基于殼牌標(biāo)準(zhǔn)的螺旋埋弧焊管超聲波探傷設(shè)備改造

馬朝輝， 毛濃召， 屈利華， 席少鵬，胡緒波， 王振華， 茍世峰， 常永樂

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞721008）

目前國內(nèi)天然氣輸送用螺旋埋弧焊管最大直徑為1 422 mm， 最大壁厚為22 mm， 焊縫厚度已經(jīng)達(dá)到26 mm。 在螺旋焊管自動(dòng)超聲波探傷中， 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)一般為API SPEC 5L （45 版）、GB/T 9711—2017 及石油天然氣管線用管技術(shù)條件。 這些標(biāo)準(zhǔn)基本都以對比樣管制作N5 刻槽和Φ1.6 mm 豎通孔來確定鋼管焊縫超聲波探傷靈敏確認(rèn)。 N5 刻槽制作于樣管內(nèi)外焊縫邊母材上和內(nèi)外焊縫表面中部， 沿焊縫方向， N5 刻槽長度為50 mm， 寬度1 mm， 深度為鋼管壁厚的5%。 在校驗(yàn)自動(dòng)超聲波探傷設(shè)備時(shí)， 使用焊縫邊和焊縫表面N5 刻槽來確定探傷掃查覆蓋區(qū)域， 此時(shí)大壁厚鋼管焊縫中間區(qū)域是否實(shí)現(xiàn)探傷覆蓋， 缺乏強(qiáng)有力的證明。 殼牌管線鋼管標(biāo)準(zhǔn)采用在焊縫不同厚度位置制作Φ3.0 mm 橫孔來確定探傷掃查覆蓋區(qū)域， 有效地解決了這個(gè)問題。

1 幾種標(biāo)準(zhǔn)對自動(dòng)超聲探傷要求

1.1 API SPEC 5L （45 版） 和GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)的要求

螺旋埋弧焊管焊縫檢測在執(zhí)行API SPEC 5L （45 版） 和GB/T 9711—2017 標(biāo) 準(zhǔn) 時(shí)， 要求自動(dòng)超聲波探傷設(shè)備探頭布置方式為： ①檢測縱向缺陷的脈沖反射式橫波探頭4 個(gè)， 分別檢測內(nèi)外焊縫縱向N5 刻槽； ②檢測橫向缺陷的脈沖反射式橫波探頭2 個(gè)或4 個(gè)， 檢測焊縫中心Φ1.6 mm 豎通孔或橫向刻槽 （一般使用Φ1.6 mm 豎通孔替代橫向刻槽）； ③檢測焊縫邊25 mm 母材分層缺陷的脈沖反射式縱波探頭2 個(gè)。

在樣管校驗(yàn)中， 縱向缺陷校驗(yàn)使用縱向N5 刻槽來確定掃查位置， 使用Φ1.6 mm 豎通孔的100%波高作為基準(zhǔn)靈敏度； 橫向缺陷同樣使用Φ1.6 mm 豎通孔的100%波高作為基準(zhǔn)靈敏度。 圖1 為API SPEC 5L 標(biāo)準(zhǔn)要求的超聲波樣管缺陷檢測探頭布置圖， 圖1 中1#和2#探頭校準(zhǔn)鋼管外焊縫邊N5 刻槽， 3#和4#探頭校準(zhǔn)鋼管內(nèi)焊縫邊N5 刻槽， 5#和6#探頭為一發(fā)一收模式， 校準(zhǔn)焊縫中心Φ1.6 mm 豎通孔。7#和8#探頭校準(zhǔn)焊縫邊熱影響區(qū)母材Φ6.0 mm平底孔。

1.2 國內(nèi)石油天然氣管線用管技術(shù)條件的要求

在石油天然氣管線用管技術(shù)條件中， 樣管焊縫人工缺陷數(shù)量達(dá)到了9 個(gè)， 如圖2 所示。 自動(dòng)超聲波探傷設(shè)備探頭布置方式為： 檢測縱向缺陷脈沖反射式橫波探頭至少4 個(gè)， 分別檢測內(nèi)外焊縫邊縱向N5 刻槽和內(nèi)外焊縫中間N5 刻槽； 檢測橫向缺陷的脈沖反射式橫波探頭4 個(gè)或8 個(gè)， 檢測焊縫中心Φ1.6 mm 豎通孔和內(nèi)外橫向刻槽； 檢測焊縫邊25 mm 母材分層缺陷的脈沖反射式縱波探頭2 個(gè)。 在樣管校驗(yàn)中， 縱向缺陷校驗(yàn)使用縱向N5 刻槽來確定掃查位置， 使用Φ1.6 mm 豎通孔的100%波高作為基準(zhǔn)靈敏度。 橫向缺陷校驗(yàn)使用內(nèi)外焊縫橫向N5 刻槽來確定掃查位置， 同樣使用Φ6.0 mm 豎通孔的100%波高作為基準(zhǔn)靈敏度。

圖2 天然氣管道技術(shù)條件中自動(dòng)超聲探傷樣管人工缺陷示意圖

圖3 為天然氣管線技術(shù)條件要求的超聲波樣管缺陷檢測探頭布置示意圖， 圖中1#和2#探頭校準(zhǔn)鋼管外焊縫邊N5 刻槽和外焊縫中心N5 刻槽； 3#和4#探頭校準(zhǔn)鋼管內(nèi)焊縫邊N5 刻槽和內(nèi)焊縫中心N5 刻槽； 5#和6#探頭為一發(fā)一收模式，校準(zhǔn)外焊縫橫向N5 刻槽； 7#和8#探頭為一發(fā)一收模式， 校準(zhǔn)內(nèi)焊縫橫向N5 刻槽； 9#和10#探頭校準(zhǔn)焊縫邊熱影響區(qū)母材Φ6.0 mm 平底孔。

圖3 基于天然氣管道技術(shù)條件的超聲波樣管探頭布置示意圖

1.3 殼牌管線鋼管標(biāo)準(zhǔn)的要求

在殼牌管線鋼管超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)中， 樣管中人工缺陷除包含上述標(biāo)準(zhǔn)中的縱向N5 刻槽、 橫向N5 刻槽及焊縫中心Φ1.6 mm 豎通孔缺陷外，還要求根據(jù)鋼管壁厚的不同， 制作不同深度處Φ3.0 mm 平底孔。 殼牌標(biāo)準(zhǔn)中不同壁厚焊縫區(qū)探頭數(shù)量及對比反射體類型見表1。

從表1 可見， 縱向缺陷校驗(yàn)要求如下：

表1 殼牌標(biāo)準(zhǔn)中不同壁厚焊縫區(qū)探頭的數(shù)量及對比反射體類型

（1） 制作內(nèi)外焊縫邊N5 刻槽來確定掃查位置和閘門位置， 不能用于調(diào)節(jié)檢測靈敏度， 調(diào)節(jié)靈敏度使用焊縫邊Φ3.2 mm 徑向鉆孔， 以Φ1.6 mm徑向鉆孔100%波高或Φ3.2 mm 徑向鉆孔33%波高作為報(bào)警界限。

（2） 根據(jù)鋼管壁厚不同， 制作不同位置Φ3.0 mm 平底孔， 用以檢測中間區(qū)域， 探頭角度應(yīng)垂直于焊縫坡口， 且在±3°內(nèi)， 如果焊縫坡口角度小于15°， 應(yīng)使用串列式探頭。

（3） 當(dāng)鋼管壁厚＜12 mm 時(shí)， 焊縫中間區(qū)無對比反射體要求； 當(dāng)壁厚為12～18 mm 時(shí)， 需制作中心位于壁厚中部的Φ3.0 mm 平底孔 （如圖4 （a）所示）； 當(dāng)壁厚為18～24 mm 時(shí)， 需制作中心位于壁厚的40%和60%的Φ3.0 mm 平底孔（如圖4 （b） 和圖4 （c） 所示）。 目前， 國內(nèi)天然氣管線用螺旋鋼管最大壁厚為22 mm。

圖4 焊縫一側(cè)50%壁厚、 40%壁厚和60%壁厚串列式探頭設(shè)置和平底孔位置

2 執(zhí)行殼牌標(biāo)準(zhǔn)超聲對比樣管制作

由于目前國內(nèi)天然氣管線用螺旋焊管最大壁厚為22 mm， 此處就以Φ1 422 mm×21.4 mm規(guī)格鋼管為例， 標(biāo)準(zhǔn)樣管人工缺陷如圖5 所示。圖5 中， 1#和2#為外焊縫邊表面縱向N5 刻槽；3#為外焊縫表面中間縱向N5 刻槽； 4#和5#為內(nèi)焊縫邊表面縱向N5 刻槽； 6#為內(nèi)焊縫表面中間縱向N5 刻槽； 7#和8#為焊縫邊Φ3.2 mm豎通孔， 用于校準(zhǔn)縱向靈敏度； 9#為焊縫中心Φ1.6 mm 豎通孔； 10#為外焊縫表面橫向N5 刻槽； 11#為內(nèi)焊縫表面橫向N5 刻槽； 12#和13#為焊縫內(nèi)部40%壁厚處兩側(cè)Φ3.0 mm 平底孔；14#和15#為焊縫內(nèi)部60%壁厚處兩側(cè)Φ3.0 mm 平底孔； 16#和17#為焊縫邊熱影響區(qū)母材Φ6.0 mm平底孔。

圖5 殼牌標(biāo)準(zhǔn)樣管人工缺陷示意圖

3 存在的問題

目前， 國內(nèi)螺旋埋弧焊管自動(dòng)超聲波探傷設(shè)備大多按照API SPEC 5L 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 焊縫探架上布置2 組或3 組縱向缺陷檢測探頭， 2 組橫向缺陷檢測探頭， 1 組焊縫邊熱影響區(qū)母材分層檢測探頭。 如果探架上布置探頭過多， 設(shè)備調(diào)試難度大， 探傷效果差。 尤其在小管徑鋼管探傷中， 鋼管曲率較大， 探架兩端探頭難以實(shí)現(xiàn)良好耦合，嚴(yán)重影響檢驗(yàn)效果， 所以目前焊縫探架上最多能夠布置6 組探頭懸掛。 如果執(zhí)行殼牌標(biāo)準(zhǔn)， 以Φ1 422 mm×21.4 mm 鋼管為例， 超聲波探傷設(shè)備焊縫探架上最少需布置7 組探頭懸掛 （如圖6所示）， 1#、 2#、 3#和4#檢測焊縫內(nèi)外縱向缺陷；5#、 6#、 7#和8#為串列式布置， 分別檢測焊縫中部40%和60%位置Φ3.0 mm 平底孔； 9#和10#檢測焊縫邊熱影響區(qū)母材分層缺陷； 11#、 12#、13#和14#檢測內(nèi)外焊縫橫向缺陷。 圖7 為現(xiàn)有設(shè)備焊縫探架， 無法滿足7 組探頭懸掛安裝要求， 需要對設(shè)備進(jìn)行改造， 以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 執(zhí)行殼牌標(biāo)準(zhǔn)焊縫探架布置示意圖

圖7 現(xiàn)有設(shè)備焊縫探架實(shí)物圖

4 設(shè)備改造方案分析

4.1 雙焊縫探架布置改造

通過對設(shè)備主體結(jié)構(gòu)加長改造， 增加1 臺(tái)探傷小車， 安裝2 個(gè)焊縫探架， 采用雙焊縫探架在2 個(gè)螺距上對焊縫進(jìn)行超聲波探傷， 滿足螺旋焊管探傷標(biāo)準(zhǔn)要求， 改造后探架布置如圖8 所示。 從圖8 可以看出， 探架1 設(shè)計(jì)滿足API 標(biāo)準(zhǔn)要求；探架1 與探架2 組合使用滿足殼牌標(biāo)準(zhǔn)要求。 改造后， 每個(gè)探架自身的規(guī)模減小， 探頭均能布置在鋼管上方， 能更好地適應(yīng)小管徑鋼管曲率大、探頭耦合差的特點(diǎn)， 既滿足管線標(biāo)準(zhǔn)要求， 又可以提升探傷效果。 該改造方案對設(shè)備整體改動(dòng)較大， 有些鋼管制造企業(yè)的設(shè)備不具備改造條件，需整體更換。 并且此改造方案投入資金較大， 改造難度大， 設(shè)備加工周期較長。

圖8 雙焊縫探架布置示意圖

4.2 縱向缺陷探傷設(shè)備改用超聲波相控陣儀器

此方案無需改造設(shè)備焊縫探架， 只需將焊縫部分探傷設(shè)備改為超聲波相控陣儀器。 改造后，由相控陣儀器檢測鋼管焊縫所有縱向缺陷和焊縫厚度方向的Φ3.0 mm 平底孔， 使用1 組相控陣探頭代替圖6 中1#～8#探頭， 這樣焊縫探架只需4 組探頭懸掛就可滿足要求， 探架布置如圖9 所示。

圖9 使用相控陣儀器的探架布置圖

采用相控陣探頭替代縱向檢測探頭優(yōu)點(diǎn)如下：

（1） 多角度。 采用相控陣技術(shù)對焊縫超聲檢測， 可多種角度對焊縫進(jìn)行全聲束覆蓋， 能極大提高自然缺陷檢出率， 最大限度保證不漏檢。

（2） 多功能。 相控陣可以對同一探頭實(shí)現(xiàn)多功能檢測， 集扇掃、 耦合監(jiān)視、 串列（TANDEM）檢測以及任意角度聲速線性掃描。

（3） 圖像化。 采用相控陣成像檢測， 可以同時(shí)擁有B 掃描、 D 掃描、 S 掃描和C 掃描， 可以通過建模對缺陷進(jìn)行定位， 缺陷顯示非常直觀。

（4） 更有效。 相控陣可以對不同規(guī)格調(diào)整聲束聚焦， 靈敏度和分辨率都得到極大提高。

（5） 易操作。 配合電子角度偏轉(zhuǎn)， 一個(gè)相控陣探頭代替多個(gè)常規(guī)A 超探頭， 在滿足行業(yè)檢測標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)， 極大地減少探臂及探頭數(shù)量， 降低機(jī)械復(fù)雜程度， 增強(qiáng)管徑兼容能力， 減少調(diào)試操作時(shí)間， 提高生產(chǎn)效率。

5 結(jié)束語

執(zhí)行殼牌管線鋼管超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)， 很好地解決了其他標(biāo)準(zhǔn)對于螺旋埋弧焊管焊縫中間區(qū)域縱向缺陷檢測覆蓋無法有效證明的缺點(diǎn)。 同時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)對對比樣管制作、 探頭選擇、 探頭布置提出了更高的要求。 因此， 對螺旋埋弧焊管焊縫超聲波探傷機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理改造后， 可提高螺旋焊管超聲波檢測整體水平， 為天然氣管道的安全運(yùn)行提供保障。