高含硫天然氣集輸管道CRA 復合管AUT 檢測研究與應用

黃成于 郭留杰 黃瀟賢 馬 源 馬偉力

（1.西南油氣田公司重點地面工程建設項目部 成都 610000）

（2.北京亞力特科技開發(fā)有限公司 北京 100000）

（3.西南油氣田公司川中油氣礦 成都 610000）

耐腐蝕合金雙金屬復合管（CRA 復合管）在高含硫天然氣田中用于輸送腐蝕性較強的介質，其主要結構特征是以碳鋼管為基層內(nèi)壁增加一層耐蝕合金（不銹鋼）為復層。

國內(nèi)外通過大量研究和結果表明，雙金屬復合管結合基管的高強度和內(nèi)襯管的耐腐蝕兩大優(yōu)點，在高腐蝕性氣田應用中具有技術優(yōu)越性[1]。根據(jù)不同服役環(huán)境選擇基體與內(nèi)襯的合理搭配，在節(jié)省貴重金屬的同時又可降低成本，是解決腐蝕問題相對安全和經(jīng)濟的有效途徑。

國外雙金屬復合管應用成果較多，自1991 年雙金屬復合管投入使用以來，經(jīng)過多年的發(fā)展，得到了廣泛應用，并取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。美國墨西哥灣法爾韋油田早已有應用，日本NKK 公司采用UOE 工藝制造的Cu-Ni 合金復合管（含Ni 10%或30%)具有優(yōu)良的耐海水腐蝕性和可焊性，廣泛用于海水淡化系統(tǒng)的海水引入管等[2]。另外，俄羅斯極北部和東部大陸架等油氣田、中東波斯灣海域鋪設的海底石油管道[3]、中亞地區(qū)土庫曼斯坦典型的高產(chǎn)、高溫、高壓、高H2S、高CO2、高含氯酸根離子的酸性“六高”氣田也都有應用[4]。

隨著我國天然氣的大量開采，配套的集輸管線大量鋪設并投入使用，雙金屬復合管以其低廉的價格、較高承壓能力和優(yōu)異耐腐蝕性能，節(jié)約投資并提高了油氣田運營的安全穩(wěn)定性，已經(jīng)逐漸得到我國油氣田領域認可。用戶涵蓋了中石油、中石化及中海油多家油田單位，應用領域已經(jīng)從陸地石油、天然氣管線發(fā)展到海底管線，從注水管線擴展到集輸管網(wǎng)。

塔里木的牙哈凝析氣田的改造中率先采用了雙金屬復合管，并在吉那氣田、吉林的長嶺1 號、長慶、大慶徐深氣田、中石油西南油氣田得到了大規(guī)模的推廣應用[5]。中海石油Y13-4 項目復合海底管線用雙金屬復合管是國內(nèi)首條油氣混輸海底管線，并在黃巖項目一、二期等項目中推廣應用。

2021 年2 月1 日，SY/T 7464—2020《耐腐蝕合金雙金屬復合管焊接及無損檢測技術標準》正式實施，焊口無損檢測要求焊縫焊完后做自動超聲檢測（AUT)。劍閣區(qū)塊礁灘氣藏試采地面工程對內(nèi)部集輸支線試驗線路CRA 復合管進行了AUT 檢測。

筆者從聲學性能、檢測工藝設計、校準試塊方面進行了研究探討，并結合工程實際提出了具體的解決方案，驗證了薄壁小管徑CRA 復合管AUT 檢測的適用性。

1 CRA 復合管AUT 檢測聲學特性

常規(guī)的AUT 用于檢測均勻的、各向同性的碳鋼管道，其晶粒對聲波散射很低，檢測效果較為理想。檢測工藝采用橫波線掃，以一次波和經(jīng)底面反射形成的二次波來覆蓋整個檢測區(qū)域。

由于CRA 復合管管道的結構特性（如圖1 所示），焊縫更加復雜，主要表現(xiàn)在碳鋼母材與CRA 復合管堆焊層材料差異、碳鋼母材與焊縫填充材料差異、CRA復合管堆焊層及填充材料本身的特殊性[6]。

圖1 管道的結構特性

復層和焊縫材料為不銹鋼，晶粒粗大，組織不均，各向異性，超聲波在焊縫中傳播時，會發(fā)生聲速變化、散射衰減增大，波束偏移和扭曲，缺陷定位不準確；粗晶反射，背景噪聲大。粗晶材料中的衰減系數(shù)大，衰減更為嚴重，同時隨著波束的傳播，嚴重降低。

具體分析如下：

1）復層與基層的結合層為起伏的曲面（如圖2 所示)，聲波情況復雜。聲束無法在底面產(chǎn)生理想的反射波束（如圖3 所示)，基層和復層材料聲阻抗不同，聲波散射及衰減會使回波信號分析困難。

圖2 復層與基層之間的起伏結合面

圖3 基層和復層對聲波散射及衰減

2）不銹鋼焊縫晶粒粗大且各向異性，聲波在其內(nèi)部衰減嚴重，晶粒散射產(chǎn)生的噪聲信號致使信噪比差，聲波反射、折射情況復雜（如圖4 所示），缺陷回波被淹沒導致探頭無法接收到清晰的回波信號[7]。

圖4 焊縫對聲波反射、折射及散射衰減

2 CRA 復合管AUT 檢測工藝

CRA 復合管AUT 檢測工藝設計時，選擇的波形、探頭參數(shù)應盡可能使CRA 復合管材料各向異性及結構界面對檢測結果的影響降至最小。分析選擇各組探頭參數(shù)如下：

采用低頻相控陣探頭，能有效減少散射雜波，擁有更好的信噪比。采用縱波線性陣列，帶狀圖+B 掃描，分區(qū)掃查法覆蓋焊縫中下層檢測區(qū)域。

采用TRL（雙晶縱波）探頭，縱波波速大，在粗晶材料中不易衰減，有效降低因散射造成的能量損失，提高穿透效果。縱波波速在碳鋼與不銹鋼中的速度差小于橫波的波速差，在穿過奧氏體焊縫時，折射角度更小[8]；此實驗段管材為薄壁小徑管，采用TRL（雙晶縱波、短聚焦）探頭。覆蓋下表面區(qū)域，針對性地提高根焊層、過渡層檢測精度。

TOFD 檢測對焊縫中部缺陷檢出率很高，容易檢出方向性不好的缺陷，可以識別向表面延伸的缺陷，缺陷定量、定位精度高。TOFD 技術衍射信號傳播時差確定衍射點位置，缺陷定量、定位不依靠信號振幅，缺陷衍射信號與角度無關，檢測可靠性和精度不受缺陷與入射波之間角度的影響。

當爬波通道存在缺陷波幅時，探頭的頻率和阻抗匹配性直接影響缺陷回波信號中包含的信息量的多少，缺陷上下端點回波的判斷取決于檢測人員的技術能力和業(yè)務水平，在A 掃描界面中有時會很難分辨缺陷上下端點反射回波。這樣就很難區(qū)分是表面缺陷還是埋藏缺陷，可以通過TOFD 區(qū)分表面缺陷，表面缺陷會造成直通波下沉（如圖5 所示）。

圖5 TOFD 檢測上表面缺陷

TOFD 采用頻率5 MHz 探頭檢測，可明顯區(qū)分碳鋼層、不銹鋼層，其中碳鋼層信噪比較好，不銹鋼層信號較亂。對焊縫中部區(qū)域進行檢測，提高定量精度。

采用爬波雙晶探頭，發(fā)射與接收分開，始脈沖不能進入放大器，避免了阻塞現(xiàn)象，始脈沖后基本沒有雜波，避免了傳統(tǒng)橫波檢驗的始脈沖占寬干擾的弊病，由于在遠距焊縫30 mm 處進行掃查，排除了不規(guī)則的焊縫區(qū)對掃查的影響[9]。爬波能有效穿透焊縫且不受異材及晶粒結構尺寸的限制，信噪比高。以保證對焊接接頭上表面檢測區(qū)域的覆蓋和有效的檢測。

4 組探頭根據(jù)其特點有針對性地覆蓋其各自檢測區(qū)域。實現(xiàn)最優(yōu)化檢測效果，檢測范圍相互覆蓋，實現(xiàn)焊縫的全檢測。每組探頭上游、下游對稱布置，閘門覆蓋整個焊縫區(qū)域，上游、下游探頭檢測數(shù)據(jù)同時用于檢測結果的評定及缺陷位置的確定。檢測圖譜包含雙門帶狀圖通道、爬波通道、TRL 通道、PA 體積通道、TOFD 通道和耦合通道（如圖6 所示）。TOFD圖位于掃查圖的中間，兩側為上游、下游脈沖回波通道。各通道參數(shù)一一對應，在專用試塊上進行校準，各人工缺陷反射體顯示正確。

圖6 CRA 復合管AUT 檢測圖譜

實際檢測中CRA 復合管焊縫的缺陷尺寸依據(jù)顯示通道、波幅高度對反射信號進行綜合評定。所有明顯的信號，需根據(jù)驗收準則評判其波幅、深度、高度、長度性質等。記錄系統(tǒng)需清楚地記錄缺陷相對于起始的位置及方向，精確到±10 mm。耦合情況需實時監(jiān)視并記錄。信號的所有方面需綜合考慮以避免過高或過低估計。檢測圖譜在掃查結束后立即進行評判。對于檢測到的缺陷，信號波幅超過閾值（滿屏高度的20%）的部分均需記錄在報告上，依據(jù)聲束示蹤方法的修正技術、TOFD 或波幅法幾種方法中的一種或其綜合，在CRA_Sizing 測量軟件中分析各種缺陷顯示評判缺陷。

雙門帶狀圖通道、爬波通道、TRL 通道均為A 掃描顯示，最容易檢測出未熔合缺陷。

根部未熔合：可以從焊縫的一側看到根部通道的平滑信號，大多數(shù)情況下是不對稱的。

鈍邊未熔合：可以看到較強的平滑信號；信號一般超過閘門，可能在焊縫兩側都有。這是唯一一種兩邊都能看到的未熔合。

熱焊、填充區(qū)未熔合：只能從焊縫的一側看到平滑的信號。因為這里的未熔合通常發(fā)生在熱焊與填充焊道的交角處，所以需檢查鄰近通道判斷是否受影響。

PA 體積通道為B 掃描顯示，根據(jù)通道的情況，PA 體積通道將用于檢測結果的評估。CRA_Sizing 測量軟件可同時顯示2 組掃描，每一組都包含A 掃描、S 掃描和C 掃描（如圖7 所示）。C 掃描顯示任何一個聚焦法則中超過A 閘門的A%（A 閘門的振幅）的成像，S 掃描顯示所有聚焦法則在深度方向上的成像。所有通道配置B 掃描顯示，并用于缺陷的評估及測量。

圖7 CRA_Sizing 測量軟件體積通道顯示界面

根部氣孔等體積缺陷反射信號的波幅在帶狀圖上的波幅顯示通常是低于閘門的，在根部B 掃描圖形顯示通道上看很明顯。對比體積通道和雙門帶狀圖通道的檢測數(shù)據(jù)，將結果輸入CRA_Sizing 測量軟件中，會大大簡化根部區(qū)域信號的評判。

雙門帶狀圖通道檢測存在疑似缺陷信號顯示時，對比分析體積通道扇掃成像數(shù)據(jù)，若體積通道有相應的顯示，可快速確定缺陷。若成像數(shù)據(jù)沒有任何顯示，而可能存在的情況有3 種：

1）信號來自根部埋藏區(qū)域：需重新審核雙門帶狀圖數(shù)據(jù)，結合TOFD 通道、TRL 通道、R1 通道、R56通道，判定信號是否為缺陷。

2）缺陷信號源自錯口：需重新審核扇掃成像數(shù)據(jù)和TOFD 數(shù)據(jù)，若確定信號源自錯口，可判斷雙門帶狀圖信號為偽信號。

3）信號來自不規(guī)則幾何形狀：需重新審核扇掃成像數(shù)據(jù)，通過調(diào)出體積通道顯示界面分析A 掃描、S掃描、C 掃描等顯示分析圖像，確定信號來自不規(guī)則幾何形狀，可判定雙門帶狀圖信號為偽信號。

TOFD 通道為D 掃描顯示，根據(jù)通道的情況，TOFD 將與A 掃描脈沖回波通道一并實施缺陷的定性及測量。如圖8 所示根部缺陷在TOFD 通道和TRLD通道上都有明顯的顯示，R1D 通道也有顯示，波幅較弱。

圖8 TOFD 顯示中的根部缺陷

錯口不是缺陷，屬于幾何反射，從TOFD 上看十分明顯（如圖9 所示），比用帶狀圖上通過時間差判斷簡單得多。

圖9 TOFD 顯示中的根部錯口

3 CRA 復合管AUT 對比試塊設計及優(yōu)化

AUT 的檢測基于焊接工藝和對比試塊的設計，對比試塊用于校準及驗證檢測設備的狀態(tài)、探頭的正確放置、標定靈敏度和覆蓋范圍，保證對焊縫的100%覆蓋。并且可以根據(jù)對比試塊靈敏度設置對缺陷進行定量。

對比試塊的總體大小及實際形狀須由探頭加載系統(tǒng)及試塊支撐結構決定。試塊及其架設需保證校準過程所有探頭有足夠的移動空間。對比試塊需依據(jù)一套命名系統(tǒng)永久性唯一命名，并打鋼印，內(nèi)容包括生產(chǎn)商、尺寸、壁厚及序列號。

3.1 CRA 復合管焊縫結構

劍閣礁灘試采工程內(nèi)部集輸支線施工技術要求：φ168.3×（8+2.5/3)L360QS+UNS N08825 復合管采用全自動鎢極氬弧焊，坡口形式U 型。

根據(jù)CRA 復合管環(huán)焊縫坡口形式和焊接層數(shù)（如圖10 所示)，φ168.3×（8+2.5/3)規(guī)格管道焊縫可分為根焊區(qū)（R)、熱焊區(qū)（HP)、填充區(qū)（F1/F2)、蓋面區(qū)（Cap)。按SY/T 7464—2020 要求進行試塊設計，軟件聲束模擬并優(yōu)化各人工反射體位置和數(shù)量。

圖10 CRA 復合管環(huán)焊縫的坡口形式及焊接層數(shù)

3.2 對比試塊總體要求

試塊的設計加工遵循SY/T 7464—2020 并結合實際檢測工藝及設備性能進行優(yōu)化設計。

按照標準要求每一種管徑規(guī)格、壁厚、坡口形式、材質、焊接工藝需要制作相應專用對比試塊。對比試塊所用材料必須為與檢測目標一致的材料，試塊的壁厚和坡口形式應與被檢工件相同，并使用完全相同的焊接工藝焊接成焊縫。

對比試塊焊縫中心到兩端的距離不少于掃查裝置所需的尺寸。對比試塊材料焊縫及熱影響區(qū)在用直探頭以φ2 mm 平底孔靈敏度檢測時，不應出現(xiàn)直徑大于2 mm 的平底孔回波幅度1/4 的缺欠信號。

人工反射體在焊縫兩側對稱分布，人工反射體的形狀、尺寸和數(shù)量應符合標準規(guī)定并滿足檢測調(diào)試校準。根據(jù)檢測區(qū)域的不同以及檢測方法的不同，反射體的設計方法也不同。反射體需加工在對比試塊上。如果焊縫區(qū)域有收縮，對比試塊的外形需與實際焊縫一致。

按照SY/T 7464—2020 要求填充區(qū)及蓋面區(qū)應按式（1）和式（2）進行層數(shù)劃分，每層厚度不應超過3.5 mm。

式中：

int——向下取整；

Tw——焊縫厚度，mm；

n——劃分層數(shù)；

h——每層厚度，mm；

r——根焊區(qū)厚度，mm。

注：層數(shù)確定后的第1 層為蓋面區(qū)，第2 層至第n層為填充區(qū)[10]。

Tw取值11，r取值2；計算得到n=3，h=3 mm。填充區(qū)2 個、蓋面區(qū)1 個（如圖11 所示）。

圖11 填充區(qū)（F1、F2）、蓋面區(qū)（Cap）

選用一維線陣探頭，縱波線性陣列，分區(qū)掃查法以不同折射角度覆蓋焊縫檢測區(qū)域（R/HP/F1/F2）。聲束覆蓋根焊區(qū)、熱焊區(qū)和部分填充區(qū)，聲束覆蓋上限在5 mm 左右，無法檢測蓋面區(qū)和上部的填充區(qū)部分（F2/Cap）。

相控陣探頭距焊縫中心位置的選擇宜最大可能覆蓋目標反射體，并與爬波檢測區(qū)域有效覆蓋。需要根據(jù)不同的區(qū)域設置深度不同、角度不同的反射體，主要以平底孔為主，每個分區(qū)的高度約為 2.5 mm。填充、熱焊及體積通道需設置φ3 mm 平底孔。

3.3 根部人工反射體設計優(yōu)化

在焊縫根部內(nèi)表面熔合線外側各設置1個矩形槽，深度為0.5 mm，長度為15 mm，寬度取1 mm，根部槽校準根部通道。在根部及熱焊區(qū)中間深度的坡口熔合線位置設置1 個平底孔，平底孔尺寸應為φ3 mm，平底孔軸線應垂直于坡口線，此平底孔校準熱焊層通道，主要檢測熱焊區(qū)，兼顧根部坡口未熔合。

CRA 復合管根部為復層、基層、焊縫結合部位。此處波形復雜，且根部形成的錯口、內(nèi)凹、未熔合、未焊透缺陷，會造成根部應力集中、電化學腐蝕等。這些缺陷的有效檢出是CRA 復合管質量重點，也是AUT 檢測工藝的重點和難點。由于這些缺陷自身存在不同的形狀特征，會形成不同的反射波幅和角度反射。為加強根部的檢測，根部會增加設計2 個反射體（根部平底孔）針對性地模擬回波信號，使用多角度（70°、60°、56°）進行檢測，應用專用CRA 軟件對缺陷進行定量。

3.4 爬波檢測反射體設計及優(yōu)化

雙晶并列式爬波探頭通過選擇合適的f×D值，改變聲束主瓣對應折射角度，可改變對表面和近表面缺陷的敏感度，有利于近表面缺陷的探測，檢測深度為0 ～9 mm。檢測范圍較小，檢測最遠距離通常在探頭前30 ～40 mm。本項目采用爬波聲束覆蓋蓋面區(qū)和填充區(qū)部分。

試塊焊縫中心設計角度為70°、深度為7 mm 的φ3 mm 平底孔，蓋帽區(qū)設置3 種矩形槽，參數(shù)見表1。

表1 蓋帽槽參數(shù)

爬波通道使用1 mm 蓋帽槽及7 mm 深φ3 mm平底孔校準，實施校準時，3 個蓋帽槽、7 mm 深φ3 mm 平底孔需清楚辨識。用以驗證爬波探頭參數(shù)的適用性、檢測靈敏度及檢測覆蓋范圍。

3.5 TRL 檢測反射體設計及優(yōu)化

此實驗段為管壁較薄的小徑管。經(jīng)多種角度探頭試驗對比，選用56°短聚焦TRL（雙晶縱波）探頭。使聚焦區(qū)域能覆蓋焊縫根部復合層區(qū)域（如圖12 所示），使根部有較高的檢測靈敏度和信噪比，提高危害性缺陷的檢出率。

圖12 TRL 探頭通道覆蓋范圍示意圖

TRL 通道以根部槽校準。沿試塊軸線移動TRL 探頭，至信號達到最高波幅，固定探頭。移動掃查器至信號達到最高波幅，固定掃查器。調(diào)整增益，至信號達到滿屏高度的80%，此作為基礎參考靈敏度。實施校準時，根部槽及56°根部平底孔需清晰辨識。

3.6 TOFD 檢測反射體設計及優(yōu)化

TOFD 檢測對焊縫中部缺陷檢出率很高，容易檢出方向性不好的缺陷，可以識別表面開口缺陷，缺陷定量、定位精度高。

內(nèi)外表面設計制作2 個尖角槽，驗證TOFD 通道上下表面盲區(qū)，尖角槽參數(shù)見表2。

表2 尖角槽參數(shù)

CRA 復合管的AUT 校準試塊設計是一個比較復雜的過程，其反射體的設置根據(jù)不同的材料及管徑尺寸均會不同，這些都必須系統(tǒng)地考慮各種因素、質量要點和檢測重點。

4 結束語

劍閣區(qū)塊礁灘氣藏試采地面工程已經(jīng)順利地完成交工驗收。結合工程實際，筆者對薄壁小管徑CRA 復合管AUT 檢測工藝進行了研究探討，優(yōu)化對比試塊。解決了小管徑CRA 復合管AUT 檢測技術問題，證明了AUT 檢測工藝對薄壁小管徑CRA 復合管具有良好的適用性。

隨著AUT 技術的發(fā)展，儀器探頭制作工藝的進步，雙線陣陣列探頭和雙面陣陣列探頭的研發(fā)應用，軟件技術的提升，檢測工藝必將呈現(xiàn)多元化發(fā)展。本文針對以上內(nèi)容并結合筆者多年的相關經(jīng)驗，對薄壁小管徑CRA 復合管AUT 檢測研究與應用中存在的問題進行了研究探討，并給出了意見和方案，希望能夠為以后的相關應用研究提供一定的參考。