進行檢測，采集相關圖像信息。

2.2檢測過程控制要點

1）檢測過程必須進行試塊校驗，一般是在每檢測2h或掃查10道焊縫以及檢測結(jié)束后進行。試塊的每個主反射體的波幅應為滿幅的70%～99%，若波幅低于70%，應對已檢查的焊縫重新檢測，若波幅高于99%，應重新評定檢查結(jié)果［5］。

2）在檢測過程中，記錄系統(tǒng)的耦合監(jiān)視通道顯示的耦合不良區(qū)域超過3mm時，應對耦合不良區(qū)域進行處理后重新檢測。

3）編碼器記錄的反射體位置與實際圓周位置的誤差為±10mm，以保證缺陷位置準確性。

4）溫度的變化導致聲速和折射角度發(fā)生變化，試塊溫度影響探頭楔塊溫度，探頭楔塊溫度受被檢管件溫度的影響；若探頭楔塊溫差變化超過10℃，則必須重新調(diào)試整個系統(tǒng)，確保檢測的準確率。

2.3檢測結(jié)果可靠性管理

1）操作人員對系統(tǒng)分析掃查數(shù)據(jù)及結(jié)果評定，現(xiàn)場對發(fā)現(xiàn)判廢缺陷時，應在掃查結(jié)束后及時在焊縫上標識并打印結(jié)果。打印的報告信息必須完整準確，壁厚、坡口及操作人等信息與實際相符。

2）如發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或耦合不良，必須重新按檢測工藝要求對相應焊口重新檢測，確保采集數(shù)據(jù)完整。

3）聲波的聲束角度和速度受溫度影響較大，要準確記錄校準和掃查過程的溫度。實際檢測的溫度與所設置的溫度差不應超過10℃。

4）利用試塊每隔2h或掃查10道焊口及檢測工作結(jié)束后進行校準。試塊每個主反射體的波幅高度及相鄰反射體覆蓋均應滿足標準和工藝規(guī)程要求，否則對已檢測的焊口重新檢測。

5）因焊縫焊接位置偏移或施焊導軌偏移扭曲等特殊情況，導致對焊縫根部缺陷定性不準確，其在返修焊縫檢測中也經(jīng)常遇到。

3　AUT檢測管理存在的問題

3.1人員資格管理

3.1.1AUT從業(yè)人員上崗培訓及執(zhí)業(yè)資格管理不規(guī)范

GB/T 50818-2013《石油天然氣管道工程全自動超聲波檢測技術規(guī)范》第3.0.2條對檢測人員的資格及專業(yè)知識水平及能力提出明確的要求；在第3.0.5條對檢測單位工藝規(guī)程編制、審核、批準的人員資格及相關程序提出明確要求。但是目前現(xiàn)有的國家無損檢測專業(yè)人員考核規(guī)則中，不包括AUT檢測技術，所以AUT檢測人員考試認證現(xiàn)階段尚處于無序管理狀態(tài)，AUT檢測人員上崗培訓考核一般是由國外設備供應商組織培訓，頒發(fā)操作證，其培訓內(nèi)容的全面性、規(guī)范性、有效性及合法性頗有爭議，亟待進一步規(guī)范。

3.1.2無損檢測過程監(jiān)督管理人員資格管理存在漏洞

國家相關執(zhí)業(yè)管理規(guī)定中對從事無損檢測過程監(jiān)管的相關技術管理人員的業(yè)務技術能力和知識儲備都有明確的要求。但是目前從事AUT檢測的相關專業(yè)監(jiān)理、質(zhì)量監(jiān)督及建設單位的管理人員未進行專業(yè)技術培訓，無證上崗，存在外行監(jiān)管內(nèi)行的弊端。監(jiān)管人員不具備檢測設備調(diào)試、標準選擇、缺陷評定等基本知識，無法對檢測過程實施有效監(jiān)管。許多檢測違規(guī)行為和錯誤的檢測結(jié)論不能得到及時監(jiān)控發(fā)現(xiàn)和糾正，檢測結(jié)果的可信度和權(quán)威性令人質(zhì)疑。

3.2設備及試塊校準標定管理

3.2.1檢測設備校準不規(guī)范

AUT檢測設備儀器校準質(zhì)量直接影響檢測結(jié)果準確性。在GB/T 508018-2013《石油天然氣管道工程全自動超聲波檢測技術規(guī)范》對檢測設備系統(tǒng)調(diào)試標定作出了嚴格的規(guī)定。但目前設備儀器標定一般都由檢測單位或設備制造廠人員自行調(diào)試標定，未實施公正的第三方標定檢測，出現(xiàn)設備標定調(diào)試質(zhì)量差或者不按規(guī)定定期標定的現(xiàn)象。該檢測方法專業(yè)性強，標定調(diào)試過程復雜，若過程監(jiān)管人員由于業(yè)務水平能力限制，不能及時發(fā)現(xiàn)該環(huán)節(jié)存著的漏洞，勢必嚴重影響檢測結(jié)果的準確性。

3.2.2檢測試塊檢定不規(guī)范

標定檢測系統(tǒng)各通道的檢測基準靈敏度必須使用檢測試塊進行。SY 4112-2007《石油天然氣鋼質(zhì)管道對接環(huán)焊縫全自動超聲檢測試塊》標準對試塊制作及計量標定提出明確要求。標準規(guī)定試塊的材料應取自實際檢測的管道，試塊材質(zhì)應與被檢測的管道材質(zhì)完全相同，應根據(jù)不同的制造廠家生產(chǎn)的管道，按照不同管徑、壁厚、焊接工藝、坡口型式等制作相應的試塊。試塊制作質(zhì)量直接影響缺陷檢出率和靈敏度，所以SY 4112-2007《石油天然氣鋼質(zhì)管道對接環(huán)焊縫全自動超聲檢測試塊》對試塊制作、質(zhì)量檢定、計量提出詳細的要求。但目前我國尚無專業(yè)第三方計量檢定機構(gòu)對該類專業(yè)試塊進行測試和計量檢定，一般由檢測設備制造廠商和檢測機構(gòu)自行完成，缺乏規(guī)范嚴格的監(jiān)管。

3.3材料及檢測工藝文件管理

3.3.1檢測耗材報驗不規(guī)范

檢測耗材質(zhì)量與檢測數(shù)據(jù)和檢測結(jié)果的正確性息息相關，由于檢測專業(yè)監(jiān)理工程師知識水平及責任心等原因，往往對檢測材料驗收環(huán)節(jié)疏于監(jiān)管，不合格材料用于檢測工作，導致檢測數(shù)據(jù)失真，造成缺陷漏檢誤判。

3.3.2檢測工藝文件編制報審不規(guī)范

檢測工藝文件一般包括檢測工藝規(guī)程和檢測作業(yè)指導書，是保證檢測質(zhì)量的綱領性文件，檢測人員必須嚴格執(zhí)行，檢測工藝正確性和執(zhí)行效果嚴重影響檢測結(jié)果。所以，相關管理法規(guī)和制度要求檢測工藝文件在通過檢測單位內(nèi)控質(zhì)量體系審核后，必須報監(jiān)理及建設單位審核。由于AUT檢測技術專業(yè)性非常強，往往監(jiān)理及建設單位專業(yè)管理人員業(yè)務能力有限，對檢測工藝的審核流于形式，沒有起到審核把關的作用，導致不合格檢測工藝流入，直接影響檢測結(jié)果正確性和缺陷的檢出率。

4　對策及建議

1）為實施對檢測人員的規(guī)范管理，在國家尚無規(guī)范的考核情況下，建議石油行業(yè)制定相關行業(yè)管理規(guī)定，規(guī)范檢測從業(yè)人員管理。在中國石油集團公司牽頭督促下，已經(jīng)在石油建設協(xié)會施工技術協(xié)會下設無損檢測協(xié)會，于2015年8月在河北廊坊成立，參考國家其他常規(guī)檢測方法人員考試規(guī)則，起草了石油行業(yè)管道AUT檢測考試規(guī)則。培訓考核對象包括無損檢測機構(gòu)、建設單位專業(yè)管理人員、監(jiān)理單位專業(yè)監(jiān)理工程師、質(zhì)量監(jiān)督機構(gòu)專業(yè)監(jiān)督工程師。

2）檢測儀器標定管理：①檢測儀器標定必須取得國家或者國際認可的專門標定管理部門定期檢驗標定；②對比試塊的制作、出廠檢驗及人工缺陷計量檢測必須有國家認可的專門機構(gòu)檢查標定；③檢測儀器、試塊、附屬設施、材料進場前必須報監(jiān)理單位驗收檢查，符合要求后才能開展檢測工作。

3）檢測可靠性綜合評價管理：①監(jiān)理單位要做好檢測過程現(xiàn)場校準、現(xiàn)場表面處理、檢測標識的劃定、軌道及掃查器安裝固定、檢測過程圖像采集等關鍵點旁站及巡查抽查；②加強工藝規(guī)程、檢測方案、檢測工藝卡報驗及缺陷評定復核監(jiān)理，確保檢測結(jié)論準確可靠。

5　結(jié)束語

通過多年的實踐探索，相控陣全自動超聲檢測技術發(fā)展日臻成熟，已經(jīng)成為大口徑全自動焊接管道最有效的檢測手段。規(guī)范提高檢測技術的過程管理，已成為當務之急，國家應盡快規(guī)范檢測人員考核認定，規(guī)范檢測儀器標定和過程控制管理，方可使該檢測技術充分發(fā)揮作用，為大口徑管道快速高效建設及安全運行保駕護航。

［1］住房和城鄉(xiāng)建設部.石油天然氣管道工程全自動超聲波檢測技術規(guī)范：GB/T 508018-2013［S］.北京：中國計劃出版社，2013.

［2］石油工程建設專業(yè)標委會.石油天然氣鋼質(zhì)管道對接環(huán)焊縫全自動超聲檢測試塊：SY/T 4112-2007［S］.北京：石油工業(yè)出版社，2007.

［3］韓相勇.長輸管線對接環(huán)焊縫自動相控陣超聲波檢測技術［J］.無損檢測2006，28（5）：237-241.

［4］白世武.管道環(huán)焊縫焊接缺陷相控陣超聲波檢測系統(tǒng)研究［D］.天津：天津大學，2007.

［5］中國石油天然氣集團公司.中油質(zhì)［2012］331號中國石油天然氣集團公司工程建設項目質(zhì)量管理規(guī)定［Z］.2012-06-26.

As a mature and effective detection means，the automatic phased array ultrasonic inspection technology has been applied to the nondestructive detection of the circular weld of large diameter oil and gas transportation pipeline.The principle，technology and pro?cess quality control of the detection technology are briefly introduced，and the corresponding improvement measures and suggestions are put forward in view of the problems existing in the application and process management of the inspection technology.

large diameter pipeline；phased array；automatic ultrasonic inspection

曾登高（1966-），男，高級工程師，現(xiàn)主要從事石油石化工程建設工程質(zhì)量監(jiān)督工作。