PAUT在長(zhǎng)輸天然氣管道環(huán)焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用實(shí)踐

田紹偉，劉春雨，王大慶，于洋，馬飛龍

1.中國石油西氣東輸管道銷售公司 （福建 廈門 361004）

2.重慶科技學(xué)院 石油與天然氣工程學(xué)院 （重慶 401331）

3.廊坊中油朗威工程項(xiàng)目管理有限公司 （河北 廊坊 065000）

4.中國石油天然氣股份有限公司 天然氣銷售江蘇分公司 （江蘇 南京 210000）

0 引言

無損檢測(cè)技術(shù)在天然氣長(zhǎng)輸管道環(huán)焊縫檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用。常規(guī)射線檢測(cè)(RT)可以獲得缺欠的直觀圖像，定性準(zhǔn)確，對(duì)長(zhǎng)度、寬度尺寸的定量也比較準(zhǔn)確，對(duì)體積型缺欠（氣孔、夾渣、咬邊、凹坑等）檢出率高；但對(duì)面積型缺欠（未熔合、裂紋等）容易漏檢，對(duì)缺欠在焊縫中厚度方向的位置、尺寸（高度）的確定比較困難。常規(guī)超聲波檢測(cè)（UT）對(duì)缺欠定位較準(zhǔn)確，對(duì)面積型缺欠的檢出率較高，但缺欠的位置、取向和形狀對(duì)檢測(cè)結(jié)果有一定影響。相控陣超聲波檢測(cè)（PAUT）在UT的基礎(chǔ)上擁有多角度的超聲波，并具有多種顯示方式，可以準(zhǔn)確確定缺欠的長(zhǎng)度、深度和高度，對(duì)于未熔合方向性較強(qiáng)的面狀缺欠，多角度探頭的PAUT優(yōu)于RT、UT[1]。

在某天然氣長(zhǎng)輸管道工程建設(shè)項(xiàng)目中，為保證焊縫質(zhì)量，對(duì)管道直管-熱煨彎管、連頭段、穿越段管道環(huán)焊縫同時(shí)實(shí)施了PAUT 和RT。在進(jìn)行焊縫驗(yàn)收時(shí)參照SY/T 4109—2013《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測(cè)》中常規(guī)超聲檢測(cè)的驗(yàn)收評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PAUT 檢測(cè)的環(huán)焊縫出現(xiàn)了過量返修情況，分析其原因在于質(zhì)量分級(jí)對(duì)反射波幅超III區(qū)的缺欠僅考慮波幅，而沒有考慮缺欠長(zhǎng)度和高度的因素[2]。為此，從耦合補(bǔ)償、缺欠的長(zhǎng)度、高度測(cè)量等方面對(duì)PAUT 應(yīng)用提出改進(jìn)措施，旨在更有效地利用此技術(shù)控制管道環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量。

1 RT、PAUT檢測(cè)原理及其應(yīng)用

RT 是利用X 射線在介質(zhì)中傳播時(shí)的衰減特性，當(dāng)將強(qiáng)度均勻的射線從被檢件的一面注入其中時(shí)，由于缺欠與被檢件基體材料對(duì)射線的衰減特性不同，透過被檢件后的射線強(qiáng)度將會(huì)不均勻，用膠片照相、熒光屏直接觀測(cè)等方法在其對(duì)面檢測(cè)透過被檢件后的射線強(qiáng)度，即可判斷被檢件表面或內(nèi)部是否存在缺欠[3]。

UT是聲源產(chǎn)生超聲波，采用一定的方式使超聲波進(jìn)入被檢件，超聲波在被檢件中傳播與被檢件材料及其中的缺欠相互作用，使其傳播方向或特征被改變，改變后的超聲波通過檢測(cè)設(shè)備被接收，并可對(duì)其進(jìn)行處理和分析，再根據(jù)接收的超聲波特征，評(píng)估被檢件本身及其內(nèi)部是否存在缺欠及缺欠特性[4]。PAUT 和UT 檢測(cè)原理相似，都是基于脈沖反射法的原理，但PAUT 同時(shí)擁有多角度的超聲波，就相當(dāng)于擁有多種角度的探頭同時(shí)工作，超聲波聲束靈活可控，對(duì)被檢件能多角度、多方位掃查，從而可有效降低缺欠漏檢概率，提高檢測(cè)效率和檢測(cè)結(jié)果的可靠性[5]。

某標(biāo)段Φ813 mm×14.3 mm 管道按焊接工藝規(guī)程共完成了焊口7 000道，遵循SY/T 4109—2013《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測(cè)》和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)7 000 道焊口實(shí)施了RT 檢測(cè)，評(píng)定合格率為96%（返修280道）；對(duì)3 200道焊口實(shí)施了PAUT檢測(cè)，評(píng)定合格率90%（返修320 道）。在兩種檢測(cè)方式下均被檢出不合格的焊口有65道，占不合格焊口總數(shù)的12%。PAUT檢測(cè)出的280道不合格焊口中，有35道焊口缺欠長(zhǎng)度超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其余245 道焊口其缺欠的反射波幅超過判廢線位于III區(qū)，但大多數(shù)缺欠的指示長(zhǎng)度僅為4～10 mm，高度僅為1～3 mm。而根據(jù)SY/T 4109—2013 第6.9.3 條規(guī)定，最大反射波幅位于III 區(qū)的缺欠，無論指示長(zhǎng)度和高度如何，均評(píng)為IV級(jí)[2]。

2 PAUT檢測(cè)改進(jìn)方法及成效

結(jié)合某標(biāo)段現(xiàn)場(chǎng)焊口返修實(shí)際情況，若僅考慮反射波幅的因素，SY/T 4109—2013 第6.9.3 條規(guī)定不適用于PAUT 質(zhì)量分級(jí)評(píng)定，應(yīng)考慮缺欠長(zhǎng)度和高度的因素。為此從耦合補(bǔ)償、增加缺欠長(zhǎng)度和高度評(píng)定焊縫缺欠等級(jí)提出改進(jìn)措施，避免焊口過量返修。

2.1 調(diào)整耦合補(bǔ)償，降低最大反射波幅

根據(jù)SY/T 4109—2013《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測(cè)》第6.4.2 條“在試塊上調(diào)節(jié)儀器和在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)對(duì)接接頭時(shí)，應(yīng)采用相同的耦合劑”[2]。實(shí)際檢測(cè)中，試塊上調(diào)節(jié)儀器使用機(jī)油，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)使用水作為耦合劑。為此，需要耦合補(bǔ)償實(shí)測(cè)驗(yàn)證是否需要在試塊與環(huán)焊縫之間的表面進(jìn)行耦合補(bǔ)償。

經(jīng)耦合補(bǔ)償測(cè)試，在對(duì)比試塊上使用機(jī)油作為耦合劑檢測(cè)Φ2 mm×20 mm 長(zhǎng)橫孔最大反射波幅為6.2 dB（圖1），相同條件下在對(duì)比試塊上使用水作為耦合劑檢測(cè)Φ2 mm×20 mm 長(zhǎng)橫孔最大反射波幅為6.2 dB（圖2），在補(bǔ)償模擬試塊上使用水作為耦合劑檢測(cè)Φ2×20 mm長(zhǎng)橫孔最大反射波幅為6 dB（圖3）。

圖1 機(jī)油耦合標(biāo)準(zhǔn)試塊

圖2 水耦合對(duì)比試塊

根據(jù)3 組測(cè)試的結(jié)果，最大反射波幅差為0.2 dB，根據(jù)GB/T 32563—2016《無損檢測(cè)超聲檢測(cè)相控陣超聲檢測(cè)方法》第10.4.7條“工件的表面耦合損失和材質(zhì)衰減應(yīng)與試塊相同，否則應(yīng)進(jìn)行傳輸損失補(bǔ)償。在所采用的最大聲程內(nèi)最大傳輸損失差小于或等于2 dB 時(shí)可不進(jìn)行補(bǔ)償”。因此，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過程中不應(yīng)進(jìn)行耦合補(bǔ)償[6]。

圖3 水耦合補(bǔ)償模擬試塊

2.2 補(bǔ)充PAUT驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)附加條款

該標(biāo)段長(zhǎng)輸天然氣管道在RT 檢測(cè)合格的情況下，按照GBT 32563—2016《無損檢測(cè)超聲檢測(cè)相控陣超聲檢測(cè)方法》進(jìn)行檢測(cè)，依據(jù)SY/T 4109—2013《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測(cè)》進(jìn)行驗(yàn)收，對(duì)PAUT圖譜波幅超判廢線1～3 dB 的缺欠多為點(diǎn)狀缺欠，長(zhǎng)度基本在10 mm 以內(nèi)，最小甚至只有4 mm，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)此類超標(biāo)缺欠進(jìn)行打磨返修其缺欠性質(zhì)判定為層間、坡口未熔合和點(diǎn)狀?yuàn)A渣（圖4）（依據(jù)射線檢測(cè)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于夾層未熔合的缺欠，單個(gè)最長(zhǎng)可達(dá)12.5 mm[2]），其危害性較小。

若采取返修，修復(fù)方法就是對(duì)返修部位進(jìn)行熱處理，返修部位周圍的金屬組織發(fā)生變化，返修部位焊縫強(qiáng)度隨之下降，整個(gè)焊縫存在薄弱部位，風(fēng)險(xiǎn)變大。上述點(diǎn)狀缺欠由于體積較小，肉眼難以判斷，焊工對(duì)缺欠位置打磨時(shí)若未能發(fā)現(xiàn)缺欠，會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大打磨范圍，確保缺欠能夠除去，擴(kuò)大打磨范圍的返修會(huì)進(jìn)一步降低焊縫整體強(qiáng)度。

圖4 點(diǎn)狀缺欠

根據(jù)某標(biāo)段項(xiàng)目檢測(cè)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在SY/T 4109—2013基礎(chǔ)上增加附加條款作為PAUT 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：若TOFD 不能夠測(cè)量缺欠高度，缺欠最大反射波幅超III 區(qū)時(shí)，按照標(biāo)準(zhǔn)9.3.2 條評(píng)為IV 級(jí)；若TOFD能夠測(cè)量缺欠高度，則無論最大反射波是否超III區(qū)，根據(jù)B型顯示、S型顯示、A型顯示測(cè)量缺欠高度和長(zhǎng)度，按照缺欠長(zhǎng)度和高度質(zhì)量分級(jí)要求進(jìn)行評(píng)定。

經(jīng)過調(diào)整，在檢測(cè)復(fù)評(píng)中，若執(zhí)行SY/T 4109—2013標(biāo)準(zhǔn)，將有5道焊口需要返修，而執(zhí)行新的規(guī)定僅有1道口需要返修（表1）。

表1 PAUT復(fù)評(píng)焊口總數(shù)及存疑口統(tǒng)計(jì)

續(xù)表1 PAUT復(fù)評(píng)焊口總數(shù)及存疑口統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論

在某標(biāo)段管道工程項(xiàng)目環(huán)焊縫檢測(cè)中，對(duì)PAUT 檢測(cè)數(shù)據(jù)直接按照SY/T 4109—2013《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測(cè)》中常規(guī)超聲檢測(cè)驗(yàn)收評(píng)定，出現(xiàn)了檢測(cè)合格率低、焊口過量返修的情況。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比機(jī)油和水作為耦合劑，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)280道焊口返修缺欠情況，得出如下結(jié)論：

1）用油和水作為耦合劑，通過標(biāo)準(zhǔn)試塊、對(duì)比試塊、模擬試塊的耦合補(bǔ)償測(cè)試，最大反射波幅差為0.2 dB，說明現(xiàn)場(chǎng)用水作為耦合劑檢測(cè)時(shí)不應(yīng)進(jìn)行耦合補(bǔ)償。

2）通過與RT 檢測(cè)結(jié)果比對(duì)以及現(xiàn)場(chǎng)返修時(shí)實(shí)際對(duì)照缺欠情況，PAUT 圖譜波幅超判廢線多為點(diǎn)狀缺欠危害性較小，若TOFD 不能測(cè)量缺欠高度，則按照SY/T 4109—2013標(biāo)準(zhǔn)9.3.2評(píng)定；若TOFD能夠測(cè)量缺欠高度，則無論最大反射波是否超III 區(qū)，根據(jù)B、S、A 型顯示測(cè)量缺欠高度和長(zhǎng)度，并按照缺欠長(zhǎng)度和高度質(zhì)量分級(jí)要求進(jìn)行評(píng)定。