天然氣管線對接焊縫相控陣在線檢測及合于使用評價

竺國榮 王 杜 錢盛杰 趙盈國

（寧波市特種設(shè)備檢驗研究院）

在石油化工行業(yè)中，壓力管道主要用于輸送工藝介質(zhì)，是工藝流程中關(guān)鍵的特種設(shè)備。 由于壓力管道具有連續(xù)運轉(zhuǎn)的特性，因此對安全性和可靠性的要求較高［1］。 寧波某公司ABS裝置壓力管道到期進行定期檢驗，在無損檢測和宏觀檢查過程中發(fā)現(xiàn)天然氣管線 （管道編號LNG-Y-0001-R2，管道級別GC2級）存在超標(biāo)缺陷，故需按照TSG D7005—2018 《壓力管道定期檢驗規(guī)則——工業(yè)管道》（以下簡稱《檢規(guī)》）第三章規(guī)定評定管道的安全狀況等級：

a. 安全狀況等級為1級、2級的，GC1、GC2級管道一般不超過6年檢驗一次，GC3級管道不超過9年檢驗一次；

b. 安全狀況等級為3級的，一般不超過3年檢驗一次，在使用期間，使用單位應(yīng)當(dāng)對管道采取有效的監(jiān)控措施；

c. 安全狀況等級為4級的， 使用單位應(yīng)當(dāng)對管道缺陷進行處理，否則不得繼續(xù)使用。

在檢驗過程中，射線檢測發(fā)現(xiàn)該天然氣管線某直管與彎管的對接焊縫處存在多處圓形缺陷。根據(jù)《檢規(guī)》要求，安全狀況等級定為4級，無法繼續(xù)使用。 考慮到該管道無法停機修理，為了保證管道的安全運行，企業(yè)提出對超標(biāo)缺陷的安全性進行合于使用評價。 而合于使用評價的前提是要獲得壓力管道的基本參數(shù)和缺陷尺寸、位置等信息。 為此，筆者采用相控陣技術(shù)對該管道缺陷進行精確定位和定量研究， 最后進行合于使用評價。

1 常規(guī)無損檢測

針對該管道，制定的檢驗方案是宏觀、測厚、表面和埋藏缺陷檢驗。 宏觀檢驗發(fā)現(xiàn)該管道的直管段與彎管存在一定錯邊，錯邊量2.5 mm，超過公稱厚度的25%。測厚檢測發(fā)現(xiàn)，該管道的壁厚范圍為6.8～6.9 mm。表面檢測采用磁粉檢測技術(shù)，未發(fā)現(xiàn)缺陷信號，說明缺陷不在焊縫表面，具有一定的埋藏深度。 埋藏缺陷檢測采用射線檢測方法，檢測出多處圓形缺陷，部分射線底片如圖1所示。 其中，A片為合格的底片圖像，B片、C片和D片均含有大量的圓形缺陷。 但常規(guī)射線檢測難以確定缺陷的深度、自身高度等信息。 相控陣技術(shù)可以通過聚焦法則的設(shè)置，實現(xiàn)聲束在焊縫中的高精度掃描， 從而可以更好地分辨出細小的缺陷。因此，筆者借助相控陣技術(shù)對上述缺陷進行精確測量。

圖1 射線底片

2 相控陣檢測

相控陣技術(shù)具有掃查范圍大、 分辨率高、缺陷表征優(yōu)及可跟蹤性強等特點［2］。 采用相控陣扇形掃查方法，一次波覆蓋焊縫的下部，二次波覆蓋焊縫的上部，并用編碼器記錄探頭移動的相位信息， 可以實現(xiàn)對該對接焊縫的超聲相控陣檢測，并檢測出與射線底片對應(yīng)的缺陷信號。 相控陣檢出的缺陷圖譜如圖2所示， 將存在的體積型缺陷的部分劃分為5個區(qū)域，圖中紅圈為1～5號區(qū)域的缺陷，藍圈為錯邊結(jié)構(gòu)回波信號。

圖2 相控陣檢出的缺陷圖譜

經(jīng)相控陣檢測可以看出，1號區(qū)域為單個氣孔， 直徑為0.9 mm；2號和3號區(qū)域為點狀密集氣孔， 單個氣孔的直徑在1.0～3.0 mm之間；4號區(qū)域為鏈狀密集氣孔， 單個氣孔的長度在1.0～3.0 mm之間；5號區(qū)域為點狀密集氣孔和鏈狀密集氣孔，單個氣孔的直徑在1.0～2.5 mm之間， 單個氣孔的長度在1.0～3.0 mm之間。 缺陷位置和尺寸信息詳見圖3和表1。

圖3 缺陷位置和尺寸信息

表1 缺陷位置和尺寸信息 mm

3 合于使用評價

合于使用評價是指對含有超標(biāo)缺陷的結(jié)構(gòu)或裝備能否繼續(xù)使用以及如何使用而進行的定量工程評價［3，4］。本次合于使用評價工作分為兩個步驟：

a. 按照《檢規(guī)》對超標(biāo)缺陷安全狀況等級進行評定，若評定缺陷安全狀況等級為2級或3級，則可以在不對缺陷處理的情況下繼續(xù)使用。

b. 若評定認為缺陷安全狀況等級為4級，則按照GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》 對安全狀況等級為4級的缺陷進一步評定。 對按照GB/T 19624—2019進行評定認為安全的缺陷， 可在不對缺陷處理的情況下繼續(xù)使用，否則管道停用或返修［5］。

3.1 《檢規(guī)》評定

該天然氣管線是經(jīng)過設(shè)計、審核、檢驗、檢測的，可以認為其滿足《檢規(guī)》第3.2.6.1款的6點要求，可以利用《檢規(guī)》對焊接缺陷進行安全狀況等級劃分。 本次檢驗中發(fā)現(xiàn)的焊接缺陷為圓形缺陷。根據(jù)《檢規(guī)》第3.2.6.2款規(guī)定，射線底片圓形缺陷率約為13.9%（大于5%）， 安全狀況等級定為4級。 此外，經(jīng)宏觀檢驗發(fā)現(xiàn)的錯邊量超過公稱厚度的25%，且該焊接接頭存在超標(biāo)缺陷，故安全狀況等級也可定為4級。

3.2 合于使用評價方法

根據(jù)《檢規(guī)》規(guī)定，當(dāng)管道不滿足《檢規(guī)》評級要求或利用《檢規(guī)》評級為4級的缺陷時，可采用GB/T 19624—2019 中的安全評定方法進行評估［6］。 一般認為將體積型缺陷按平面缺陷處理得到的評價結(jié)果更為安全。 該焊縫雖為彎頭焊縫，但位于直管段， 故采用GB/T 19624—2019附錄G《壓力管道直管段平面缺陷安全評定方法》 對該焊縫進行評估。

壓力管道直管段平面缺陷安全評定方法如下：

3.3 評定方法參數(shù)和基礎(chǔ)條件選取

對壓力管道直管段平面缺陷進行安全評定時需做以下工作：

a. 確定管道壁厚。 管道內(nèi)介質(zhì)為天然氣，可認為管道不發(fā)生腐蝕。 根據(jù)實際焊縫附近的實測壁厚對焊縫進行評價。 本次檢驗中LNG-Y-0001-R2 管道的W73 接頭附近的最小檢驗壁厚為6.8 mm，故評價用壁厚為6.8 mm。

b. 應(yīng)力分析。 確定管道承載情況，為缺陷評定做準(zhǔn)備；管道承載較為復(fù)雜，除了受內(nèi)壓載荷外，還有拉、彎、扭、熱應(yīng)力、位移載荷等多種形式的載荷。對LNG-Y-0001-R2管道進行應(yīng)力計算，發(fā)現(xiàn)W73焊口周邊的應(yīng)力滿足設(shè)計要求。 故參考管道設(shè)計規(guī)范條件，取管道許用應(yīng)力為［σ］。

c. 缺陷表征。 缺陷表征是缺陷評定的首要工作。 這是因為實際缺陷形狀是不規(guī)則的，需要進行規(guī)則化處理，使之成為便于進行力學(xué)分析的形狀和尺寸，缺陷評定中稱之為缺陷的表征。 本次檢驗中發(fā)現(xiàn)LNG-Y-0001-R2管道的W73接頭存在多個內(nèi)部缺陷，按GB/T 19624—2019進行缺陷規(guī)則化，再將公共面積進行合并。 因此，缺陷表征為缺陷自身高度4 mm、 缺陷長度為整圈的表面裂紋。

d. 明確材料性能。鋼管材料（鋼號SA-53B）的常溫強度指標(biāo)有σs=241 MPa，σb=414 MPa，［σ］=138 MPa。

e. 確定材料斷裂韌度。壓力管道的斷裂韌度是含缺陷管道安全評定的重要參數(shù)。 獲得斷裂韌度的最佳方法是試驗測定，但本次評估缺少該數(shù)據(jù)。 根據(jù)GB/T 19624—2019附錄G的規(guī)定，評定用材料斷裂韌度的下限值可取JIC=1.1KV2。在缺乏材料KV2值的情況下，對于無脆化傾向，使用溫度不低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度，取壓力管道材料容許的最低值KV2=27 J。 因此推薦管道材料斷裂韌度JIC=29.7 N/mm。

4 結(jié)束語

對在檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的一條含缺陷天然氣管線進行無損檢測和合于使用評價。 無損檢測后，經(jīng)《檢規(guī)》評定該管道的安全狀況等級為4級，不能繼續(xù)使用。 在不影響企業(yè)正常工作和保證管道安全運行的前提下，采用相控陣技術(shù)對缺陷進行精確定位和定量研究。 最后進行合于使用評價，結(jié)果為在下一返修周期（2年）內(nèi)，該壓力管道可以正常使用。 文章所述內(nèi)容，為含缺陷壓力管道的安全正常使用提供了一個典型案例。 采用合于使用評價方法對該類缺陷進行評價，對判別含缺陷壓力管道的安全性能具有重大意義。