環焊縫內窺鏡檢測典型缺陷圖譜判讀與質量控制

崔先超，張偉福，豐振軍，鄭玉申

（石油管工程技術研究院北京隆盛泰科石油管科技有限公司，陜西西安 710100）

0 引言

2205 雙相不銹鋼管線內窺鏡檢測環焊縫內表面焊接缺陷的圖譜判讀，直觀易懂。內窺鏡檢測缺陷圖譜和RT（Radiographic Testing，射線檢測）底片相比，在缺陷評定的定性、定位和部分定量方面有相同點，在形貌和氧化色識別上具有一定的優勢。2018—2019 年，內窺鏡檢測技術在國內2205 雙相不銹鋼管線建設首次引入和應用，被實踐證明是行之有效的質量控制方法之一，該應用對焊工形成了有效約束，在2205 雙相不銹鋼管線建設質量控制方面起到了獨特的作用。

2205 雙相不銹鋼鋼管材料耐腐蝕性能優良，但造價較高，在國內管線建設中用得較少，因此，管線焊接過程中，對管線環焊縫焊接質量的評定和控制顯得尤其重要。2205 雙相不銹鋼直縫鋼管管線內窺鏡檢測，是無損檢測的一種目視檢測，實質上還是對焊接接頭內表面缺陷的評定。國內的應用現狀是：小管徑管線（OD≤508 mm）受限于傳統檢測工具的原因，內表面外觀質量的檢測尚未有效開展。自2018 年9 月以來，內窺鏡檢測在2205 雙相不銹鋼直縫鋼管OD406 mm×12 mm 管線的首次應用，彌補了這項空白。準確地判讀缺陷圖譜，有益于檢測單位的數據積累和人才培養，有利于施工方針對性整改、修偏，以提高管線環焊縫焊接質量控制。

1 缺陷評判方法

1.1 圖像質量要求

由內窺鏡機器人成像原理和無損檢測知識可知，影響內窺鏡檢測圖像質量的因素有照射角度、照度和焦點距離等。圖像采集是內窺鏡原始視頻（錄像）在計算機播放過程中，由操作者按錄像時間點（或者按缺陷存在位置）逐張剪圖獲得。圖像分辨率由內窺鏡機器人錄像設置參數的分辨率決定，實踐中，OD508 mm 及以下管徑，焊口環焊縫內窺攝像剪圖數量以不少4 張為宜，單張圖像規格為70 mm（寬）×56 mm（高）。4 張剪圖的內容分別為環焊縫的起弧收弧處、縱縫連接處、缺陷處等有代表性的位置，以盡可能多的信息顯現焊縫焊接質量。

1.2 一般評判方法和缺陷評定技巧

1.2.1 一般評判方法

2205 管線環焊縫內窺鏡檢測是一種環焊縫內表面外觀質量檢測方法。在焊接接頭焊接質量評定過程中，外觀質量評定主要由外觀形貌、顏色和幾何尺寸檢查組成。

（1）外觀缺陷評定主要表述方法是定性、定量和定位。定性時可用“成型不良”“咬邊”“錯邊”“未焊透”等；定量時可用“輕微”“輕深”“輕長”等詞表述。

（2）焊接接頭顏色的判定，比如氧化色分級，應結合“2205雙相不銹鋼環焊判定”中的典型顏色分級要求和焊縫解剖實物對比進行，對檢測對象進行客觀描述。

（3）缺陷幾何尺寸評定時，量化由長度、寬度、高度（厚度）的測量數據得來。①實際檢驗中，缺陷長度和寬度測量通過測量顯示屏顯示的缺陷長度，根據規范進行評判；②厚度方面的量化，現階段國內內窺鏡機器人鏡技術尚不能準確測量，比如錯邊量和內凹深度，摔坑、麻坑、劃傷、壓痕的深度等；③缺陷的定位可用鐘點表述。

1.2.2 內窺鏡缺陷評定技巧

因操作規程對各種缺陷有相對明確的要求，結合實踐經驗，評定順序可根據先定性、再定量，最后定位的順序進行評定。這樣的評定順序有利于節省評定時間、提高評定效率。比如，對于“裂紋”“未熔合”“未焊透”等缺陷完成定性后，按照規定，整個焊口即予拒收處理，不需要準確定量定位。而對于“咬邊”“內凹”等需要定量的缺陷，可在定性后進行定量判定，以確定是否超標。準確定位的意義主要是便于返修，或者作為改進工藝提供缺陷位置的參考依據。

1.2.3 準確判讀缺陷圖譜的意義

便于業主、監理等相關方閱讀，督促施工方整改；也有益于內窺鏡檢測單位、其他NDT（Nondestructive Testing，無損檢測）檢查單位和技術支持單位經驗積累；更為數字化管網的質量構建收集第一手素材，為后期管線評價積累數據。

1.3 特殊情況下的判定

一般情況下，內窺鏡檢測單位在當期檢測報告中應給出明確的評定意見，即該環焊縫焊口是否接受的結論。特殊情況下，內窺鏡檢測單位對極個別缺陷不能準確評定時，可借助于其他無損檢測方式（射線照相檢驗、超聲檢測等）確定。因現場檢測報告的時效性較強，檢測人員應力求準確評判。

1.4 內窺鏡缺陷圖像和RT 底片的異同和優缺點

內窺鏡缺陷圖像和RT（Radiographic Testing，射線檢測）底片所顯示的缺陷相比，兩者的異同點和優缺點如下：

（1）相同點：對缺陷的定性相同，在缺陷定位上均按照鐘點法表示。

（2）不同點：對缺陷的幾何尺寸評定（測量上）、缺陷在長度和寬度的定量上兩者大體相同；在厚度的定量上，內窺鏡不能準確量化厚度方向的偏差。比如內凹缺陷，RT 常用階梯型試塊，通過RT 底片的黑度顯示量化厚度方面的差別，內窺鏡圖像尚不能準確量化。

（3）優缺點：內窺鏡圖像在表面缺陷形貌和氧化色識別上有一定的優勢，比RT 底片圖像更直觀易懂，不需要評定者根據射線原理對影像進行平面圖形到立體圖形的還原過程，僅需要考慮檢測設備的放大系數和細微的色差顯示影響即可。兩者的圖像顯示特點見表1。

表1 內窺鏡圖像和RT 底片的特點對比

1.5 內窺鏡圖像的作用

2205 雙相不銹鋼管線內窺鏡圖像和錄像數據資料，實時地記錄了管道焊縫焊接質量的形成過程，為管道安全性評價提供了原始資料。管道內窺鏡檢測報告所提供的照片和錄像數據資料，為業主科學決策提供了依據，為施工隊伍改進工藝提供支持，為無損檢測單位評判提供參考和佐證，為焊接設備供應商和內窺鏡設備供應商持續改進設備功能提供了有益的素材，為管線質量起到了保障安全的作用。

2 缺陷類型圖譜判讀、分類、成因及防止

2.1 評定依據

通常情況下，2205 不銹鋼管線環焊縫內窺鏡圖像的評判依據為該內窺鏡檢測項目的操作規程和相關專業技術要求等（如“2205 雙相不銹鋼環焊判定”）。

2.2 焊接方式

本文所述2205 不銹鋼管線環焊縫內窺鏡檢測應用案例的焊接方式為手動焊：GTAW（Gas Tungsten Arc Weld，鎢極惰性氣體保護）+SMAW（Shielded Metal Arc Welding，焊工資格證書）；自動焊和半自動焊：GTAW。焊管材料規格：2205 D323.9×10 mm、2205 D406.4×12 mm；焊材：ER2209Φ1.0 mm、Φ2.4 mm、Φ3.2 mm。

2.3 典型缺陷圖譜分類、成因及防止

單張缺陷圖譜內表面焊接質量評判，應按照“焊縫中心線到焊縫兩邊→熱影響區→管道母材內壁”的順序進行評判，評定結果在檢測報告中按規定的格式給出評定結論。本文通過梳理實際應用中的環焊縫內表面典型缺陷，將2205 雙相不銹鋼管線焊接中的缺陷分為8 種，分別是：①凹坑、內凹或未填滿；②未焊透；③氧化發藍、發灰、發黑及氧化過燒；④咬邊；⑤氣孔；⑥修磨過度、修磨過寬、毛刺和倒刺；⑦母材損傷、劃傷、壓痕和麻坑；⑧管道內壁異物、電弧燒傷、縱縫間距及其他。

2.3.1 凹坑、內凹或未焊滿

自動焊和半自動焊的凹坑、內凹和未填滿現象如圖1 所示，示意圖見圖2。定義、評判、產生原因、危害和防范措施等見表2。

圖1 自動焊和半自動焊凹坑

圖2 自動焊和半自動焊凹坑示意

表2 凹坑、內凹或未焊滿缺陷分析及防范措施

2.3.2 未焊透

手動焊未焊透現象如圖3 所示，示意圖見圖4。定義、評判、產生原因、危害和防范措施等見表3。

2.3.3 氧化發藍、發灰、發黑及氧化過燒

手動焊氧化發藍、發灰、發黑及氧化過燒現象如圖5、圖6所示。定義、評判、產生原因、危害和防范措施等見表4。

2.3.4 咬邊

自動焊和半自動焊的咬邊現象如圖7 所示，手動焊的咬邊現象如圖8 所示，咬邊示意見圖9。定義、評判、產生原因、危害和防止措施等見表5。

2.3.5 氣孔

圖3 手動焊未焊透

圖4 手動焊未焊透示意

表3 未焊透的分析及防范措施

圖5 手動焊氧化發藍、發灰、發黑及氧化過燒

圖6 手動焊氧化發藍、發灰、發黑

表4 氧化發藍、發灰、發黑及氧化過燒的分析及防范措施

圖7 自動焊和半自動焊咬邊

圖8 手動焊咬邊

圖9 咬邊示意

表5 咬邊的分析及防范措施

自動焊和半自動焊的氣孔現象如圖10 所示，手動焊的氣孔現象如圖11 所示。形成機理、評判、產生原因、危害和防范措施等見表6。

圖10 自動焊和半自動焊氣孔

圖11 手動焊的氣孔

表6 氣孔的形成分析及防范措施

2.3.6 修磨過度、修磨過寬、毛刺和倒刺

自動焊和半自動焊，焊縫兩邊修磨過寬現象如圖12 所示，手動焊的修磨過度現象如圖13 所示，自動焊和半自動焊修磨后形成倒刺或毛刺現象如圖14 所示，手動焊焊縫兩邊修磨過寬現象如圖15 所示。定義、評判、產生原因、危害和防止措施等見表7。

2.3.7 母材損傷、劃傷、壓痕和麻坑

自動焊和半自動焊母材壓痕和麻坑現象如圖16 所示，手動焊母材劃傷現象如圖17 所示。定義、評判、產生原因、危害和防范措施等見表8。

圖12 自動焊和半自動焊焊縫兩邊修磨過寬

圖13 手動焊修磨過度

圖14 自動焊和半自動焊修磨后形成倒刺或毛刺

圖15 手動焊焊縫兩邊修磨過寬

表7 修磨過度、修磨過寬、毛刺和倒刺的分析及防范措施

圖16 自動焊和半自動焊母材壓痕和麻坑

圖17 手動焊母材劃傷

表8 母材損傷、劃傷、壓痕和麻坑的分析及防范措施

2.3.8 焊道內壁異物、電弧燒傷、縱縫間距及其他

手動焊焊道內壁異物現象如圖18 所示。定義、產生原因、危害和防范措施等見表9。

圖18 手動焊焊道內壁異物

表9 焊道內壁異物的分析及防范措施

3 提高焊接質量、減少焊接缺陷的改進建議

3.1 人

做好施工單位相關人員資質審核工作，保證焊接人員持證上崗，持證項目和施焊類別一致。做好現場焊工考評工作。

3.2 機

應用于施工項目中的焊接設備應檢定且在有效期內。坡口加工時，坡口機夾持設備應夾持牢固，避免由此造成的大面積鋼管母材內壁壓坑和麻坑。

焊口組對時，焊接設備的內對口器滾輪應選用塑料或者橡膠材質，避免在組對完成退車過程中，因強力拖拉對口器（部分滾輪運行不良時，內對口器和焊管內壁發生硬接觸）造成母材的內壁損傷。

通常情況下，酸洗鈍化后的2205 不銹鋼內壁不允許修磨。當現場修磨不可避免時，應保證內焊縫兩邊修磨寬度和修磨厚度不能超出規范規定，不應出現修磨過寬或修磨厚度超標。修磨后應拋光處理，避免形成倒刺和毛刺；避免破壞不銹鋼表面的鈍化膜，形成疲勞源，造成腐蝕隱患。

3.3 料

焊管：施工現場應做好2205 不銹鋼焊管的入場驗收工作，如有不符合項，及時按程序反饋給上游環節的制造廠商和相關方。做好焊管二次倒運過程中的質量控制工作，避免管體損傷。焊材：做好焊材的入場驗收、存儲、領用分發、回收和現場管理等工作。

3.4 法

施焊作業過程中，做好WPS（Welding Procedure Specification，焊接工藝規程）的執行控制工作，尤其是在施工現場地勢環境較差、母管圓度在標準允許范圍邊緣、組對較為困難時，焊接工藝的執行更為重要。坡口加工和焊口組對工序，是應該被重視的關鍵控制工序。

3.4.1 坡口加工

規范加工坡口形式、角度和鈍邊，是施焊前的準備工作。避免夾具造成坡口邊緣的母材壓痕和麻坑，避免形成新的疲勞源（點），造成腐蝕風險。

3.4.2 組對

組對過程中，避免強力拖拉內對口器造成管體母材內壁劃傷，避免強力組對時造成焊口附近母材內壁損傷，嚴禁野蠻施工。

3.4.3 焊接過程中的質量控制

與WPS 規定的熱輸入量相比，現場產生缺陷的原因主要是熱輸入量的變化。換言之，焊接缺陷主要是焊接能量參數中電壓、電流和焊接速度的變化造成的。控制好熱輸入量，減少焊接缺陷產生率。利用工裝加強氣體保護措施，保證焊接接頭氧化色符合技術要求。

（1）電流作為單項參數，和WPS 規定的參數相比，有偏大和變小兩種變化，主要影響焊縫的熔深。一般情況下，電流偏大時容易形成燒穿、咬邊，顏色黑灰；電流偏小時容易形成未熔合、未焊透等缺陷。

（2）電壓主要影響焊縫的寬度。因現場焊機的電壓和電流是匹配的，在此不作為重點討論對象。

（3）坡口形式、運條方法、運條速度、焊工施焊習慣及其他。坡口形式、運條方法、運條速度、焊工施焊習慣、焊工經驗值等影響因素，仍然是熱輸入量的變化。手工焊接可控制因素較多，在自動焊和半自動焊的實際操作中，焊接工程師一般采用一次性設定焊機焊接參數的方法進行質量控制（該焊接參數和WPS 一致，除了擺寬可調節外，焊工一般不需要調節其余焊接參數）。在坡口加工相對規范、焊接設備維護正常的情況下，焊工比較容易操作，焊接效率較高，焊接質量（整體熱輸入量）控制也較容易實現。

3.5 環

3.5.1 溫度和風速影響

環境變化時，焊接操作應在搭建防風棚等有效防護措施的保護下進行，尤其是溫度（如環境溫度低于10 ℃）和風速變化時，應做好預熱和層間溫度控制。

（1）焊前預熱既能減少焊管待焊部位的溫度差，又能減緩冷卻速度，是降低殘余應力的有力措施之一。

（2）多道焊時，層間焊道所具有的最低溫度（即層間溫度），對其后一道焊而言，具有預熱的作用（層間溫度即相當于預熱溫度）；對其前一道焊接來說，起“后熱”的作用，產生一定的熱處理效果。

（3）焊條保溫筒應在焊條領用前加熱，焊接時應接到焊機的直流電源上，焊接期間保持焊材干燥狀態。

（4）特殊環境下應搭建防風棚等，做好相應的防護工作，以保證焊接質量。如遇下列特殊情況、未進行防護措施時不得施焊。特殊情況有：①雨、雪天氣；②環境溫度≤10 ℃；③大氣相對濕度≥90%；④鎢極氬弧焊時風速大于2 m/s；⑤焊條電弧焊時風速大于5 m/s。

3.5.2 焊接過程中和焊后的環境保護

焊接過程中，相關人員應做好坡口清潔、焊條保溫、焊材保管、回收等環境保護工作。焊接完成后，相關人員應做好管道內壁的異物清理和清潔工作，避免異物存留管道內部，造成通球試壓時的不便和環境問題。施工單位應遵守現場HSE（Health Safety Environment，健康、安全、環境）管理的相關規定。

4 內窺鏡圖像的不足之處

4.1 氧化色分級判讀有待規范化

從2205 雙相不銹鋼管線建設實際案例中割開的焊口實物分析，管道內窺鏡圖像所顯示的焊接接頭顏色，暫不能作為缺陷（欠）評定的準確依據，需要繼續積累數據。如果內窺鏡設備廠商在CCD（Charge-coupled Device，電荷耦合元件）技術方面有所突破，內窺鏡技術在2205 雙相不銹鋼管線環焊縫氧化色的評定方面會大有作為。

4.2 圖像尚不能準確量化缺陷（欠）在壁厚方向的尺寸差別

現階段應用實例表明，在2205 雙相不銹鋼管線環焊縫內表面焊接缺陷檢測過程中，內窺鏡檢測能力不足，尚不能準確量化缺陷（欠）在壁厚方向的數據差別。比如對錯邊、內焊縫余高和內凹等缺陷的量化上（錯邊：工件自厚度方向上錯開一定位置。一般檢驗規程規定，焊管焊縫徑向錯邊應不大于公稱壁厚的10%和1.59 mm 中的較小者；內凹、劃傷、壓痕、麻坑、摔坑等的深度一般不超過焊管壁厚的12.5%；焊縫余高，在內外表面均小于2.0 mm），暫時不能準確進行。

檢測單位可建議內窺鏡設備廠商增加鏡測距等功能，在缺陷厚度方向上，對定量功能加以改進，以便更準確地評判。

5 結語

內窺鏡圖像評判中，對管線環焊縫內表面缺陷的分類和傳統焊接缺陷的分類大致相同，僅因為2205 雙相不銹鋼材料的特殊性，在顏色和修磨等環節的缺陷分類上有所不同。內窺鏡典型缺陷評定，以焊縫外觀缺陷形貌為基礎，依據相關技術規定和焊縫實物進行判讀，結合缺陷形成的機理，給出具體的評定結論。綜合2205 不銹鋼材料、焊接和NDT 知識，應用于現場施焊具體情況，對影響現場焊接質量的“人、機、料、法、環”諸因素逐一進行梳理分析，以期找出改進工藝的有效措施，提高施工項目的整體焊接質量。

通過對內窺鏡檢測典型缺陷影像的判讀和分析，為業內新興起的內窺鏡檢測在2205 雙相不銹鋼管線建設中的應用做必要的數據積累，為2205 雙相不銹鋼管線質量控制做出積極貢獻。