管網新標準中超聲波自動探傷在直縫埋弧焊管的應用*

馮 雪， 汪 超， 劉奮勇， 蘇景富

（1. 南京鋼鐵股份有限公司， 南京 210061； 2. 中國石油渤海裝備江蘇鋼管有限公司， 南京 210061）

隨著國家管網公司的成立以及鋼管檢驗標準的更新， 焊管無損檢測要求再次提高， 特別是對鋼管焊縫的檢測要求極為嚴格。 CDP-SNGP-PL-006—2019-4 《天然氣管道工程鋼管技術規格書》 明確要求對壁厚12 mm 以上鋼管焊縫中間區域進行探傷[1]。 對此， 筆者對新標準進行了分析和研究， 包括新標準對鋼管焊縫中間區域串列探傷的具體要求、 新標準關于超聲波探傷對比樣管的制作方法以及串列式探傷工作原理。 同時， 以德國KD 公司ECHO1155多通道超聲波自動探傷系統為例， 驗證了直縫埋弧焊管焊縫區域串列探傷的應用效果。 該探傷系統能夠100%覆蓋焊管焊縫中心部位缺陷，探傷準確度高， 誤報率低， 最高探傷速度可達30 m/min， 管端最小盲區為50 mm， 且檢測速度快、 成本低， 能夠滿足石油管行業最高標準要求。

1 新標準要求

按照API SPEC 5L （46 版） 《管線鋼管規范》、 GB/T 9711—2017 《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》 等標準要求， 焊管焊縫區域超聲波探傷的人工缺陷一般采用 （N 型或U 型刻槽） 或/和豎通孔進行標定。 超聲波對比樣管標樣中 （包括內外焊縫） 6 個縱向、 2 個橫向N5 刻槽和1 個Φ1.6 mm 豎通孔人工缺陷，該標樣由制造商選擇采用焊縫邊緣的刻槽或豎通孔用于探傷靈敏度和檢測區域的確定[2-6]。與上述標準相比， CDP-S-NGP-PL-006—2019-4 增加了對焊管焊縫中間區域自動超聲波探傷的具體要求， 除了樣管標樣中具有位于焊縫內外的N5 縱向、 橫向刻槽以及位于焊縫中央的Φ1.6 mm 豎通孔外， 還根據探傷鋼管壁厚的不同， 相應增加了位于焊縫內部不同深度處的人工Φ3.0 mm 平底孔和Φ3.2 mm 徑向鉆孔[1]。 X60 鋼級以下， 試塊或樣管焊縫內外N5 縱、 橫向刻槽， 其中橫向刻槽可用Φ1.6 mm 鉆孔代替。 X60 鋼級及以上鋼管焊縫區縱向缺欠檢測探頭的數量見表1， 對比反射體類型及要求見表2。

表1 X60 鋼級及以上鋼管焊縫區縱向缺欠檢測探頭數量

表2 X60 及以上鋼管焊縫區縱向缺欠檢測對比反射體類型及要求

X60 鋼級及以上鋼管， 縱向缺欠檢測還需注意： ①檢測中間區探頭角度應垂直焊縫坡口， 且在±3°內， 如果焊縫坡口角小于15° （單側） 應使用串列探頭； ②縱向缺欠檢測： 探頭角度在50°～70°范圍內； ③焊趾處（內側、 外側） 刻槽反射體（N5） 可用于設置閘門起始位置和結束位置，不能用于調節檢測靈敏度， 刻槽反射體回波應超過記錄閾值水平， 否則， 應將參考靈敏度調節到100%全屏高度 （FSH） 以上， 拒收閾值應保持33%FSH； ④可以使用其他形式探頭數量和布置， 但應證明每一區域對比反射體能被檢測出，且應得到批準； ⑤也可以使用直徑為1.6 mm 徑向鉆孔， 驗收為0 dB （100% FSH）。 橫向縱向缺欠檢測時， 使用 “OB” 探頭檢測， 探頭角度在45°±3°范圍內； 對比反射體， 在內外表面上各有1 個橫向N5 刻槽。

2 超聲波探傷對比樣管的制作

2.1 對比樣管人工缺陷分布

為了確保油氣輸送鋼管質量并滿足最新標準要求， 在擴徑水壓試驗后對焊管進行100 %焊縫及焊縫兩側25 mm 超聲波自動檢測。 超聲波自動探傷對比樣管人工缺陷分布如圖1 所示， 圖2為平底孔示意圖。 超聲波自動檢測系統通過在人工缺陷的對比樣管上進行校驗， 以滿足對鋼管缺陷的檢測要求[1]。

圖1 自動探傷對比樣管人工缺陷分布示意圖

圖2 平底孔示意圖

2.2 垂直鈍邊人工缺陷的制作方法

垂直鈍邊人工缺陷主要是在鋼管焊縫內部模擬焊縫中心部位的缺陷， 標準也未對其制作過程做出明確的規定及要求， 因此對缺陷標樣制作帶來更多的挑戰。 目前， 我公司缺陷標樣的制作采用以下方法： 在鋼管上距離焊趾部位20～40 mm處切割出300 mm×300 mm 管體方孔， 再在管體方孔靠近焊趾 （距焊趾部位20～40 mm） 一側截面按照標準位置深度進行制作。 使用Φ3 mm、長度50 mm 的鉆頭進行鉆孔， 其深度鉆至焊縫橫向對稱截面上， 然后用Φ3 mm 銑刀對鉆孔底部進行平底， 即垂直鈍邊平底孔形成， 最后再采用焊接的方法， 將300 mm×300 mm 的管體方孔封堵， 并將外焊縫打磨平整[7]， 垂直鈍邊人工缺陷如圖3 所示。 其他焊縫縱向、 橫向缺陷檢測標樣N5 刻槽、 Φ1.6 mm 豎通孔、 垂直坡口面Φ3.2 mm 平底孔及Φ6.25 mm 平底孔制作較為簡單， 本研究不再進行闡述。

圖3 垂直鈍邊人工缺陷制作示意圖

3 串列式掃查工作原理

檢測鋼管焊縫內部垂直鈍邊處的缺陷采用串列式掃查方法， 探頭布置如圖4 所示。 單側使用串列探頭， 即一前一后兩個K1 探頭， 并以相同方向放置在鋼管焊縫同一側表面， 探頭2 發射的聲波被缺陷反射， 反射的回波經底面反射進入探頭1。

圖4 串列式掃查檢測示意圖

在超聲波自動探傷過程中， 由于探頭與鋼管耦合不好、 探頭不完整等現象， 容易導致探傷失效。 為了防止串列式探傷失效， 在自動探傷系統上匹配有耦合監視功能， 如圖5 所示。 鋼管焊縫兩側對稱布置串列探頭， 在沒有缺陷的情況下，探頭2 與探頭3 相互監視， 探頭1 與探頭4 相互監視[8-10]。

圖5 串列式掃查耦合監視示意圖

4 現場應用效果

4.1 對比樣管動態校驗

鋼管擴徑水壓后， 采用德國KD 公司ECHO1155 多通道超聲波自動探傷系統對鋼管進行檢測， 該系統配備18 個探頭， 其中兩套L 縱向檢測系統（共4 個探頭） 主要檢測焊縫區和焊縫鄰近區域的內部、 外部縱向缺陷和坡口面缺陷； 一套Q 橫向檢測系統 （共2 個探頭） 檢測焊縫和鄰近區域橫向缺陷； 兩套D 分層檢測系統 （共4 個探頭） 通過噴水耦合檢測焊縫兩側25 mm 的母材分層缺陷； 兩套L、 T 串聯檢測系統（共8 個探頭） 檢測焊縫中心部位缺陷。 探頭距離可根據壁厚和反射角調節， 圖6 所示為探頭固定導向系統。

圖6 探頭固定導向系統示意圖

按照CDP-S-NGP-PL-006—2019-4 規定加工的自動探傷對比樣管進行了動態校驗， 動態樣管校驗結果如圖7 所示。 圖7 中， 1 區-L 為檢測焊縫及熱影響區域縱向反射波形圖和垂直坡口面平底孔反射波形圖； 2 區-Lm 為焊縫兩側25 mm 范圍內母材分層檢測波形圖； 3區-T1 為檢測焊縫及熱影響區橫向反射波形圖； 4 區-LT 為串列式檢測焊縫中心處平底孔的反射圖形。

圖7 動態樣管校驗圖

4.2 串列式探傷系統的應用

對串列式自動探傷系統顯示的焊縫中心部位報警處的缺陷進行手動超聲波探傷復驗， 圖8 所示為焊縫中心部位手探超聲波波形。 對超聲波探傷超標缺陷進行金相試驗驗證， 結果與超聲波探傷結果一致， 均為焊縫中心部位未焊透缺陷， 缺陷形貌如圖9 所示。

圖8 焊縫中心部位手探超聲波波形圖

圖9 焊縫中心部位未焊透缺陷形貌

5 結 論

（1） 鋼管擴徑水壓后， 采用德國KD 公司ECHO1155 多通道超聲波自動探傷系統對鋼管進行檢測， 可滿足CDP-S-NGP-PL-006-2019-4《天然氣管道工程鋼管技術規格書》 標準要求。

（2） 采用在鋼管上離焊趾部位20～40 mm處切割300 mm×300 mm 管體方孔， 在管體方孔靠近焊趾側截面按照標準位置深度制作平底孔，然后將300 mm×300 mm 管體方孔焊接封堵的方法， 可有效制作對比樣管。

（3） 對串列式自動探傷系統發現的焊縫中心部位報警處缺陷進行手動超聲波探傷復驗和金相試驗， 結果均與串列式探傷結果一致。