油氣管道維修中搭接焊縫超聲B掃描檢測方法與設備

張雙楠，龐笑，楊宏宇，朱子東，羅旭

1.中國科學院金屬研究所，遼寧沈陽110016

2.沈陽龍昌管道檢測中心，遼寧沈陽110034

3.西南石油大學機電工程學院，四川成都610500

油氣管道維修中搭接焊縫超聲B掃描檢測方法與設備

張雙楠1，龐笑2，楊宏宇2，朱子東2，羅旭3

1.中國科學院金屬研究所，遼寧沈陽110016

2.沈陽龍昌管道檢測中心，遼寧沈陽110034

3.西南石油大學機電工程學院，四川成都610500

針對油氣管道破裂維修過程中形成的B型套筒搭接焊縫尚缺少有效的超聲無損檢測技術及設備的問題，文章提出了一種新的搭接焊縫超聲檢測方法，并開發了相應的超聲B掃描檢測系統，從檢測方法、檢測系統的組成和工作原理、檢測系統功能的驗證實驗等方面進行了論述。模擬實驗結果表明，該系統可有效檢測出試樣上的預埋缺陷，具有良好的探傷效果及應用前景。

油氣管道；搭接焊縫；超聲B掃描；掃查器；檢測方法；設備

0 引言

截至2010年底，我國已建油氣管道總長度達到約8.2萬km，其中包括天然氣管道、原油管道和成品油管道，預計2015年我國油氣管道總長度將超過11萬km。隨著管道運營時間的增加，管道逐年老化，部分進入了老年期的管道穿孔破裂泄漏事故增加，維修量增加。在各類維修方法中，B型套筒搭接焊（見圖1）因效果好、成本低而被列入管道維修標準中[1]。當采用B型套筒加護管道缺陷處時，會在套筒端部與管道壁間形成兩條搭接焊縫，這種搭接焊縫與常見的對接焊縫不同，是一種角接結構角焊縫，目前還缺少有效的探傷方法和標準。因此，開展針對該型焊縫的檢測方法及設備研究，對提高管道維修質量，保證油氣管道安全具有積極意義。

圖1 兩條搭接焊縫將套筒焊到輸油管道上

1 搭接焊縫超聲檢測方法

1.1 探頭選擇

如圖2所示，典型的管道搭接焊縫焊接缺陷形式主要有未熔合、未焊透、氣孔、夾渣和裂紋[2-3]。由于探傷檢驗時管內有原油、成品油或天然氣，綜合考慮搭接焊縫的幾何形狀，探傷檢驗的效果、效率及成本，可采用超聲波橫波45°角斜探頭對在役輸油氣鋼質管道搭接焊縫進行檢測。

圖2 搭接焊縫示意

1.2 坡口未熔合缺陷的檢測

如圖3（a）所示，當存在水平坡口未熔合（未熔合缺陷位于管體外表面）時，置于套管表面的超聲探頭發射出的超聲脈沖經未熔合缺陷反射到達焊縫表面，由焊縫表面再次反射后按原路徑返回，并被探頭接收。同樣，當存在垂直坡口為未熔合（未熔合缺陷位于套筒端面）時，其檢測方法如圖3（b）所示。因此，用兩個探頭分別布置在管道表面和套筒表面，并沿著環焊縫掃查，即可檢測出管道表面或套管端面存在的未熔合缺陷。

圖3 檢測坡口未熔合缺陷時超聲波傳播路徑

1.3 夾渣和氣孔等焊縫內部缺陷的檢測

如圖3所示，探頭1和探頭2發射的聲束都穿過焊縫區，并幾乎全部覆蓋焊縫區。如圖4所示，如果焊縫內有氣孔和夾渣等缺陷，入射聲束就會被焊縫內部缺陷反射，形成相應的缺陷回波，實現對焊縫內部缺陷的檢測。

圖4 檢測氣孔、夾渣缺陷時超聲波傳播的路徑

1.4 區分坡口未熔合與焊縫內部缺陷的方法

由于坡口未熔合缺陷的回波與夾渣、氣孔等內部焊接缺陷的回波在聲程上有差異，故可以根據信號聲程把未熔合與夾渣、氣孔等焊縫內部缺陷區分開。以壁厚為12 mm套筒與壁厚為8 mm管道焊接形成的搭接焊縫為例：對于探頭1（參看圖3）收到的回波，如果垂直聲程S1≤12 mm，則回波是來自焊縫內部的缺陷，實際檢測波形如圖5（a）所示（波形來自焊接試塊中位于焊縫中的橫孔）；如果12 mm≤S1≤18 mm，則回波是來自水平坡口未熔合缺陷，實際檢測波形如圖5（b）所示（波形來自焊接試塊中位于管體側焊縫中的平底孔）。對于探頭2（參看圖3）收到的回波，如果垂直聲程S2滿足16 mm≤S2≤28 mm，則回波來自焊縫內部的缺陷，實際檢測波形如圖5（c）所示（波形來自焊接試塊中位于焊縫中的橫孔）；如果22 mm≤S2≤28 mm，則回波來自垂直坡口未熔合缺陷，實際檢測波形如圖5（d）所示（波形來自焊接試塊中位于套筒側焊縫中的平底孔）。如上所述，當22 mm≤S2≤28 mm時，會有兩種可能，反射體可能是內部缺陷，也可能是未熔合。上述判斷規則可用圖6表示，藍色表示內部缺陷回波的聲程范圍，紅色表示未熔合缺陷回波的聲程范圍。

圖5 探頭檢測實際試塊的波形

圖6 坡口未熔合的回波聲程（用紅色表示）與焊縫內部缺陷的回波聲程（用藍色表示）

2 搭接焊縫超聲B掃描檢測系統的組成和工作原理

2.1 硬件的組成和功能

如圖7所示，搭接焊縫超聲檢測系統主要由三部分組成：

（1）主機。由工控機、超聲板卡（單通道）、編碼器數據采集卡組成。超聲板卡是集成式超聲卡，將脈沖發射、接收、高速模擬/數字轉換集成設計在一塊PCI主板上。編碼器數據采集卡采集編碼器輸出的脈沖個數，從而讀出并記錄掃查小車的位置。

（2）多通道轉換器。由多通道轉換卡、編碼器輸出信號控制卡、直流電源組成。多通道轉換卡是將一個通道的超聲波發射和接收分時切換為八個通道的超聲波發射和接收。單向運動觸發控制卡控制編碼器的觸發超聲波信號的輸出，使得編碼器向前移動時輸出觸發超聲波信號，向后移動時不觸發超聲波信號。

（3）掃查器。由掃查小車、編碼器、多個超聲斜探頭組成。掃查器上固定2個45°角的超聲斜探頭（兩個通道）和一個編碼器。編碼器用于產生代表小車當前位置的信號。

圖7 搭接焊縫超聲B掃描檢測系統的整體框圖

如圖8所示，掃查小車可以安裝6個探頭，增加探頭可以增加其他探傷功能，例如增加透射法探傷，串列探頭法探傷等。

圖8 掃查小車

2.2 軟件及檢測界面

檢測系統軟件采用Labview進行設計，軟件的功能包括掃查器數據讀取的控制、超聲板卡觸發控制和超聲信號采集控制、超聲成像和圖像處理、缺陷圖像分析等。檢測界面有三個，分別是A掃描檢測界面、B掃描檢測界面以及回放界面。

3 超聲B掃描檢測系統功能的驗證實驗

搭接焊縫B掃描超聲檢測系統功能驗證用樣管由一段長1 070 mm、壁厚8 mm、直徑500 mm的螺旋焊管與一段長400 mm、壁厚12 mm的套筒焊接制作而成。其中，未熔合人工缺陷制作方法為先在水平坡口和垂直坡口上用砂輪片開淺槽，再用小片薄鋼板點焊在坡口上，覆蓋住坡口上的淺槽，然后再進行正常搭接焊。用上述方法制作4個水平坡口未熔合缺陷和5個垂直坡口未熔合缺陷。樣管制成后進行射線檢測，發現的缺陷除制作的9個較長未熔合缺陷外，還有點狀夾渣。

用掃查車掃查兩條搭接焊縫，9個未熔合缺陷有8個顯示出較強的缺陷信號。有一個未熔合在B掃描回波圖上沒有回波信號，該未熔合位于垂直坡口，用傳統的手動掃查A掃描檢測該未熔合，也未發現明顯的回波信號。從X射線底片來看，該未熔合的影像黑度較低，由此可知該未熔合是一個很狹窄的長條，由于反射面積較小，未能產生較強的回波信號。除此之外，還發現B掃描圖上有2個很短的回波信號，其中一個在X射線底片上有黑色斑點，判斷是一個夾渣；另外一個超聲回波信號在X射線底片上未發現有對應的缺陷顯示。對上述結果進行統計，射線檢測發現的搭接焊縫焊接缺陷90%能通過超聲B掃描檢測發現。見圖9、圖10。

圖9 探頭1收到的水平坡口未熔合的回波信號回放界面

圖10 探頭2收到的夾渣的回波信號回放界面

4 結束語

為滿足B型套筒搭接焊縫焊接缺陷的檢測需求，根據長輸油氣管道搭接焊縫結構特點，本文提出了一種搭接焊縫的超聲檢測方法，并開發了相應的B掃描超聲檢測系統。實驗結果表明，該檢測方法不僅能可靠地檢測出搭接焊縫的各種焊接缺陷，而且能將坡口未熔合與其他焊接缺陷區分開，具有良好的檢測效果。因此，在此基礎上進一步開發便攜式現場用檢測系統，能夠實現對油氣長輸管道維修和改建過程中大量搭接焊縫的無損檢測，有助于避免由焊接缺陷引發的管道泄漏和破裂事故，具有良好的應用前景。

[1]Q/SY GD 0192-2009，油氣鋼制管道管體缺陷修復規范[S].

[2]鄒良鵬，王向陽.石油天然氣長輸管道薄壁管環焊縫超聲波探傷[J].化工建設工程，2003，25（6）：39-40.

[3]張鵬，段永紅.管道環形焊縫的安全性與可靠性[J].石油工業技術監督，1998，14（7）：51-53.

Ultrasonic B-scan NDT Inspection Method and Instrument for Lap Welds onRepaired OilorGas Pipeline

Zhang Shuangnan1，Pang Xiao2，Yang Hongyu2，ZhuZidong2，Luo Xu3
1.Institute of MetalResearch，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China
2.Shenyang Longchang Pipeline Survey Centerof PetroChina，Shenyang 110034，China
3.Schoolof Mechatronic Engineering of Southwest Petroleum University，Chengdu610500，China

In order to solve the problem that there are not effective NDT technique and instrument to detect the lap weld formed by using B type sleeve to repaired the long distance oil and gas pipeline，the method using multi probes is proposed，and B-scan ultrasonic inspection system is developed.The inspection method，system configuration，working principle and experimental verification of function are discussed in the paper.The simulation experiments show that the artificial defects made on the sample pipe can be detected effectively，the system has good inspectioncapability and applicationprospect.

oiland gas pipelines；lap weld；ultrasonic B-scan；scanner；inspectionmethod；equipment

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.03.009

張雙楠（1983-），男，遼寧沈陽人，工程師，2009年畢業于沈陽工業大學檢測技術與自動化裝置專業，碩士，現主要從事工業現場無損檢測及設備研發工作。

2014-08-21