管網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)中超聲波自動探傷在直縫埋弧焊管的應(yīng)用*

馮 雪， 汪 超， 劉奮勇， 蘇景富

（1. 南京鋼鐵股份有限公司， 南京 210061； 2. 中國石油渤海裝備江蘇鋼管有限公司， 南京 210061）

隨著國家管網(wǎng)公司的成立以及鋼管檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的更新， 焊管無損檢測要求再次提高， 特別是對鋼管焊縫的檢測要求極為嚴(yán)格。 CDP-SNGP-PL-006—2019-4 《天然氣管道工程鋼管技術(shù)規(guī)格書》 明確要求對壁厚12 mm 以上鋼管焊縫中間區(qū)域進(jìn)行探傷[1]。 對此， 筆者對新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析和研究， 包括新標(biāo)準(zhǔn)對鋼管焊縫中間區(qū)域串列探傷的具體要求、 新標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于超聲波探傷對比樣管的制作方法以及串列式探傷工作原理。 同時， 以德國KD 公司ECHO1155多通道超聲波自動探傷系統(tǒng)為例， 驗(yàn)證了直縫埋弧焊管焊縫區(qū)域串列探傷的應(yīng)用效果。 該探傷系統(tǒng)能夠100%覆蓋焊管焊縫中心部位缺陷，探傷準(zhǔn)確度高， 誤報(bào)率低， 最高探傷速度可達(dá)30 m/min， 管端最小盲區(qū)為50 mm， 且檢測速度快、 成本低， 能夠滿足石油管行業(yè)最高標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 新標(biāo)準(zhǔn)要求

按照API SPEC 5L （46 版） 《管線鋼管規(guī)范》、 GB/T 9711—2017 《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》 等標(biāo)準(zhǔn)要求， 焊管焊縫區(qū)域超聲波探傷的人工缺陷一般采用 （N 型或U 型刻槽） 或/和豎通孔進(jìn)行標(biāo)定。 超聲波對比樣管標(biāo)樣中 （包括內(nèi)外焊縫） 6 個縱向、 2 個橫向N5 刻槽和1 個Φ1.6 mm 豎通孔人工缺陷，該標(biāo)樣由制造商選擇采用焊縫邊緣的刻槽或豎通孔用于探傷靈敏度和檢測區(qū)域的確定[2-6]。與上述標(biāo)準(zhǔn)相比， CDP-S-NGP-PL-006—2019-4 增加了對焊管焊縫中間區(qū)域自動超聲波探傷的具體要求， 除了樣管標(biāo)樣中具有位于焊縫內(nèi)外的N5 縱向、 橫向刻槽以及位于焊縫中央的Φ1.6 mm 豎通孔外， 還根據(jù)探傷鋼管壁厚的不同， 相應(yīng)增加了位于焊縫內(nèi)部不同深度處的人工Φ3.0 mm 平底孔和Φ3.2 mm 徑向鉆孔[1]。 X60 鋼級以下， 試塊或樣管焊縫內(nèi)外N5 縱、 橫向刻槽， 其中橫向刻槽可用Φ1.6 mm 鉆孔代替。 X60 鋼級及以上鋼管焊縫區(qū)縱向缺欠檢測探頭的數(shù)量見表1， 對比反射體類型及要求見表2。

表1 X60 鋼級及以上鋼管焊縫區(qū)縱向缺欠檢測探頭數(shù)量

表2 X60 及以上鋼管焊縫區(qū)縱向缺欠檢測對比反射體類型及要求

X60 鋼級及以上鋼管， 縱向缺欠檢測還需注意： ①檢測中間區(qū)探頭角度應(yīng)垂直焊縫坡口， 且在±3°內(nèi)， 如果焊縫坡口角小于15° （單側(cè)） 應(yīng)使用串列探頭； ②縱向缺欠檢測： 探頭角度在50°～70°范圍內(nèi)； ③焊趾處（內(nèi)側(cè)、 外側(cè)） 刻槽反射體（N5） 可用于設(shè)置閘門起始位置和結(jié)束位置，不能用于調(diào)節(jié)檢測靈敏度， 刻槽反射體回波應(yīng)超過記錄閾值水平， 否則， 應(yīng)將參考靈敏度調(diào)節(jié)到100%全屏高度 （FSH） 以上， 拒收閾值應(yīng)保持33%FSH； ④可以使用其他形式探頭數(shù)量和布置， 但應(yīng)證明每一區(qū)域?qū)Ρ确瓷潴w能被檢測出，且應(yīng)得到批準(zhǔn)； ⑤也可以使用直徑為1.6 mm 徑向鉆孔， 驗(yàn)收為0 dB （100% FSH）。 橫向縱向缺欠檢測時， 使用 “OB” 探頭檢測， 探頭角度在45°±3°范圍內(nèi)； 對比反射體， 在內(nèi)外表面上各有1 個橫向N5 刻槽。

2 超聲波探傷對比樣管的制作

2.1 對比樣管人工缺陷分布

為了確保油氣輸送鋼管質(zhì)量并滿足最新標(biāo)準(zhǔn)要求， 在擴(kuò)徑水壓試驗(yàn)后對焊管進(jìn)行100 %焊縫及焊縫兩側(cè)25 mm 超聲波自動檢測。 超聲波自動探傷對比樣管人工缺陷分布如圖1 所示， 圖2為平底孔示意圖。 超聲波自動檢測系統(tǒng)通過在人工缺陷的對比樣管上進(jìn)行校驗(yàn)， 以滿足對鋼管缺陷的檢測要求[1]。

圖1 自動探傷對比樣管人工缺陷分布示意圖

圖2 平底孔示意圖

2.2 垂直鈍邊人工缺陷的制作方法

垂直鈍邊人工缺陷主要是在鋼管焊縫內(nèi)部模擬焊縫中心部位的缺陷， 標(biāo)準(zhǔn)也未對其制作過程做出明確的規(guī)定及要求， 因此對缺陷標(biāo)樣制作帶來更多的挑戰(zhàn)。 目前， 我公司缺陷標(biāo)樣的制作采用以下方法： 在鋼管上距離焊趾部位20～40 mm處切割出300 mm×300 mm 管體方孔， 再在管體方孔靠近焊趾 （距焊趾部位20～40 mm） 一側(cè)截面按照標(biāo)準(zhǔn)位置深度進(jìn)行制作。 使用Φ3 mm、長度50 mm 的鉆頭進(jìn)行鉆孔， 其深度鉆至焊縫橫向?qū)ΨQ截面上， 然后用Φ3 mm 銑刀對鉆孔底部進(jìn)行平底， 即垂直鈍邊平底孔形成， 最后再采用焊接的方法， 將300 mm×300 mm 的管體方孔封堵， 并將外焊縫打磨平整[7]， 垂直鈍邊人工缺陷如圖3 所示。 其他焊縫縱向、 橫向缺陷檢測標(biāo)樣N5 刻槽、 Φ1.6 mm 豎通孔、 垂直坡口面Φ3.2 mm 平底孔及Φ6.25 mm 平底孔制作較為簡單， 本研究不再進(jìn)行闡述。

圖3 垂直鈍邊人工缺陷制作示意圖

3 串列式掃查工作原理

檢測鋼管焊縫內(nèi)部垂直鈍邊處的缺陷采用串列式掃查方法， 探頭布置如圖4 所示。 單側(cè)使用串列探頭， 即一前一后兩個K1 探頭， 并以相同方向放置在鋼管焊縫同一側(cè)表面， 探頭2 發(fā)射的聲波被缺陷反射， 反射的回波經(jīng)底面反射進(jìn)入探頭1。

圖4 串列式掃查檢測示意圖

在超聲波自動探傷過程中， 由于探頭與鋼管耦合不好、 探頭不完整等現(xiàn)象， 容易導(dǎo)致探傷失效。 為了防止串列式探傷失效， 在自動探傷系統(tǒng)上匹配有耦合監(jiān)視功能， 如圖5 所示。 鋼管焊縫兩側(cè)對稱布置串列探頭， 在沒有缺陷的情況下，探頭2 與探頭3 相互監(jiān)視， 探頭1 與探頭4 相互監(jiān)視[8-10]。

圖5 串列式掃查耦合監(jiān)視示意圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

4.1 對比樣管動態(tài)校驗(yàn)

鋼管擴(kuò)徑水壓后， 采用德國KD 公司ECHO1155 多通道超聲波自動探傷系統(tǒng)對鋼管進(jìn)行檢測， 該系統(tǒng)配備18 個探頭， 其中兩套L 縱向檢測系統(tǒng)（共4 個探頭） 主要檢測焊縫區(qū)和焊縫鄰近區(qū)域的內(nèi)部、 外部縱向缺陷和坡口面缺陷； 一套Q 橫向檢測系統(tǒng) （共2 個探頭） 檢測焊縫和鄰近區(qū)域橫向缺陷； 兩套D 分層檢測系統(tǒng) （共4 個探頭） 通過噴水耦合檢測焊縫兩側(cè)25 mm 的母材分層缺陷； 兩套L、 T 串聯(lián)檢測系統(tǒng)（共8 個探頭） 檢測焊縫中心部位缺陷。 探頭距離可根據(jù)壁厚和反射角調(diào)節(jié)， 圖6 所示為探頭固定導(dǎo)向系統(tǒng)。

圖6 探頭固定導(dǎo)向系統(tǒng)示意圖

按照CDP-S-NGP-PL-006—2019-4 規(guī)定加工的自動探傷對比樣管進(jìn)行了動態(tài)校驗(yàn)， 動態(tài)樣管校驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。 圖7 中， 1 區(qū)-L 為檢測焊縫及熱影響區(qū)域縱向反射波形圖和垂直坡口面平底孔反射波形圖； 2 區(qū)-Lm 為焊縫兩側(cè)25 mm 范圍內(nèi)母材分層檢測波形圖； 3區(qū)-T1 為檢測焊縫及熱影響區(qū)橫向反射波形圖； 4 區(qū)-LT 為串列式檢測焊縫中心處平底孔的反射圖形。

圖7 動態(tài)樣管校驗(yàn)圖

4.2 串列式探傷系統(tǒng)的應(yīng)用

對串列式自動探傷系統(tǒng)顯示的焊縫中心部位報(bào)警處的缺陷進(jìn)行手動超聲波探傷復(fù)驗(yàn)， 圖8 所示為焊縫中心部位手探超聲波波形。 對超聲波探傷超標(biāo)缺陷進(jìn)行金相試驗(yàn)驗(yàn)證， 結(jié)果與超聲波探傷結(jié)果一致， 均為焊縫中心部位未焊透缺陷， 缺陷形貌如圖9 所示。

圖8 焊縫中心部位手探超聲波波形圖

圖9 焊縫中心部位未焊透缺陷形貌

5 結(jié) 論

（1） 鋼管擴(kuò)徑水壓后， 采用德國KD 公司ECHO1155 多通道超聲波自動探傷系統(tǒng)對鋼管進(jìn)行檢測， 可滿足CDP-S-NGP-PL-006-2019-4《天然氣管道工程鋼管技術(shù)規(guī)格書》 標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2） 采用在鋼管上離焊趾部位20～40 mm處切割300 mm×300 mm 管體方孔， 在管體方孔靠近焊趾側(cè)截面按照標(biāo)準(zhǔn)位置深度制作平底孔，然后將300 mm×300 mm 管體方孔焊接封堵的方法， 可有效制作對比樣管。

（3） 對串列式自動探傷系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的焊縫中心部位報(bào)警處缺陷進(jìn)行手動超聲波探傷復(fù)驗(yàn)和金相試驗(yàn)， 結(jié)果均與串列式探傷結(jié)果一致。