油氣管道環(huán)焊縫自動超聲檢測與射線檢測方法對比

薛 巖，周廣言，李 佳，閆 臣

(中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，廊坊 065000)

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油氣管道環(huán)焊縫自動超聲檢測與射線檢測方法對比

薛 巖，周廣言，李 佳，閆 臣

(中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，廊坊 065000)

針對AUT(自動超聲檢測)與RT(射線檢測)檢測管道環(huán)焊縫結(jié)果不一致的問題，結(jié)合AUT與RT檢測原理，制作了校準試塊及含人工缺陷焊縫，制定了AUT與RT檢測管道焊縫試驗方案，根據(jù)試驗方案對人工缺陷焊縫進行了對比檢測，在此基礎(chǔ)上分析AUT與RT對管道環(huán)焊縫缺陷的檢出率。結(jié)果表明：AUT對全自動焊產(chǎn)生的未熔合缺陷具有很高的檢出率；RT檢測自動焊環(huán)焊縫坡口時，若射線方向與未熔合缺陷方向一致，則檢出率最高，但隨著射線方向與未熔合缺陷角度的增大，檢出率降低，容易漏檢。

管道環(huán)焊縫；AUT檢測；RT檢測；對比試驗

管道環(huán)焊縫檢測是管道焊接過程的重要環(huán)節(jié)，國內(nèi)“西三線”西段管道主要采用了全自動焊接，要求對焊接管道的環(huán)焊縫進行無損檢測，全部AUT(自動超聲)檢測結(jié)果中20%還要進行RT(射線檢測)復(fù)檢。由于AUT和RT是兩種具有不同檢測原理、不同評價體系的檢測方法，導(dǎo)致AUT檢測和RT復(fù)檢結(jié)果存在差異，因而有必要設(shè)計并制作全自動焊人工缺陷焊縫，并對其進行AUT與RT對比檢測。筆者制作了校準試塊及人工缺陷焊縫，制定了AUT與RT檢測試驗方案，根據(jù)試驗方案對人工缺陷焊縫進行了對比檢測，在此基礎(chǔ)上分析了AUT與RT對管道環(huán)焊縫缺陷的檢出率。

1 AUT與RT檢測原理

1.1 AUT檢測原理

AUT(Auto Ultrasonic Test)是一種基于脈沖反射法的超聲波檢測方法。其將焊縫沿厚度方向分成若干個分層(即分區(qū))，每個分區(qū)厚2～3 mm，每個分區(qū)用一對或兩對聚焦聲束檢測熔合線上的缺餡，體積型缺餡用非聚焦探頭檢測，檢測結(jié)果以帶狀圖形式顯示，掃描方式分為A 掃描-雙門帶狀圖、B 掃描、TOFD 掃描[1]。探頭沿著管道環(huán)向掃查一周，即可對整個焊縫厚度方向的分區(qū)進行全面檢測。檢測人員可以根據(jù)A掃描-雙門帶狀圖以及TOFD掃描圖像實現(xiàn)對缺陷的評判，而B掃描作為缺陷定性的一種輔助評判方式，檢測人員在掃查時就可以立即觀察到焊縫中的缺陷，并將檢測結(jié)果及時反饋給技術(shù)人員。AUT檢測是通過超聲波在工件中傳輸時，缺陷對聲波的反射或衍射來生成缺陷圖像的，可以實現(xiàn)缺陷自身高度和長度的測量[2-4]，其檢測原理如圖1所示。

圖1 AUT檢測原理示意

1.2 RT檢測原理 RT檢測是利用射線在穿透物體的過程中會發(fā)生衰減，而物體無缺陷部位和有缺陷部位衰減系數(shù)不同，造成透過缺陷處的射線強度與缺陷周圍的射線強度產(chǎn)生差異。射線穿透工件后在膠片上形成有黑度差的潛影影像，膠片經(jīng)過沖洗，潛影變成可見投影影像。檢測人員通過人眼觀察底片圖像中的黑度差來分辨缺欠大小、形狀和位置，從而實現(xiàn)對缺陷的測量和評判。即，評片人員根據(jù)不同黑度的影像判斷缺陷性質(zhì)和測量缺陷尺寸[5]。因為RT檢測出的圖像是焊縫和缺陷的平面投影，所以無法反應(yīng)出缺陷的自身高度，只能得到缺陷長度，通過測量缺陷長度來對缺陷進行評判，因此無論缺陷自身高度是多少，RT檢測均按照長度一個標準來衡量。RT采用絕對檢測靈敏度評判氣孔、夾渣等體積型缺陷以及平面平行于射線方向的缺陷的檢出率，其檢測原理如圖2所示。

射線檢測時，在不同部位的射線穿透角度會因坡口角度而改變，側(cè)壁未熔合是自動焊環(huán)焊縫最易產(chǎn)生的缺陷，是一種類似裂紋樣的面積型缺欠，射線從不同方向穿過的行程不一樣，射線透照的影像存在密度差，其根本原因是對比度，而對比度正比于透照厚度差。RT檢測CRC坡口原理如圖3所示，射線從不同方向穿過的行程不一樣，當射線方向與未熔合缺陷方向一致時(見圖3中①和③)，對比度最大，檢出率最高。當射線方向與未熔合缺陷角度大于15°時，隨著角度的增大，對比度顯著降低，檢出率也降低，易漏檢(見圖3中②和④)。

圖2 射線檢測原理示意

圖3 射線檢測CRC坡口原理示意

2 AUT與RT對比檢測試驗方案

2.1 AUT檢測系統(tǒng)與RT檢測系統(tǒng) 試驗采用PIPEWIZARD檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要依靠兩個相控陣探頭(PA探頭)發(fā)射脈沖回波進行分區(qū)檢測，并附加TOFD探頭補充檢測，并對缺陷進行測深測高；其中PA探頭為兩個7.5 MHz,60個晶片的線性探頭，兩個TOFD探頭頻率為10 MHz[6]。

RT檢測系統(tǒng)為依科視朗X射線探傷機，高壓290 kV，曝光時間60 s。

2.2 校準試塊的制作

根據(jù)SYT 4112-2007《石油天然氣鋼質(zhì)管道對接環(huán)焊縫全自動超聲波檢測試塊》標準設(shè)計并加工校準試塊，用于制作試塊的材料應(yīng)與被檢工件的管徑、壁厚、材料相同，聲學(xué)性能相似，試塊本體材料應(yīng)在被檢測的鋼管上截取。

2.3 人工缺陷環(huán)焊縫的設(shè)計與制作

試管材料為X80鋼，直徑1 219 mm，壁厚18.4 mm，坡口尺寸如圖4所示。參照DNV標準《鋼質(zhì)油氣管焊縫全自動超聲檢測工藝評定與認證方法》，在坡口的不同分區(qū)共設(shè)計并制作了117個高度不同的模擬人工缺陷，缺陷位置及類型分布如表1所示，人工缺陷焊縫如圖5所示。缺陷覆蓋所有分區(qū)，缺陷類型主要為坡口未熔合，缺陷之間距離約200 mm，進行焊縫試驗的鋼管應(yīng)該足夠長，允許從焊縫的一側(cè)進行掃描，并且在焊縫兩側(cè)距離焊縫中心不小于40 mm處畫有參考線。

圖4 18.4 mm壁厚坡口尺寸示意

圖5 人工缺陷焊縫外觀

缺陷位置及類型缺陷個數(shù)缺陷位置及類型缺陷個數(shù)根部22蓋面14鈍邊15夾銅2熱焊17層間未熔合2填充43氣孔2

2.4 檢測過程 AUT對人工缺陷焊縫整個檢測過程為：① 設(shè)置待檢坡口及超聲參數(shù)，并進行聚焦方案計算；② 將掃查器固定在試塊上進行校入校準，在校正界面調(diào)整參數(shù)，直到校準圖合格；③ 將掃查器固定到人工缺陷焊縫檢測；④ 人工缺陷焊縫檢測完成后，將掃查器固定在試塊上，進行試塊校出校準；⑤ 評價檢測數(shù)據(jù)有效性，若校出校準數(shù)據(jù)無效，則需重新進行校入校準以及人工焊縫檢測，直到校出校準數(shù)據(jù)合格；⑥ 評估數(shù)據(jù)，標記缺陷，存儲數(shù)據(jù)，打印結(jié)果。

RT對人工缺陷焊縫進行檢測過程為：① 射線檢測前準備工作，準備膠片、像質(zhì)計、增感屏及人工缺陷焊縫編號，計算曝光時間；② 進行射線防護，選擇曝光參數(shù)，按RT程序進行拍片；③ 暗室處理，對膠片進行沖洗，干燥；④ 評片，記錄整理，出具檢測報告。

2.5 檢測結(jié)果

人工缺陷類型及AUT與RT對比檢測結(jié)果如表2所示。

圖6 AUT檢測結(jié)果

圖7 射線檢測結(jié)果

由表2可以看出，AUT檢測方法能檢測出所有缺陷，并能夠給出缺陷位置、高度、深度等信息。而RT檢測方法檢出115個缺陷，漏檢2個缺陷，分別是熱焊區(qū)未熔合及層間未熔合缺陷，漏檢的原因是射線方向與缺陷方向角度比較大，產(chǎn)生的垂直于壁厚方向上的高度差小，射線檢測時對比度低。對系統(tǒng)檢出率的分析主要是為了確定系統(tǒng)能夠檢測到最小缺陷，一般認為是在95%可信度的情況下對某一高度缺陷的檢出率。對于管道環(huán)焊縫缺陷，AUT檢測方法的檢出率明顯高于射線檢測[7]。AUT 掃查圖與射線拍片結(jié)果如圖6，7所示，AUT檢測圖像顯示出一條人工缺陷焊縫上的全部缺陷，RT結(jié)果顯示的是其中一個缺陷檢測圖像。

3 AUT與RT評判標準差異

按照GB 50369-2014《油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范》標準第10.3.2條要求(強制條款)“無損檢測應(yīng)符合國家現(xiàn)行標準GB/T 50818《石油天然氣管道工程全自動超聲波檢測技術(shù)規(guī)范》和SY/T 4109《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測》的規(guī)定，射線及超聲波檢測合格等級Ⅱ級”，AUT檢測應(yīng)執(zhí)行GB/T 50818標準，RT復(fù)驗應(yīng)執(zhí)行SY/T 4109標準。兩個標準的評判標準對比詳見表3。

表3 AUT與RT檢測標準的評判準則對比

對比兩個標準，僅從自動焊管道環(huán)焊縫易出現(xiàn)的未熔合缺陷單個長度上來看，AUT允許未熔合長度是不大于25 mm，且對缺陷高度有具體的限定；RT允許未熔合長度是不大于12.5 mm(層間未熔合)或不大于10 mm(根部未熔合)。因驗收標準中尺寸要求不同，AUT缺陷判定時有高度要求，及兩種檢測方式存在理論差異，一定會造成兩種檢測方式的結(jié)果不同。如果采用一種檢測方法對另一種方法進行復(fù)檢，并對驗收結(jié)果進行簡單的對比，是缺少科學(xué)依據(jù)的。

相關(guān)驗收標準規(guī)定了檢測靈敏度，檢測靈敏度決定發(fā)現(xiàn)最小缺欠的閾值。AUT檢測方法可以檢測到自身高度小的缺陷，而標準規(guī)定其不需要檢測此類缺陷。在射線檢測方法里，由于對缺欠自身高度無法測量，致使所有達到檢測靈敏度的缺欠都被列為評定范圍，從而無形之中RT比AUT擴大了評定范圍。與現(xiàn)有AUT評判標準相比，相當于評定線降低。因為AUT能精確測量缺欠自身高度，自身高度小的未熔合缺欠能被AUT檢出，但不判廢，而被射線檢出并判廢的結(jié)果。

4 結(jié)語

通過AUT和RT原理的對比，AUT相對于RT對全自動焊未熔合缺陷具有更高的檢出能力。檢測人員可及時根據(jù)AUT檢測結(jié)果優(yōu)化自動焊工藝，調(diào)整焊接參數(shù)，避免相同位置連續(xù)出現(xiàn)相同的缺陷。國際上的幾大石油公司，全自動焊接后均只采用AUT檢測方法。嚴格按照AUT工藝進行檢測，是能夠保證焊縫質(zhì)量的，而沒必要用射線復(fù)檢。

[1] 慶紅若，徐進.Pipe WIZARD相控陣超聲波檢測缺陷評定技巧[J].石油工程建設(shè)， 2010,36(4):63-65.

[2] 李衍.超聲衍射傳播時間法與射線照相法對缺陷檢出能力的比較[J].無損檢測，2004,26(10):509-513.

[3] 肖武華，孔令昌.相控陣檢測技術(shù)在缺陷定位、定性、定量準確性的探討[J].河南科技,2013(14) :32-33.

[4] 慶紅若，徐進.Pipe WIZARD 相控陣全自動超聲波檢測缺陷評定[J].無損探傷，2010,34(3)：63-65.

[5] 周正干, 騰升華 ,江巍,等.焊縫X射線檢測及其結(jié)果的評判方法綜述[J].焊接學(xué)報,2002,23(3):85-88.

[6] 孫曉明,吳員, 尤衛(wèi)宏,等. 基于Pipe WIZARD V2的AUT系統(tǒng)缺陷檢出能力[J].無損檢測,2014，36(7):79-80.

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Contrast of AUT/RT Detection Method on Oil and Gas Pipeline Girth Weld

XUE Yan, ZHOU Guang-yan, LI Jia, YAN Chen

(China Petroleum Pipeline Research Institute, Langfang 065000, China)

Aiming to inquire into the issue of different results by AUT/RT testing for circumferential welding, a testing plan for AUT/RT was proposed by designing and manufacturing the calibration block with artificial defects of weld and by the combination of AUT/RT detection principle. The AUT/RT testing on artificial defects of weld was carried out according to the testing scheme and the detection rate of AUT/RT for circumferential welding was analyzed based on the test result. The test results showed that the AUT has very high detection ability for the incomplete fusion flaw by automatic welding, and for RT test for automatic welding bevels, the detection rate is highest when the X-ray direction is consistent with the incomplete fusion. The detection rate is reduced with angle increased and the detection will be prone to undetected error.

Pipeline girth weld; AUT testing; RT testing; Comparative test

2016-06-22

薛 巖(1982-)，女，碩士，工程師，主要從事無損檢測方面的科技研發(fā)和技術(shù)服務(wù)工作。

薛 巖,E-mail: cppxueyan@126.com。

10.11973/wsjc201611010

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0045-04