長輸管道對接焊縫超聲波檢測缺陷判析

劉增 史海寧 吳恒威 崔亞強

摘要：本文著重論述了執行SY/T4109-2013《石油天然氣鋼質管道無損檢測》標準對長輸油氣管道對接焊縫進行超聲波檢測的實際應用，介紹了作者長期從事長輸油氣管道焊縫超聲波檢測的一些實踐經驗和技術見解，通過實踐應用，文中針對長輸油氣管道對接焊縫常見缺陷的產生原因、多發部位、波形的判斷分析和評判的注意事項進行了詳細論述。

關鍵詞：長輸管道；超聲波檢測；檢測技術；缺欠評定；應用

長輸管道是目前國內原油、成品油運輸的主要方式，一般以薄壁管采用下向焊的焊接方式焊接而成，超聲波檢測是其對接焊縫的主要檢測手段。受近場區、曲率半徑以及焊接方式和現場檢測條件的影響，檢測過程中缺陷的判斷和定性干擾因素較多，容易引起誤判，造成不必要的返修。筆者在檢測過程中積累了一些實際經驗，提高了長輸管道渡劫焊縫超聲波檢測的可靠性。現以日照-濮陽-洛陽原油管道工程（管徑762mm，管道壁厚11.9/12.7/15.9mm）的管道為例，對管道焊接中常見缺陷的判斷、定性和影響因素進行分析。

1.影響管道對接焊縫超聲波檢測的因素及解決方法

1.1 曲率半徑和散射作用的影響

由sinα/sinβ=c1/c2（c表示介質中超聲波聲速）可知，當聲束進入有機玻璃/鋼界面時會產生折射，隨著晶片尺寸的增大，折射角亦增大，折射角越大，散射現象越嚴重；同時由于管道曲率半徑的影響，為保證探頭與檢測面緊密接觸，選擇較小的晶片尺寸，一般控制在8mm。

1.2 近場區的影響

管道的管徑較薄為提高定位的準確性，應盡量在遠場條件下檢測。由近場長度N=D2/4λ可知，當頻率?一定時，D值越小，N值越小，可實現遠場檢測。

1.3 焊縫表面無法磨平的影響

檢測時，焊縫表面無法磨平，焊縫的根部檢測有一定影響，宜小前沿探頭，探頭角度應依據被檢管線壁厚，預期探測的缺陷種類選擇，盡量使直射波掃查到焊縫根部以上區域。

1.4檢測面粗糙度的影響

檢測面應清除焊縫飛濺、鐵屑、油污、以及其他表面雜質，探傷表面應平整光滑，便于探頭自由掃查，考慮到曲率半徑和表面粗糙度的影響，檢測時靈敏度補償4dB，檢測過程中每間隔4小時或檢測工作結束后應對時基掃描線比例和靈敏度進行校驗，調節探頭磨損后的參數變化。

2、檢測方法

執行SY4065-93《石油天然氣鋼質管道對接焊縫超聲波探傷及質量分級》行業標準，Ⅱ級合格。儀器選用CUD-2030型數字超聲波探傷儀。探頭選用5MHz8mm×8mmK2.5方晶斜探頭，前沿距離L均為5mm。為了接近現場檢測條件，選擇SGB-5型曲面試塊測定K值和入射點及組合性能。儀器按水平1：1調節。使用SGB-5型曲面試塊制作距離-波幅曲線。采用一次波法和一次反射法在焊縫的單面雙側進行檢測，掃查范圍為2KT+50mm。

聲路圖如下：

D406×6.4管道，厚度為6.4mm，焊縫寬度為10mm。采用一次波法檢測時，當探頭前端與焊縫余高相接觸無法向前推進時，主聲束自入射點A出發與焊縫中心線相交于c，距底面距離為χ，由[ 6.4K-（b/2+L）]/6.4K=χ/6.4 得 χ=2.4mm。探頭向后移動，用一次反射法檢測，可掃查到c點以上區域。

通過計算以上方法可以掃查到焊縫的整個截面。探頭在焊縫兩側正對焊縫做鋸齒狀掃查，相鄰兩次掃查至少有10%重疊，掃查速度小于150mm/s。為區分缺陷真偽或確定缺陷位置和方向，還可以采用前后、左右、轉角等多種掃查方式。

3、缺陷的判定

檢測時，用一次波法探測焊縫下部缺陷，用一次反射法探測焊縫中上部缺陷。掃查時，最高反射波的水平定位距離≥（6.4-2.4）K =10mm時方為缺陷波。現場檢測時，一般根據反射波的水平位置來判別缺陷。

反射波水平定位不到焊縫中心線，在靠近探頭一側的焊縫區或熱影響區，該反射波為缺陷波。

一側掃查，反射波水平定位在焊縫中心線上，且另一側水平定位也在焊縫中心線上，則該反射波為根部缺陷。

僅能從焊縫一側探測到，水平定位在焊縫中心線上，該反射波按錯邊論處。

反射波的水平位置出現在一、二次波的前面，偏離焊縫中心線，靠近焊縫邊沿，一般為咬邊的反射波。

以上是判定缺陷的方法，檢出缺陷后可根據反射波副度、游動范圍等，結合缺陷的位置和焊接工藝，對缺陷的性質進行綜合判斷。但是到目前為止，還沒有可靠的方法，只能進行估判。下面簡單介紹長輸管道對接焊縫常見缺陷的估判方法。

3.1 未焊透

未焊透是接頭根部母材未熔合在一起的缺陷，一般位于焊縫的中心線上，有一定的長度，垂直于內表面，形成端角反射，回波較強。探頭平移時，未焊透的波形較穩定，從焊縫兩側探測，均能得到大致相當的反射波幅，且沿焊縫方向有一定的移動范圍。為發現和比較根部未焊透深度，調試儀器時，在SRB試塊上測定人工矩形槽的反射波幅度，做為檢測未焊透缺陷的起始靈敏度。

3.2 未熔合

未熔合是焊道與母材之間或焊道與焊道之間，局部未熔化成一體的現象。管道焊接為下向多層焊接，使用纖維素下向焊條，采用V型坡口，未熔合多出現在坡口面和兩層焊道之間。坡口未熔合產生坡口側壁，有一定的角度，用二次波容易檢出，當聲束垂直入射到其表面時，回波高度大，探頭平移時，波形較穩定。兩側探測時，反射波幅不同，有時只能從一側探到。層間未熔合在各層焊道之間，延伸方向平行于焊道，聲束只能傾斜入射到其表面，產生折射，回波高度較小。在厚度方向一般產生在焊縫的中部，且寬度較大，探頭前后移動波形穩定。在焊縫兩側均能探測到，波形大致相當。根部未熔合，焊接中不容易出現，用一次波能夠檢測到，水平定位偏離焊縫中心，在靠近焊縫一側，反射波幅較高，探頭平移，波幅穩定。

3.3 氣孔

氣孔是焊縫中常見的缺陷，它是熔池結晶過程中未能逸出而殘留在焊縫金屬中的氣體形成的孔洞。超聲波檢測時，單個氣孔回波較低，波形穩定，從各個方向探測反射波高大致相同，但稍一移動探頭波形就會消失。密集氣孔的波形為一簇波高隨氣孔大小而不同的反射波，當探頭做定點移動時，會出現此起彼落的現象。

3.4 夾渣

夾渣是焊后殘留在焊縫金屬中的熔渣，長輸管道是多層焊接，容易因層間熔渣清理不夠徹底而產生夾渣。點狀夾渣的反射信號與點狀氣孔相似。條狀夾渣的反射波多呈鋸齒狀，因夾渣的表面是不規則的，反射率低，一般波幅不高，波形常呈樹枝狀，主峰邊上有小峰。探頭平移時，波幅有變動，從各個方向探測，反射波幅不相當。

3.5裂紋

長輸管道的材質含碳量低，淬硬傾向小，管壁薄且焊后能夠自由伸縮，正常施焊條件下不會出現裂紋。在這里不詳細分析，一般來說，裂紋的回波較高，波幅寬，會出現多峰。探頭平移時，反射波連續出現，波幅有變動；探頭轉動時，波峰有上下錯動的現象。

4、成形不良的檢測

焊接過程中，由于焊接規范不當或焊接操作不良，會造成焊縫成形不良的缺陷，管道焊接常見的成形不良有咬邊、錯口等缺陷。這些缺陷的反射波容易和未焊透、未熔合等缺陷相混淆，影響檢測的質量評定，造成不必要的返修。

咬邊是在母材金屬上沿焊趾產生的溝槽，其一定出現在焊縫區的兩側，由于采用下向焊接，咬邊一般有一定的長度。焊縫外表面的咬邊，用肉眼可直接觀察到，其反射波一定出現在二次波的前面，水平位置在焊縫的邊緣。如不能判定，可將探頭移到出現最高反射信號處固定探頭，適當降低儀器靈敏度。用手指沾油輕輕敲打焊縫邊緣咬邊處，觀察反射波是否有明顯的跳動現象。若反射波跳動，則證明是咬邊信號。焊縫內表面咬邊的反射信號，一定出現在一次波的前面，波幅較高，波形窄，探頭垂直焊縫向前稍一移動，反射波就會消失，探頭平移，波形有波動。測量水平距離，反射波的水平位置在焊縫的邊緣，靠近探頭一側。

由于現場施工條件和管材質量的限制，管道焊縫經常出現錯口現象。錯口使焊縫兩側母材偏離，可直接觀察到，一般不會對檢測結果造成影響。

5、應用

按此方法在中石化承建的日照-濮陽-洛陽原油管道工程中進行了大量的應用實踐，檢測長度達89多公里，共2600道焊口。在總公司的大檢查中，檢查人員用射線照相抽檢100道焊口，90%為Ⅰ級底片，其余為Ⅱ級底片。

參考文獻：

[1] SY/T-4109-2005 《石油天然氣鋼質管道無損檢測》

[2] JB/T4730-2005 《承壓設備無損檢測》

[3] 中國特種設備檢驗協會編寫 主編：強天棚 《射線檢測》 中國勞動社會保障出版社 2007年