長輸管道PAUT檢測與RT檢測效果對比實證研究

谷青悅 劉純婧 林智敏

1. 北京斯派克工程項目管理有限責任公司, 北京 100083; 2. 中國石油第七建設有限責任公司, 山東 青島 266000; 3. 莆田學院土木工程學院, 福建 莆田 351100

0 前言

近幾年，中國長輸管道事故頻發,在投入運行很短的時間里就出現了水工保護損壞、防腐層出現漏點等現象,因此,如何從施工源頭治理質量隱患至關重要。

2017年某天然氣管道發生泄漏事故，造成天然氣放空270×104m3,經濟損失約721萬元。經調查天然氣泄漏的環焊縫6點鐘位置出現貫穿性裂紋,裂紋長度118 mm[2]；在焊縫內表面沿著熔合線開裂,外表面裂紋位于焊縫中心,長度43 mm。外觀檢測結果顯示，事故管段壁厚、管徑尺寸與公稱尺寸一致,說明開裂管段沒有受到外來載荷作用,且環焊縫開裂前沒有產生明顯的變形。裂紋檢測分析表明,根焊處存在未融合[3],6點鐘位置焊道內部存在原始裂紋,分析應為焊接過程中產生的熱裂紋。管道在服役過程中,裂紋從根焊未融合處開裂,由內壁向外壁擴展,與內部原始裂紋貫通,在內應力作用下擴展到外壁,最終導致環焊縫開裂失效[4]。

長輸管道焊接質量以及檢測方式直接影響管道運行安全[5],本文依據現行標準對PAUT檢測、RT檢測的優缺點和評判原則進行對比,采取案例研究的形式以某長輸管道項目作為研究樣本,分析PAUT檢測和RT檢測檢出缺陷對比、力學性能對比,得出實證研究結論。

1 檢測方式的原理及特點

1.1 RT檢測原理及特點

RT檢測是材料中如果存在缺陷會影響射線的吸收,透過射線強度發生變化后使用底片測量變化情況。被檢工件中存在缺陷部位的射線強度與無缺陷部位的射線強度不同,曝光后底片黑度不同,經過顯影、定影、水洗、干燥后可在觀片燈上通過底片圖像確定缺陷的種類、位置及大小[6]，見圖1。

圖1 RT檢測方式原理

根據RT檢測原理及實際檢測過程發現RT檢測存在如下特點[7]:

1)RT是利用X射線穿透被檢焊縫時強度衰減的不同來檢測焊縫中缺陷。

2)缺陷自身高度、缺陷方向與X射線投射方向的關系均會影響RT檢出率,當射線方向與未熔合角度大于15°時,對比度降低,檢出率降低,易漏檢。

3)當射線方向與未熔合缺陷方向一致時，對比度最大,檢出率最高，見圖2中①和③。

4)當射線方向與未熔合缺陷方向差別較大時,對比度小,易漏檢，見圖2中②和④。

圖2 RT檢測效果與缺陷方向關系

1.2 PAUT檢測原理及特點

全自動相控陣超聲波檢測系統(PAUT),采用分區掃查模式,通過控制晶片的激發時間,形成不同角度的波束,實現對各自分區的單獨掃查,從而實現整個焊縫的整體掃查[8]，見圖3。

圖3 PAUT分區掃查

PAUT檢測有如下特點[9]:PAUT檢測將焊縫在垂直方向上分成若干個分區,每個分區采用不同的聚焦方案進行檢測,輔以體積通道和TOFD通道,實現整個焊縫的全覆蓋。PAUT檢測不僅能夠測量缺陷的長度,還能測量缺陷的高度[10]。

1.3 RT檢測與PAUT檢測技術和評判原則對比

RT檢測的檢測體積型缺陷能力很強[11],檢測面積型缺陷能力較弱;PAUT檢測偶爾會出現缺陷漏檢焊縫內部較小的體積型缺欠[12]。

PAUT檢測和RT檢測在管道環焊縫檢測上是互補的無損檢測方法:

RT檢測能很好地檢測體積型缺欠，很難檢測間距近的平面缺欠[13]。

PAUT檢測能很好地檢測面積型缺欠，有缺陷高度定量能力，TOFD和體積通道有效解決了難以掃查體積型缺欠的不足。設置得當的PAUT檢測可對管道環焊縫進行最敏感、最完整和最快速的檢測[14]。

除在檢測技術方面存在差異外,RT檢測及PAUT檢測評判原則也存在差異。目前自動焊口評判執行GB/T 50818-2013《石油天然氣管道工程全自動超聲波檢測技術規范》(以下簡稱GB/T 50818-2013)和SY/T 4109-2013《石油天然氣鋼質管道無損檢測》(以下簡稱SY/T 4109-2013)復驗工藝[15],兩者主要差異見表1。

表1 評判原則對比

缺陷類型GB/T 50818-2013SY/T 4109-2013表面未熔合不允許不允許埋藏未熔合1)當分區髙度小于或等于2.5 mm時,缺欠自身高度大于2.5 mm,當分區高度大于2.5 mm時,缺欠自身高度大于分區高度,不合格;2)單個缺欠長度超過25 mm或在任何連續300 mm的焊接接頭長度中,缺欠顯示累計長度超過50 mm,不合格;3)內部線型缺欠的累計長度超過焊縫長度的8 ,不合格單個缺欠長度≤12.5,合格任何連續300 mm的焊縫長度內,其累計長度不應超過25 mm,合格單個氣孔1)單個體積型相關顯示的最大尺寸大于6 mm或超過較薄側母材厚度的1/3,不合格;2)單個根部體積型開口相關顯示的最大尺寸大于6 mm,在任何連續300 mm的焊接接頭長度中,其累計長度大于13 mm,不合格密集氣孔密集體積型相關顯示區的最大尺寸大于13 mm不合格母材厚度>15～25 mm氣孔數量≤9個點,合格母材厚度>25～50 mm氣孔數量≤12個點,合格裂紋不允許不允許

2 PAUT檢測與RT檢測實例效果對比

2.1 PAUT檢測與RT檢測檢出缺陷對比分析

表2PAUT檢測與RT檢測對比

序號檢測單位PAUT檢測焊口/道RT檢測焊口/道PAUT檢測與RT檢測不一致焊口/道PAUT檢測與RT檢測不一致焊口所占比例/()1A7 7552 39133113.842B7 0792 1892019.183C3 4101 07412111.274D7 7592 5731756.805E8 9052 2851295.656F5 8311 321292.20合計40 73911 8339868.33

表3PAUT檢測與RT檢測評定對比

序號檢測單位PAUT檢測、RT檢測焊口/道PAUT檢測與RT檢測不一致焊口總數量/道RT檢測評為缺陷PAUT檢測評為合格PAUT檢測評為缺陷RT檢測評為合格數量/道所占比例/()數量/道所占比例/()1A2 39133125075.58124.52B2 18920112863.77336.33C1 0741219477.72722.34D2 5731759353.18246.95E2 2851298062.04938.06F1 321291758.61241.4合計11 83398666267.132432.9

表4PAUT檢測和RT檢測缺陷對比

序號檢測單位PAUT檢測、RT檢測焊口/道RT檢測評為缺陷而PAUT檢測評為合格總數量/道未熔合氣孔數量/道所占比例/()數量/道所占比例/()1A2 39125016164.408935.602B2 1891288163.284736.723C1 074945861.703638.304D2 573935154.844245.165E2 285803138.754961.256F1 32117847.06952.94合計11 83366239058.927241.1

表5PAUT檢測及RT檢測檢出對比

序號檢測單位PAUT檢測、RT檢測焊口/道PAUT檢測評為缺陷而RT檢測評為合格焊口總數量/道RT檢出RT未檢出數量/道所占比例/()數量/道所占比例/()1A2 391815871.602328.402B2 189732635.624764.383C1 074271140.741659.264D2 573823340.244959.765E2 285491326.533673.476F1 32112758.33541.67合計11 83332414845.717654.3

由表5可知，RT檢測評為不合格的缺陷,在PAUT檢測中均有顯示,但由于驗收標準差異,導致兩者評判結果不同；PAUT檢測評判為不合格的未熔合缺陷在RT檢測中存在漏檢；PAUT檢測發現的缺陷總體大于RT檢測的缺陷。

2.2 焊接工藝力學性能分析

某長輸管道項目1機組在百口磨合階段存在6道RT檢測不合格而PAUT檢測合格的焊口(包括1道氣孔點數超標和5道未熔合長度超標),為進一步分析RT檢測不合格、PAUT檢測判定合格的缺欠是否影響焊縫質量,從中選擇RT檢測未熔合長度最長的焊口進行試驗。該焊口RT檢測未熔合長度超標,判定為Ⅳ級;PAUT檢測數據中A掃波幅有顯示但未達到評定閘門[19],缺陷為填充6的缺陷,TOFD中的盲區位置,B掃通道(V3 U)有明顯顯示,但不超標,PAUT檢測判定為合格。

不含缺陷與含缺陷的環焊接頭橫向拉伸性能試驗情況,見表6～7。

表6 (不含缺陷)環焊接頭橫向拉伸性能

試樣編號試樣規格/mm2取樣方向抗拉強度?Rm㊣/MPa斷裂位置063#焊縫-T121.4×25橫向743母材063#焊縫-T221.4×25橫向734母材 注:Q/SYGD 0503.12-2016要求:試塊的測試抗拉強度≥母材規定的最小抗拉強度。

表7 (含缺陷)環焊接頭橫向拉伸性能

試樣編號試樣規格/mm2取樣方向抗拉強度?Rm㊣/MPa斷裂位置063#焊縫-T121.4×25橫向756母材 注:Q/SYGD 0503.12-2016要求:試塊的測試抗拉強度≥母材規定的最小抗拉強度。

由表6～7可知，試驗結果表明含有該種特征缺陷對環焊縫的拉伸性能沒有明顯影響。

環焊接頭低溫夏比沖擊韌性試驗結果見表8。

表8 環焊接頭低溫夏比沖擊韌性試驗結果

試樣編號試樣規格/mm3缺口位置試驗溫度/℃吸收能量平均值1～310×10×55焊縫中心01634～610×10×55焊縫中心-201727～910×10×55焊縫中心-3015610～1210×10×55焊縫中心-4517213～1510×10×55焊縫中心-609716～1810×10×55熔合線0215.519～2110×10×55熔合線-20205.522～2410×10×55熔合線-3016325～2710×10×55熔合線-4521728～3010×10×55熔合線-60162.5 注:標準要求值:夏比沖擊吸收功均值應不小于50 J,單值不小于38 J。

通過焊接工藝力學性能分析可以得出如下結論:

1)不含缺陷環焊接頭力學性能試驗結果符合相關要求。

2)環焊接頭的力學性能試驗結果與工程開工前的焊接工藝評定的試驗結果相符。

3)含缺陷環焊接頭橫向拉伸試驗結果符合相關要求。

4)含缺陷焊縫側彎試驗結果符合相關要求,且彎曲過程中缺陷未發生擴展。

5)根據切片的試驗結果,未熔合的自身高度及深度與PAUT檢測結果一致。

6)PAUT檢測缺陷不超標時,自動焊口力學性能優于返修口力學性能。

2.3 雙百雙評試驗分析

試驗1機組:

表9 試驗1機組RT檢測和PAUT檢測評定情況

缺陷類型RT檢測評為缺陷而PAUT檢測評為合格焊口PAUT檢測有缺欠顯示PAUT檢測無缺欠顯示表面未熔合00埋藏未熔合00單個氣孔00密集氣孔60

試驗2機組:

表10 試驗2機組RT檢測和PAUT檢測評定情況

缺陷類型RT檢測評為缺陷而PAUT檢測評為合格焊口PAUT檢測有缺欠顯示PAUT檢測無缺欠顯示表面未熔合00埋藏未熔合00單個氣孔00密集氣孔20

試驗3機組:

表11 試驗3機組RT檢測和PAUT檢測評定情況

缺陷類型RT檢測評為缺陷而PAUT檢測評為合格焊口PAUT檢測有缺欠顯示PAUT檢測無缺欠顯示表面未熔合00埋藏未熔合10單個氣孔00密集氣孔00

經過雙百雙評試驗,發現PAUT檢測和RT檢測可以實現互補,如現場執行可以大幅提高檢出效率。

3 結論

焊接質量把控是長輸管道安全運行的重要保障,本文從PAUT檢測、RT檢測原理出發,經過某長輸管道項目檢測的實施情況對PAUT檢測及RT檢測的檢出效果進行統計對比,并使用焊接工藝力學性能分析和雙百雙評試驗對PAUT檢測和RT檢測的效果進行驗證。通過以上分析得出如下建議:

1)缺陷評判標準需要進行明確統一,GB/T 50818-2013的7.2.1條款規定:“超過評定閘門的信號均應進行評定。低于評定閘門的信號,當判定為危害性缺欠時也應進行評定。”條文解釋中對“危害性缺欠”的定義為“裂紋、有一定自身高度的缺欠和有較大尺度的未熔合”。未對“有一定自身高度的缺欠和有較大尺度的未熔合”進一步定量表述,由于規范表述模糊(如“有一定高度”、“較大”等),執行時有較大主觀性。

2)加強人員素質提升是確保PAUT檢測質量的重要因素,由于PAUT檢測受現場環境及人員影響較大,且成像方式、技術要求、檢測標準都存在差異。目前技術人員對PAUT檢測設備的操控還不夠熟練,在設備標定、圖像評判方面還存在不足,缺欠長度測量尤其是不連續缺欠測量時,容易產生主觀測量誤差。

3)經過雙百雙評試驗發現,PAUT檢測和RT檢測可以實現互補，但現場實際執行時存在大量的不一致情況,因此需要加強人員責任心,做好檢出對比,避免漏檢現象出現。