中俄東線管道的無損檢測方法及應用

蔣慶梅，張小強，周廣言2，余志峰

(1.中國石油天然氣管道工程有限公司，廊坊 065000；2.中國石油天然氣管道科學研究院有限公司，廊坊 065000)

中俄東線天然氣管道工程黑河-長嶺段包括：黑河-長嶺段干線管道(含黑河首站、長嶺分輸站)、長嶺-長春支線、明水-哈爾濱支線、大慶-哈爾濱支線(大慶-雙合)。干線線路全長約715 km，管徑為1 422 mm，材料為X80M鋼，設計壓力為12 MPa，設計運輸量為3.8×1010m3·a-1，管道經過松嫩平原中東部及西南部，地貌以平原為主，五大連池以北有局部丘陵、緩丘。考慮到干線管道管徑大，沿線地形相對平坦，主線路焊接以全自動焊接方式為主[1]。

現行標準GB 50251—2015 《輸氣管道工程設計規范》和GB 50369—2014 《油氣長輸管道工程施工及驗收規范》規定，管道采用全自動焊時，宜采用全自動超聲波檢測(AUT，Automated Ultrasonic Testing)，檢測比例應為100%，并應進行射線檢測(RT，Radiographic Testing)復檢，但沒有明確射線復檢的比例要求，需要設計人員進一步確定。此外，中俄東線黑河-長嶺段連頭和返修焊縫需要進行100%射線檢測和100%手動超聲(UT，Ultrasonic Testing)檢測，但是手動超聲檢測速度慢、精度低、無法進行數字化存儲[2]，因此有必要研究新的可替代的檢測方式。同時，隨著焊接流水化作業的要求，對于不等壁厚對接環焊縫，采用全自動焊接成為可能，能否采用AUT以及若不能實現AUT，有沒有可替代的、高效的檢測方法也需要研究。

針對上述問題，結合中俄東線黑河-長嶺段干線管道的實際情況進行研究和分析，以期推薦出適合于工程的合理檢測方法及驗收準則。

1 一般段環焊縫的無損檢測

對于采用全自動焊焊接的一般線路段環焊縫，按照現行標準規范的要求，需要進行射線復檢，但復檢比例在標準中未明確，為此，對比分析了國內外標準及典型工程做法，最終給出了建議。

1.1 國內外標準要求

1.1.1 環焊縫檢測方法及比例

為了掌握國內外標準規范對不同方法焊接的環焊縫的無損檢測要求，收集了中國、俄羅斯、美國、加拿大、歐洲(英國)、澳大利亞和國際標準等共計31項，對各個標準的要求進行了對比分析，找出異同點，為合理確定中俄東線天然氣管道工程無損檢測方法及驗收準則提供借鑒。

通過對比分析各個國家的標準，發現對于采用全自動焊焊接的一般段環焊縫，中國標準GB 50369-2014要求宜進行100%AUT，并應進行RT復檢，RT復檢僅對AUT工藝的執行情況進行了判定，焊縫是否合格需按照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》的要求進行判定。俄羅斯標準規定可以采用100%AUT，并經協議批準后，可略去后續的RT復檢。美國、加拿大、歐洲(英國)、澳大利亞和ISO國際標準均沒有專門針對自動焊環焊縫檢測方法的規定。

綜合來看，對于全自動焊環焊縫的無損檢測方法和比例，中國標準要求是最嚴格的。

1.1.2 環焊縫檢測驗收標準

中國標準規定RT驗收[3]執行SY/T 4109-2013《石油天然氣鋼質管道無損檢測》，該標準基于美國API 1104-2008《管道和相關設施的焊接》編制而成，AUT驗收標準執行GB/T 50818-2013，該標準基于現場調研、ASTM E1961《通過使用帶聚焦式探測裝置的帶狀鑒別法對環形焊縫進行機械化超聲波檢查的標準操作規程》和NB/T 47013.10-2010《承壓設備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測》編制而成。由于AUT對線型缺陷，尤其是未熔合比較敏感，而RT則對體積型缺陷敏感，這兩個標準除了均不允許存在裂紋和外表面未熔合之外，其余缺陷的驗收指標差別很大，具體詳見表1。

表1 國內AUT與RT驗收標準部分關鍵指標對比

俄羅斯無損檢測驗收執行俄羅斯國家標準СП 86.13330-2014《干線管道施工和驗收規程》和俄羅斯天然氣工業公司企業標準СТО Газпром 2-2.4-083-2006《工藝和干線輸氣管道施工和維修條件下無損檢測方法 檢查焊縫質量的規程》，這兩個標準對于驗收指標的規定相同，并且從СТО Газпром 2-2.4-083-2006可以看出，RT與AUT的驗收指標要求一致。СТО Газпром 2-2.4-083-2006針對天然氣管道環焊縫給出了A、B、C 3個質量等級，每個質量等級對應的缺陷允許尺寸不同，其中A級為最嚴格級別，B級次之，C級最次。B級管道環焊縫質量驗收級別選用A級，C、H級管道環焊縫質量驗收級別選用B級。該標準規定的驗收關鍵指標如表2所示(表中，d為缺陷的直徑，mm；h為缺陷自身高度，mm；l為缺陷的長度，mm；t為缺陷的寬度，mm；l1為焊縫縱向上的缺陷長度，mm；lt為焊縫橫向上的缺陷長度，mm；S為鋼管壁厚，mm；∑Д為焊縫縱向上的各缺陷(所有缺陷)可允許的總長度。對于直徑≤530 mm的管材，如果焊縫長度為對接處管材周長的1/8，所有缺陷可允許總長度參考施工過程中的堆焊長度來確定，并且不大于周長的1/6；對于直徑>530 mm的管材，其焊縫長度按照300 mm來執行；L為相鄰缺陷之間的距離，mm)。

表2 輸氣管道焊縫質量評價指標

表2(續)

美國無損檢測驗收標準為API 1104-2008，該標準規定了UT和RT驗收指標，但對AUT驗收指標沒有明確規定。加拿大CSA Z662-2015《油氣管道系統》重點給出了RT驗收指標，并且與API 1104-2008標準基本一致。澳大利亞執行標準為AS 2885.2-2007《管道-天然氣和石油 第二部分 焊接》，該標準給出了3種缺陷的驗收方法，方法一與API 1104-2008類似，方法二是基于適用性評價準則進行確定的，方法三是基于工程臨界評估的適用性評價。國際標準ISO 13847：2013《石油和天然氣工業-管道輸送系統-管道焊接》規定的缺陷類型與API 1104-2008基本一致，但對同一類型缺陷的驗收指標基本上略寬松于API 1104-2008。

綜合來看，各國家關于RT驗收標準均不同程度地與API 1104-2008類似，并根據各自國情進行了調整和優化。只有中國和俄羅斯標準涉及到了AUT與RT驗收指標，中國標準在這兩種檢測方法的驗收指標方面差異性較大，若同時執行，則存在AUT合格而RT不合格的問題，而俄羅斯標準給出的AUT與RT驗收指標是一致的，同時執行時基本不存在AUT合格而RT不合格的問題。所以，對于國內工程，采用AUT檢測的環焊縫進行RT復檢時，RT復檢僅對AUT的工藝執行情況進行判定，焊縫是否合格按照標準GB/T 50818-2013要求進行判定。

1.2 國外典型工程做法

1.2.1 俄羅斯博烏管道

博瓦年科沃-烏赫塔管道(博烏管道)干線管徑為1 420 mm，材料為K65(相當于國內X80)，設計壓力為11.8 MPa，現場環焊工藝主要為全自動焊[4]。

根據《工作壓力11.8 MPa以下 博瓦年科沃-烏赫塔干線天然氣輸氣管道焊接規程》的要求，環焊縫進行100%RT檢測，并采用UT復檢，檢測比例為25%。同時管段等級越高，驗收質量級別要求越高。該企業標準同時規定，若是業主同意，可以采用100%AUT作為主要檢測方法，但必須能夠記錄檢測結果。該工程實際施工時采用的是AUT為主的檢測方法，即一般線路段采用100%AUT檢測，前期工藝磨合階段和穿越等特殊地段采用100%AUT+100%RT檢測。環焊縫缺陷驗收指標執行《工作壓力11.8 MPa以下 博瓦年科沃-烏赫塔干線天然氣輸氣管道焊接規程》給出的驗收值，該驗收指標與СП 86.13330—2014《干線管道施工和驗收規程》規定的天然氣管道環焊縫缺陷驗收指標相同，即AUT與RT檢測的缺陷驗收指標是相同的。

與標準GB/T 50818-2013相比，中方與俄方標準均不允許環焊縫存在裂紋，并且對于自動焊常出現的未熔合缺陷而言，標準GB/T 50818-2013不允許存在外表面未熔合，但博烏管道工程執行的標準則規定A級質量級別下不允許存在表面未熔合和側壁未熔合，但是B級和C級質量級別允許存在。考慮到一般線路段環焊縫執行的質量級別為B級，大型穿跨越段環焊縫執行的質量級別為A級，所以GB/T 50818—2013標準規定的更嚴格一些。對于其余內部線型缺欠和體積型缺欠，雙方規定則各有嚴松。

1.2.2 俄羅斯西伯利亞力量管道

俄羅斯西伯利亞力量管道即中俄東線天然氣管道俄羅斯境內段，西起伊爾庫茨克州，經雅庫特、哈巴羅夫斯克，東至遠東港口城市符拉迪沃斯托克，連接科維克金和恰揚金兩大油田，總長約4 000 km。該項目現場環焊工藝主要為全自動焊，無損檢測執行標準為《供項目“西伯利亞力量干線天然氣管道第4.1階段 別爾格爾斯克-布拉戈維申斯克，第4.2階段 壓氣站КС-7а 捷伊斯卡亞，第4.3階段 布拉戈維申斯克-中國邊境”設計、施工和運行專用技術條件 保證可靠性和安全性部分》。根據該標準要求，西伯利亞力量管道一般線路段環焊縫采用的是100%AUT，缺陷驗收執行的是針對該管道工程單獨編制的技術要求——《西伯利亞力量干線天然氣管道建設過程中，包括貫穿活動構造斷裂面區域時對焊接與焊接接頭質量無損檢測的技術要求》，該技術要求規定的指標與СП 86.13330-2014《干線管道施工和驗收規程》 一致。

1.2.3 加拿大-美國Alliance管道

Alliance管道全長2 988 km，加拿大境內長為1 559 km，美國境內長為1 429 km。該管道環焊縫采用全自動焊接[5]，焊縫采用100%AUT進行無損檢測，缺陷驗收采用基于工程臨界評估法確定的指標值，與API 1104-2008規定的超聲檢測驗收指標差別很大。

與GB/T 50818-2013相比，該工程AUT驗收指標沒有規定是否允許裂紋存在(GB/T 50818-2013不允許)，并且對于外表面未熔合按照表面線性顯示來判定，而GB/T 50818-2013標準是不允許存在外表面未熔合的。對于體積型缺陷尺寸，該工程的驗收指標值比GB/T 50818-2013標準規定值寬松，對于線性顯示，其按照不同缺欠高度給出了不同的長度允許值，比GB/T 50818-2013標準詳細，但是比較后發現，這是兩國對超聲檢測分區高度要求不同導致的，對于處于中間值的分區高度(即缺欠高度)，該工程規定的缺欠長度允許指標相對低一些，比標準GB/T 50818-2013略嚴格。所以國內標準GB/T 50818-2013與美國境內Alliance對管道缺陷的驗收條件各有嚴松。

通過對比分析國內外標準規范及典型工程環焊縫檢測方法后發現，對于全自動焊焊接的環焊縫，國外一般均采用AUT檢測方法，并且不要求進行RT復檢，國內還要求進行RT復檢，相比更加嚴格，但國內AUT與RT驗收指標的差異性較大，同時執行容易造成不必要的焊接返修。各工程項目對環焊縫缺陷驗收指標執行標準則各有不同，一般是根據項目特點，單獨制定缺陷驗收標準。通過將目前收集到的各工程環焊縫缺陷驗收指標與GB/T 50818-2013驗收指標對比發現，兩者各有嚴松，無法統一而論，整體比較而言，標準GB/T 50818-2013在全自動焊常出現的未熔合缺陷指標驗收方面略嚴格一些。

所以，國內工程一般段全自動焊環焊縫進行RT復檢的標準已經嚴于國外標準，對于RT復檢比例，建議參照GB 50369-2014標準給出的超聲檢測復檢的原則進行選取，即一級地區5%，二級地區10%，三級地區15%，四級地區20%。考慮到RT與AUT驗收指標的差異以及AUT在全自動焊缺陷檢出方面的優勢，焊縫是否合格按照標準GB/T 50818-2013要求判定。

2 特殊環焊縫的無損檢測

在以全自動焊接為主的工程中，特殊焊縫包括連頭、返修焊縫、不等壁厚對接焊縫等。中俄東線天然氣管道工程鋼管壁厚主要為21.4，25.7，30.8 mm，鋼管連頭、返修環焊縫要求進行100%RT和100%UT檢測，盡管進行雙壁單影透照[6]的RT檢測所需的時間長，但是目前檢測設備能力是可以達到的。而手工超聲檢測(UT)的速度慢、精度低、無法進行數字化存儲，所以有必要研究新的可替代的檢測方式。對于不等壁厚鋼管對接環焊縫，常規做法是采用半自動或者手工焊焊接，現在中俄東線針對此類焊縫開始推廣使用自動焊，因此是否可以采用AUT檢測需要分析。

目前，國際上新發展的超聲波檢測方法有超聲波衍射時差法(TOFD，Time of Flight Diffraction)和相控陣超聲檢測法(PAUT，Phased Array Ultrasonic Testing)，這兩種方法在安全危害和時間限制上，遠遠優于傳統手工超聲波檢測[7-8]，實用性和可操作性強，在石化行業應用廣泛。

2.1 大壁厚鋼管連頭與返修焊縫的檢測

2.1.1 仿真模擬分析

采用CIVA仿真軟件對中俄東線不同壁厚對接環焊縫的檢測方法進行仿真模擬。由于TOFD 檢測不受壁厚的影響，在中俄東線采用的鋼管壁厚范圍內，采用一對TOFD 探頭即可滿足檢測要求，因此僅對PAUT檢測方案進行分析即可。針對21.4 mm和25.7 mm壁厚單V 型坡口，探頭前沿距離焊縫中心線15 mm，角度40° 70°即可實現整個焊縫的全覆蓋(見圖1)。

圖1 PAUT波束覆蓋效果圖

對于壁厚為30.8 mm 的坡口，將探頭前沿距離焊縫中心線的距離變為25 mm，可以實現整個焊縫的全覆蓋。因此，采用PAUT+TOFD方案對21.4，25.7，30.8 mm壁厚鋼管連頭和返修焊縫進行檢測是可行的。

2.1.2 現場實際驗證

為了進一步驗證PAUT+TOFD檢測方式的可行性，選取中俄東線試驗段(一期)的連頭口3道、返修口18道、AUT檢測不合格焊口26道，采用PAUT+TOFD的檢測方式進行檢測，并與AUT、RT結果比較，驗證PAUT+TOFD檢測方式的可靠性。

在缺陷類型方面，采用PAUT+TOFD檢測方法檢出的焊接缺陷主要為未熔合，此外還有氣孔、密集氣孔、未焊透等，具體情況如圖2所示。

圖2 缺陷種類分布

在缺陷檢出方面，返修焊口PAUT+TOFD檢測與RT檢測結果的對比分析圖如圖3所示，PAUT+TOFD檢測發現的未熔合缺陷在RT檢測中有漏檢，RT檢測發現的氣孔在PAUT+TOFD檢測中均有發現，對于密集氣孔型缺陷，PAUT+TOFD檢測也能夠檢出。

圖3 返修焊口PAUT+TOFD與RT檢測結果的對比分析圖

連頭焊口PAUT+TOFD與RT檢測結果的對比分析圖如圖4所示，通過連頭焊口的對比數據可以看出:PAUT+TOFD檢測發現的未熔合缺陷，RT檢測均未發現；RT檢測發現缺陷的位置，PAUT+TOFD檢測均有發現，因而PAUT+TOFD檢測方式相對于RT檢測更能發現焊縫中的未熔合缺陷。

圖4 連頭焊口PAUT+TOFD與RT檢測結果的對比分析圖

為了驗證PAUT+TOFD檢測方式與AUT檢測方式檢測效果的差異，對采用AUT發現的26道缺陷焊口，采用PAUT+TOFD對缺陷位置進行復檢。根據缺陷焊口的檢測結果統計數據(見圖5)，PAUT+TOFD發現的缺陷基本與AUT發現的缺陷一致，PAUT+TOFD發現的缺陷長度普遍小于AUT發現的缺陷長度，例如：AUT發現焊口831～1 167 mm的位置有336 mm長的鈍邊未焊透，PAUT+TOFD發現在840 mm的位置有313 mm的未焊透。這與AUT采用自動掃查方式，而PAUT+TOFD采用手動掃查方式有一定關系。

圖5 缺陷焊口PAUT+TOFD與AUT檢測結果的對比分析圖

為了進一步確認試驗效果，在中俄東線試驗段(二期)補充檢測對比了54道焊口(采用AUT、PAUT、RT)。對比分析檢測數據發現：PAUT在檢測圓形缺陷方面的檢測能力與AUT的一致，但與RT相比檢出能力較弱。PAUT在檢測未熔合、裂紋等條形缺陷方面，整體稍低于AUT。

根據仿真模擬和現場試驗驗證，采用PAUT+TOFD進行連頭口和返修焊縫的檢測是可行的，該檢測方法對未熔合、未焊透等缺陷有較強的檢出能力，檢測結果可以實時保存，便于后續查驗審核。所以，對于大壁厚鋼管連頭、返修焊縫，可以采用100%(PAUT+TOFD)+100%RT進行檢測。

2.2 不等壁厚對接環焊縫檢測

對于大壁厚直管-熱煨彎管、地區等級變化處鋼管對接環焊縫等，會存在不等壁厚對接的情況，此類焊縫若采用自動焊，由于壁厚大且焊縫兩側壁厚不同，需要根據標準GB 50251-2015中附錄H.0.2推薦的做法，在厚壁管內側進行斜坡處理。進行AUT檢測時，需要綜合考慮壁厚差、焊縫接頭坡口角度和管端內壁削薄角度及縱向長度等參數，壁厚差太大時，在較厚側尤其是壁厚在25.7 mm以上時會出現波束穿出的問題以及超聲波二次波難以反射到焊縫處而造成漏檢的問題，不等壁厚對接環焊縫的檢測方法示意如圖6所示。此外，制作此類焊縫的對比試塊也比較困難，這將影響缺陷的檢出率。所以厚壁的變壁厚對接自動焊環焊縫采用AUT是不可行的，建議采用RT+(PAUT+TOFD)的檢測方法。

圖6 不等壁厚對接環焊縫的檢測方法示意

3 結語

(1) 通過對比分析國內外標準關于環焊縫的無損檢測方法、比例及驗收標準的要求發現，中國標準要求相對嚴格，對于全自動焊要進行一定比例的射線復檢，并且只有中國和俄羅斯標準涉及到了AUT與RT的驗收指標。中國標準在這兩種檢測方法驗收指標方面的差異性較大，而俄羅斯標準給出的AUT與RT的驗收指標一致，執行時也基本不存在AUT合格而RT不合格的問題。

(2) 國外典型工程采用全自動焊焊接的環焊縫，一般均采用AUT檢測，并且不要求進行RT復檢。各工程對環焊縫缺陷的驗收指標與標準GB/T 50818—2013相比，各有松嚴，標準GB/T 50818—2013在全自動焊常出現的未熔合缺陷驗收方面略嚴格一些。

(3) 國內工程采用全自動焊時，考慮到現行國家標準要求進行RT復檢的規定及中國國情，全自動焊RT復檢建議按照不同地區等級進行相應比例的復檢，即一級地區5%，二級地區10%，三級地區15%，四級地區20%。RT復檢僅對AUT的工藝執行情況進行判定，焊縫是否合格按照標準GB/T 50818—2013要求判定。

(4) 對于大壁厚鋼管連頭、返修焊縫，可以采用100%(PAUT+TOFD)+100%RT確保缺陷的檢出。對于不等壁厚對接自動焊環焊縫，如采用在厚壁管內側進行斜坡處理的做法，則無法實現AUT，建議采用RT+(PAUT+TOFD)檢測。