環(huán)焊縫內(nèi)窺鏡檢測典型缺陷圖譜判讀與質(zhì)量控制

崔先超，張偉福，豐振軍，鄭玉申

（石油管工程技術(shù)研究院北京隆盛泰科石油管科技有限公司，陜西西安 710100）

0 引言

2205 雙相不銹鋼管線內(nèi)窺鏡檢測環(huán)焊縫內(nèi)表面焊接缺陷的圖譜判讀，直觀易懂。內(nèi)窺鏡檢測缺陷圖譜和RT（Radiographic Testing，射線檢測）底片相比，在缺陷評定的定性、定位和部分定量方面有相同點，在形貌和氧化色識別上具有一定的優(yōu)勢。2018—2019 年，內(nèi)窺鏡檢測技術(shù)在國內(nèi)2205 雙相不銹鋼管線建設(shè)首次引入和應(yīng)用，被實踐證明是行之有效的質(zhì)量控制方法之一，該應(yīng)用對焊工形成了有效約束，在2205 雙相不銹鋼管線建設(shè)質(zhì)量控制方面起到了獨特的作用。

2205 雙相不銹鋼鋼管材料耐腐蝕性能優(yōu)良，但造價較高，在國內(nèi)管線建設(shè)中用得較少，因此，管線焊接過程中，對管線環(huán)焊縫焊接質(zhì)量的評定和控制顯得尤其重要。2205 雙相不銹鋼直縫鋼管管線內(nèi)窺鏡檢測，是無損檢測的一種目視檢測，實質(zhì)上還是對焊接接頭內(nèi)表面缺陷的評定。國內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀是：小管徑管線（OD≤508 mm）受限于傳統(tǒng)檢測工具的原因，內(nèi)表面外觀質(zhì)量的檢測尚未有效開展。自2018 年9 月以來，內(nèi)窺鏡檢測在2205 雙相不銹鋼直縫鋼管OD406 mm×12 mm 管線的首次應(yīng)用，彌補了這項空白。準確地判讀缺陷圖譜，有益于檢測單位的數(shù)據(jù)積累和人才培養(yǎng)，有利于施工方針對性整改、修偏，以提高管線環(huán)焊縫焊接質(zhì)量控制。

1 缺陷評判方法

1.1 圖像質(zhì)量要求

由內(nèi)窺鏡機器人成像原理和無損檢測知識可知，影響內(nèi)窺鏡檢測圖像質(zhì)量的因素有照射角度、照度和焦點距離等。圖像采集是內(nèi)窺鏡原始視頻（錄像）在計算機播放過程中，由操作者按錄像時間點（或者按缺陷存在位置）逐張剪圖獲得。圖像分辨率由內(nèi)窺鏡機器人錄像設(shè)置參數(shù)的分辨率決定，實踐中，OD508 mm 及以下管徑，焊口環(huán)焊縫內(nèi)窺攝像剪圖數(shù)量以不少4 張為宜，單張圖像規(guī)格為70 mm（寬）×56 mm（高）。4 張剪圖的內(nèi)容分別為環(huán)焊縫的起弧收弧處、縱縫連接處、缺陷處等有代表性的位置，以盡可能多的信息顯現(xiàn)焊縫焊接質(zhì)量。

1.2 一般評判方法和缺陷評定技巧

1.2.1 一般評判方法

2205 管線環(huán)焊縫內(nèi)窺鏡檢測是一種環(huán)焊縫內(nèi)表面外觀質(zhì)量檢測方法。在焊接接頭焊接質(zhì)量評定過程中，外觀質(zhì)量評定主要由外觀形貌、顏色和幾何尺寸檢查組成。

（1）外觀缺陷評定主要表述方法是定性、定量和定位。定性時可用“成型不良”“咬邊”“錯邊”“未焊透”等；定量時可用“輕微”“輕深”“輕長”等詞表述。

（2）焊接接頭顏色的判定，比如氧化色分級，應(yīng)結(jié)合“2205雙相不銹鋼環(huán)焊判定”中的典型顏色分級要求和焊縫解剖實物對比進行，對檢測對象進行客觀描述。

（3）缺陷幾何尺寸評定時，量化由長度、寬度、高度（厚度）的測量數(shù)據(jù)得來。①實際檢驗中，缺陷長度和寬度測量通過測量顯示屏顯示的缺陷長度，根據(jù)規(guī)范進行評判；②厚度方面的量化，現(xiàn)階段國內(nèi)內(nèi)窺鏡機器人鏡技術(shù)尚不能準確測量，比如錯邊量和內(nèi)凹深度，摔坑、麻坑、劃傷、壓痕的深度等；③缺陷的定位可用鐘點表述。

1.2.2 內(nèi)窺鏡缺陷評定技巧

因操作規(guī)程對各種缺陷有相對明確的要求，結(jié)合實踐經(jīng)驗，評定順序可根據(jù)先定性、再定量，最后定位的順序進行評定。這樣的評定順序有利于節(jié)省評定時間、提高評定效率。比如，對于“裂紋”“未熔合”“未焊透”等缺陷完成定性后，按照規(guī)定，整個焊口即予拒收處理，不需要準確定量定位。而對于“咬邊”“內(nèi)凹”等需要定量的缺陷，可在定性后進行定量判定，以確定是否超標。準確定位的意義主要是便于返修，或者作為改進工藝提供缺陷位置的參考依據(jù)。

1.2.3 準確判讀缺陷圖譜的意義

便于業(yè)主、監(jiān)理等相關(guān)方閱讀，督促施工方整改；也有益于內(nèi)窺鏡檢測單位、其他NDT（Nondestructive Testing，無損檢測）檢查單位和技術(shù)支持單位經(jīng)驗積累；更為數(shù)字化管網(wǎng)的質(zhì)量構(gòu)建收集第一手素材，為后期管線評價積累數(shù)據(jù)。

1.3 特殊情況下的判定

一般情況下，內(nèi)窺鏡檢測單位在當期檢測報告中應(yīng)給出明確的評定意見，即該環(huán)焊縫焊口是否接受的結(jié)論。特殊情況下，內(nèi)窺鏡檢測單位對極個別缺陷不能準確評定時，可借助于其他無損檢測方式（射線照相檢驗、超聲檢測等）確定。因現(xiàn)場檢測報告的時效性較強，檢測人員應(yīng)力求準確評判。

1.4 內(nèi)窺鏡缺陷圖像和RT 底片的異同和優(yōu)缺點

內(nèi)窺鏡缺陷圖像和RT（Radiographic Testing，射線檢測）底片所顯示的缺陷相比，兩者的異同點和優(yōu)缺點如下：

（1）相同點：對缺陷的定性相同，在缺陷定位上均按照鐘點法表示。

（2）不同點：對缺陷的幾何尺寸評定（測量上）、缺陷在長度和寬度的定量上兩者大體相同；在厚度的定量上，內(nèi)窺鏡不能準確量化厚度方向的偏差。比如內(nèi)凹缺陷，RT 常用階梯型試塊，通過RT 底片的黑度顯示量化厚度方面的差別，內(nèi)窺鏡圖像尚不能準確量化。

（3）優(yōu)缺點：內(nèi)窺鏡圖像在表面缺陷形貌和氧化色識別上有一定的優(yōu)勢，比RT 底片圖像更直觀易懂，不需要評定者根據(jù)射線原理對影像進行平面圖形到立體圖形的還原過程，僅需要考慮檢測設(shè)備的放大系數(shù)和細微的色差顯示影響即可。兩者的圖像顯示特點見表1。

表1 內(nèi)窺鏡圖像和RT 底片的特點對比

1.5 內(nèi)窺鏡圖像的作用

2205 雙相不銹鋼管線內(nèi)窺鏡圖像和錄像數(shù)據(jù)資料，實時地記錄了管道焊縫焊接質(zhì)量的形成過程，為管道安全性評價提供了原始資料。管道內(nèi)窺鏡檢測報告所提供的照片和錄像數(shù)據(jù)資料，為業(yè)主科學(xué)決策提供了依據(jù)，為施工隊伍改進工藝提供支持，為無損檢測單位評判提供參考和佐證，為焊接設(shè)備供應(yīng)商和內(nèi)窺鏡設(shè)備供應(yīng)商持續(xù)改進設(shè)備功能提供了有益的素材，為管線質(zhì)量起到了保障安全的作用。

2 缺陷類型圖譜判讀、分類、成因及防止

2.1 評定依據(jù)

通常情況下，2205 不銹鋼管線環(huán)焊縫內(nèi)窺鏡圖像的評判依據(jù)為該內(nèi)窺鏡檢測項目的操作規(guī)程和相關(guān)專業(yè)技術(shù)要求等（如“2205 雙相不銹鋼環(huán)焊判定”）。

2.2 焊接方式

本文所述2205 不銹鋼管線環(huán)焊縫內(nèi)窺鏡檢測應(yīng)用案例的焊接方式為手動焊：GTAW（Gas Tungsten Arc Weld，鎢極惰性氣體保護）+SMAW（Shielded Metal Arc Welding，焊工資格證書）；自動焊和半自動焊：GTAW。焊管材料規(guī)格：2205 D323.9×10 mm、2205 D406.4×12 mm；焊材：ER2209Φ1.0 mm、Φ2.4 mm、Φ3.2 mm。

2.3 典型缺陷圖譜分類、成因及防止

單張缺陷圖譜內(nèi)表面焊接質(zhì)量評判，應(yīng)按照“焊縫中心線到焊縫兩邊→熱影響區(qū)→管道母材內(nèi)壁”的順序進行評判，評定結(jié)果在檢測報告中按規(guī)定的格式給出評定結(jié)論。本文通過梳理實際應(yīng)用中的環(huán)焊縫內(nèi)表面典型缺陷，將2205 雙相不銹鋼管線焊接中的缺陷分為8 種，分別是：①凹坑、內(nèi)凹或未填滿；②未焊透；③氧化發(fā)藍、發(fā)灰、發(fā)黑及氧化過燒；④咬邊；⑤氣孔；⑥修磨過度、修磨過寬、毛刺和倒刺；⑦母材損傷、劃傷、壓痕和麻坑；⑧管道內(nèi)壁異物、電弧燒傷、縱縫間距及其他。

2.3.1 凹坑、內(nèi)凹或未焊滿

自動焊和半自動焊的凹坑、內(nèi)凹和未填滿現(xiàn)象如圖1 所示，示意圖見圖2。定義、評判、產(chǎn)生原因、危害和防范措施等見表2。

圖1 自動焊和半自動焊凹坑

圖2 自動焊和半自動焊凹坑示意

表2 凹坑、內(nèi)凹或未焊滿缺陷分析及防范措施

2.3.2 未焊透

手動焊未焊透現(xiàn)象如圖3 所示，示意圖見圖4。定義、評判、產(chǎn)生原因、危害和防范措施等見表3。

2.3.3 氧化發(fā)藍、發(fā)灰、發(fā)黑及氧化過燒

手動焊氧化發(fā)藍、發(fā)灰、發(fā)黑及氧化過燒現(xiàn)象如圖5、圖6所示。定義、評判、產(chǎn)生原因、危害和防范措施等見表4。

2.3.4 咬邊

自動焊和半自動焊的咬邊現(xiàn)象如圖7 所示，手動焊的咬邊現(xiàn)象如圖8 所示，咬邊示意見圖9。定義、評判、產(chǎn)生原因、危害和防止措施等見表5。

2.3.5 氣孔

圖3 手動焊未焊透

圖4 手動焊未焊透示意

表3 未焊透的分析及防范措施

圖5 手動焊氧化發(fā)藍、發(fā)灰、發(fā)黑及氧化過燒

圖6 手動焊氧化發(fā)藍、發(fā)灰、發(fā)黑

表4 氧化發(fā)藍、發(fā)灰、發(fā)黑及氧化過燒的分析及防范措施

圖7 自動焊和半自動焊咬邊

圖8 手動焊咬邊

圖9 咬邊示意

表5 咬邊的分析及防范措施

自動焊和半自動焊的氣孔現(xiàn)象如圖10 所示，手動焊的氣孔現(xiàn)象如圖11 所示。形成機理、評判、產(chǎn)生原因、危害和防范措施等見表6。

圖10 自動焊和半自動焊氣孔

圖11 手動焊的氣孔

表6 氣孔的形成分析及防范措施

2.3.6 修磨過度、修磨過寬、毛刺和倒刺

自動焊和半自動焊，焊縫兩邊修磨過寬現(xiàn)象如圖12 所示，手動焊的修磨過度現(xiàn)象如圖13 所示，自動焊和半自動焊修磨后形成倒刺或毛刺現(xiàn)象如圖14 所示，手動焊焊縫兩邊修磨過寬現(xiàn)象如圖15 所示。定義、評判、產(chǎn)生原因、危害和防止措施等見表7。

2.3.7 母材損傷、劃傷、壓痕和麻坑

自動焊和半自動焊母材壓痕和麻坑現(xiàn)象如圖16 所示，手動焊母材劃傷現(xiàn)象如圖17 所示。定義、評判、產(chǎn)生原因、危害和防范措施等見表8。

圖12 自動焊和半自動焊焊縫兩邊修磨過寬

圖13 手動焊修磨過度

圖14 自動焊和半自動焊修磨后形成倒刺或毛刺

圖15 手動焊焊縫兩邊修磨過寬

表7 修磨過度、修磨過寬、毛刺和倒刺的分析及防范措施

圖16 自動焊和半自動焊母材壓痕和麻坑

圖17 手動焊母材劃傷

表8 母材損傷、劃傷、壓痕和麻坑的分析及防范措施

2.3.8 焊道內(nèi)壁異物、電弧燒傷、縱縫間距及其他

手動焊焊道內(nèi)壁異物現(xiàn)象如圖18 所示。定義、產(chǎn)生原因、危害和防范措施等見表9。

圖18 手動焊焊道內(nèi)壁異物

表9 焊道內(nèi)壁異物的分析及防范措施

3 提高焊接質(zhì)量、減少焊接缺陷的改進建議

3.1 人

做好施工單位相關(guān)人員資質(zhì)審核工作，保證焊接人員持證上崗，持證項目和施焊類別一致。做好現(xiàn)場焊工考評工作。

3.2 機

應(yīng)用于施工項目中的焊接設(shè)備應(yīng)檢定且在有效期內(nèi)。坡口加工時，坡口機夾持設(shè)備應(yīng)夾持牢固，避免由此造成的大面積鋼管母材內(nèi)壁壓坑和麻坑。

焊口組對時，焊接設(shè)備的內(nèi)對口器滾輪應(yīng)選用塑料或者橡膠材質(zhì)，避免在組對完成退車過程中，因強力拖拉對口器（部分滾輪運行不良時，內(nèi)對口器和焊管內(nèi)壁發(fā)生硬接觸）造成母材的內(nèi)壁損傷。

通常情況下，酸洗鈍化后的2205 不銹鋼內(nèi)壁不允許修磨。當現(xiàn)場修磨不可避免時，應(yīng)保證內(nèi)焊縫兩邊修磨寬度和修磨厚度不能超出規(guī)范規(guī)定，不應(yīng)出現(xiàn)修磨過寬或修磨厚度超標。修磨后應(yīng)拋光處理，避免形成倒刺和毛刺；避免破壞不銹鋼表面的鈍化膜，形成疲勞源，造成腐蝕隱患。

3.3 料

焊管：施工現(xiàn)場應(yīng)做好2205 不銹鋼焊管的入場驗收工作，如有不符合項，及時按程序反饋給上游環(huán)節(jié)的制造廠商和相關(guān)方。做好焊管二次倒運過程中的質(zhì)量控制工作，避免管體損傷。焊材：做好焊材的入場驗收、存儲、領(lǐng)用分發(fā)、回收和現(xiàn)場管理等工作。

3.4 法

施焊作業(yè)過程中，做好WPS（Welding Procedure Specification，焊接工藝規(guī)程）的執(zhí)行控制工作，尤其是在施工現(xiàn)場地勢環(huán)境較差、母管圓度在標準允許范圍邊緣、組對較為困難時，焊接工藝的執(zhí)行更為重要。坡口加工和焊口組對工序，是應(yīng)該被重視的關(guān)鍵控制工序。

3.4.1 坡口加工

規(guī)范加工坡口形式、角度和鈍邊，是施焊前的準備工作。避免夾具造成坡口邊緣的母材壓痕和麻坑，避免形成新的疲勞源（點），造成腐蝕風險。

3.4.2 組對

組對過程中，避免強力拖拉內(nèi)對口器造成管體母材內(nèi)壁劃傷，避免強力組對時造成焊口附近母材內(nèi)壁損傷，嚴禁野蠻施工。

3.4.3 焊接過程中的質(zhì)量控制

與WPS 規(guī)定的熱輸入量相比，現(xiàn)場產(chǎn)生缺陷的原因主要是熱輸入量的變化。換言之，焊接缺陷主要是焊接能量參數(shù)中電壓、電流和焊接速度的變化造成的。控制好熱輸入量，減少焊接缺陷產(chǎn)生率。利用工裝加強氣體保護措施，保證焊接接頭氧化色符合技術(shù)要求。

（1）電流作為單項參數(shù)，和WPS 規(guī)定的參數(shù)相比，有偏大和變小兩種變化，主要影響焊縫的熔深。一般情況下，電流偏大時容易形成燒穿、咬邊，顏色黑灰；電流偏小時容易形成未熔合、未焊透等缺陷。

（2）電壓主要影響焊縫的寬度。因現(xiàn)場焊機的電壓和電流是匹配的，在此不作為重點討論對象。

（3）坡口形式、運條方法、運條速度、焊工施焊習(xí)慣及其他。坡口形式、運條方法、運條速度、焊工施焊習(xí)慣、焊工經(jīng)驗值等影響因素，仍然是熱輸入量的變化。手工焊接可控制因素較多，在自動焊和半自動焊的實際操作中，焊接工程師一般采用一次性設(shè)定焊機焊接參數(shù)的方法進行質(zhì)量控制（該焊接參數(shù)和WPS 一致，除了擺寬可調(diào)節(jié)外，焊工一般不需要調(diào)節(jié)其余焊接參數(shù)）。在坡口加工相對規(guī)范、焊接設(shè)備維護正常的情況下，焊工比較容易操作，焊接效率較高，焊接質(zhì)量（整體熱輸入量）控制也較容易實現(xiàn)。

3.5 環(huán)

3.5.1 溫度和風速影響

環(huán)境變化時，焊接操作應(yīng)在搭建防風棚等有效防護措施的保護下進行，尤其是溫度（如環(huán)境溫度低于10 ℃）和風速變化時，應(yīng)做好預(yù)熱和層間溫度控制。

（1）焊前預(yù)熱既能減少焊管待焊部位的溫度差，又能減緩冷卻速度，是降低殘余應(yīng)力的有力措施之一。

（2）多道焊時，層間焊道所具有的最低溫度（即層間溫度），對其后一道焊而言，具有預(yù)熱的作用（層間溫度即相當于預(yù)熱溫度）；對其前一道焊接來說，起“后熱”的作用，產(chǎn)生一定的熱處理效果。

（3）焊條保溫筒應(yīng)在焊條領(lǐng)用前加熱，焊接時應(yīng)接到焊機的直流電源上，焊接期間保持焊材干燥狀態(tài)。

（4）特殊環(huán)境下應(yīng)搭建防風棚等，做好相應(yīng)的防護工作，以保證焊接質(zhì)量。如遇下列特殊情況、未進行防護措施時不得施焊。特殊情況有：①雨、雪天氣；②環(huán)境溫度≤10 ℃；③大氣相對濕度≥90%；④鎢極氬弧焊時風速大于2 m/s；⑤焊條電弧焊時風速大于5 m/s。

3.5.2 焊接過程中和焊后的環(huán)境保護

焊接過程中，相關(guān)人員應(yīng)做好坡口清潔、焊條保溫、焊材保管、回收等環(huán)境保護工作。焊接完成后，相關(guān)人員應(yīng)做好管道內(nèi)壁的異物清理和清潔工作，避免異物存留管道內(nèi)部，造成通球試壓時的不便和環(huán)境問題。施工單位應(yīng)遵守現(xiàn)場HSE（Health Safety Environment，健康、安全、環(huán)境）管理的相關(guān)規(guī)定。

4 內(nèi)窺鏡圖像的不足之處

4.1 氧化色分級判讀有待規(guī)范化

從2205 雙相不銹鋼管線建設(shè)實際案例中割開的焊口實物分析，管道內(nèi)窺鏡圖像所顯示的焊接接頭顏色，暫不能作為缺陷（欠）評定的準確依據(jù)，需要繼續(xù)積累數(shù)據(jù)。如果內(nèi)窺鏡設(shè)備廠商在CCD（Charge-coupled Device，電荷耦合元件）技術(shù)方面有所突破，內(nèi)窺鏡技術(shù)在2205 雙相不銹鋼管線環(huán)焊縫氧化色的評定方面會大有作為。

4.2 圖像尚不能準確量化缺陷（欠）在壁厚方向的尺寸差別

現(xiàn)階段應(yīng)用實例表明，在2205 雙相不銹鋼管線環(huán)焊縫內(nèi)表面焊接缺陷檢測過程中，內(nèi)窺鏡檢測能力不足，尚不能準確量化缺陷（欠）在壁厚方向的數(shù)據(jù)差別。比如對錯邊、內(nèi)焊縫余高和內(nèi)凹等缺陷的量化上（錯邊：工件自厚度方向上錯開一定位置。一般檢驗規(guī)程規(guī)定，焊管焊縫徑向錯邊應(yīng)不大于公稱壁厚的10%和1.59 mm 中的較小者；內(nèi)凹、劃傷、壓痕、麻坑、摔坑等的深度一般不超過焊管壁厚的12.5%；焊縫余高，在內(nèi)外表面均小于2.0 mm），暫時不能準確進行。

檢測單位可建議內(nèi)窺鏡設(shè)備廠商增加鏡測距等功能，在缺陷厚度方向上，對定量功能加以改進，以便更準確地評判。

5 結(jié)語

內(nèi)窺鏡圖像評判中，對管線環(huán)焊縫內(nèi)表面缺陷的分類和傳統(tǒng)焊接缺陷的分類大致相同，僅因為2205 雙相不銹鋼材料的特殊性，在顏色和修磨等環(huán)節(jié)的缺陷分類上有所不同。內(nèi)窺鏡典型缺陷評定，以焊縫外觀缺陷形貌為基礎(chǔ)，依據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)定和焊縫實物進行判讀，結(jié)合缺陷形成的機理，給出具體的評定結(jié)論。綜合2205 不銹鋼材料、焊接和NDT 知識，應(yīng)用于現(xiàn)場施焊具體情況，對影響現(xiàn)場焊接質(zhì)量的“人、機、料、法、環(huán)”諸因素逐一進行梳理分析，以期找出改進工藝的有效措施，提高施工項目的整體焊接質(zhì)量。

通過對內(nèi)窺鏡檢測典型缺陷影像的判讀和分析，為業(yè)內(nèi)新興起的內(nèi)窺鏡檢測在2205 雙相不銹鋼管線建設(shè)中的應(yīng)用做必要的數(shù)據(jù)積累，為2205 雙相不銹鋼管線質(zhì)量控制做出積極貢獻。