天然氣管線對接焊縫相控陣在線檢測及合于使用評價

竺國榮 王 杜 錢盛杰 趙盈國

（寧波市特種設備檢驗研究院）

在石油化工行業中，壓力管道主要用于輸送工藝介質，是工藝流程中關鍵的特種設備。 由于壓力管道具有連續運轉的特性，因此對安全性和可靠性的要求較高［1］。 寧波某公司ABS裝置壓力管道到期進行定期檢驗，在無損檢測和宏觀檢查過程中發現天然氣管線 （管道編號LNG-Y-0001-R2，管道級別GC2級）存在超標缺陷，故需按照TSG D7005—2018 《壓力管道定期檢驗規則——工業管道》（以下簡稱《檢規》）第三章規定評定管道的安全狀況等級：

a. 安全狀況等級為1級、2級的，GC1、GC2級管道一般不超過6年檢驗一次，GC3級管道不超過9年檢驗一次；

b. 安全狀況等級為3級的，一般不超過3年檢驗一次，在使用期間，使用單位應當對管道采取有效的監控措施；

c. 安全狀況等級為4級的， 使用單位應當對管道缺陷進行處理，否則不得繼續使用。

在檢驗過程中，射線檢測發現該天然氣管線某直管與彎管的對接焊縫處存在多處圓形缺陷。根據《檢規》要求，安全狀況等級定為4級，無法繼續使用。 考慮到該管道無法停機修理，為了保證管道的安全運行，企業提出對超標缺陷的安全性進行合于使用評價。 而合于使用評價的前提是要獲得壓力管道的基本參數和缺陷尺寸、位置等信息。 為此，筆者采用相控陣技術對該管道缺陷進行精確定位和定量研究， 最后進行合于使用評價。

1 常規無損檢測

針對該管道，制定的檢驗方案是宏觀、測厚、表面和埋藏缺陷檢驗。 宏觀檢驗發現該管道的直管段與彎管存在一定錯邊，錯邊量2.5 mm，超過公稱厚度的25%。測厚檢測發現，該管道的壁厚范圍為6.8～6.9 mm。表面檢測采用磁粉檢測技術，未發現缺陷信號，說明缺陷不在焊縫表面，具有一定的埋藏深度。 埋藏缺陷檢測采用射線檢測方法，檢測出多處圓形缺陷，部分射線底片如圖1所示。 其中，A片為合格的底片圖像，B片、C片和D片均含有大量的圓形缺陷。 但常規射線檢測難以確定缺陷的深度、自身高度等信息。 相控陣技術可以通過聚焦法則的設置，實現聲束在焊縫中的高精度掃描， 從而可以更好地分辨出細小的缺陷。因此，筆者借助相控陣技術對上述缺陷進行精確測量。

圖1 射線底片

2 相控陣檢測

相控陣技術具有掃查范圍大、 分辨率高、缺陷表征優及可跟蹤性強等特點［2］。 采用相控陣扇形掃查方法，一次波覆蓋焊縫的下部，二次波覆蓋焊縫的上部，并用編碼器記錄探頭移動的相位信息， 可以實現對該對接焊縫的超聲相控陣檢測，并檢測出與射線底片對應的缺陷信號。 相控陣檢出的缺陷圖譜如圖2所示， 將存在的體積型缺陷的部分劃分為5個區域，圖中紅圈為1～5號區域的缺陷，藍圈為錯邊結構回波信號。

圖2 相控陣檢出的缺陷圖譜

經相控陣檢測可以看出，1號區域為單個氣孔， 直徑為0.9 mm；2號和3號區域為點狀密集氣孔， 單個氣孔的直徑在1.0～3.0 mm之間；4號區域為鏈狀密集氣孔， 單個氣孔的長度在1.0～3.0 mm之間；5號區域為點狀密集氣孔和鏈狀密集氣孔，單個氣孔的直徑在1.0～2.5 mm之間， 單個氣孔的長度在1.0～3.0 mm之間。 缺陷位置和尺寸信息詳見圖3和表1。

圖3 缺陷位置和尺寸信息

表1 缺陷位置和尺寸信息 mm

3 合于使用評價

合于使用評價是指對含有超標缺陷的結構或裝備能否繼續使用以及如何使用而進行的定量工程評價［3，4］。本次合于使用評價工作分為兩個步驟：

a. 按照《檢規》對超標缺陷安全狀況等級進行評定，若評定缺陷安全狀況等級為2級或3級，則可以在不對缺陷處理的情況下繼續使用。

b. 若評定認為缺陷安全狀況等級為4級，則按照GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》 對安全狀況等級為4級的缺陷進一步評定。 對按照GB/T 19624—2019進行評定認為安全的缺陷， 可在不對缺陷處理的情況下繼續使用，否則管道停用或返修［5］。

3.1 《檢規》評定

該天然氣管線是經過設計、審核、檢驗、檢測的，可以認為其滿足《檢規》第3.2.6.1款的6點要求，可以利用《檢規》對焊接缺陷進行安全狀況等級劃分。 本次檢驗中發現的焊接缺陷為圓形缺陷。根據《檢規》第3.2.6.2款規定，射線底片圓形缺陷率約為13.9%（大于5%）， 安全狀況等級定為4級。 此外，經宏觀檢驗發現的錯邊量超過公稱厚度的25%，且該焊接接頭存在超標缺陷，故安全狀況等級也可定為4級。

3.2 合于使用評價方法

根據《檢規》規定，當管道不滿足《檢規》評級要求或利用《檢規》評級為4級的缺陷時，可采用GB/T 19624—2019 中的安全評定方法進行評估［6］。 一般認為將體積型缺陷按平面缺陷處理得到的評價結果更為安全。 該焊縫雖為彎頭焊縫，但位于直管段， 故采用GB/T 19624—2019附錄G《壓力管道直管段平面缺陷安全評定方法》 對該焊縫進行評估。

壓力管道直管段平面缺陷安全評定方法如下：

3.3 評定方法參數和基礎條件選取

對壓力管道直管段平面缺陷進行安全評定時需做以下工作：

a. 確定管道壁厚。 管道內介質為天然氣，可認為管道不發生腐蝕。 根據實際焊縫附近的實測壁厚對焊縫進行評價。 本次檢驗中LNG-Y-0001-R2 管道的W73 接頭附近的最小檢驗壁厚為6.8 mm，故評價用壁厚為6.8 mm。

b. 應力分析。 確定管道承載情況，為缺陷評定做準備；管道承載較為復雜，除了受內壓載荷外，還有拉、彎、扭、熱應力、位移載荷等多種形式的載荷。對LNG-Y-0001-R2管道進行應力計算，發現W73焊口周邊的應力滿足設計要求。 故參考管道設計規范條件，取管道許用應力為［σ］。

c. 缺陷表征。 缺陷表征是缺陷評定的首要工作。 這是因為實際缺陷形狀是不規則的，需要進行規則化處理，使之成為便于進行力學分析的形狀和尺寸，缺陷評定中稱之為缺陷的表征。 本次檢驗中發現LNG-Y-0001-R2管道的W73接頭存在多個內部缺陷，按GB/T 19624—2019進行缺陷規則化，再將公共面積進行合并。 因此，缺陷表征為缺陷自身高度4 mm、 缺陷長度為整圈的表面裂紋。

d. 明確材料性能。鋼管材料（鋼號SA-53B）的常溫強度指標有σs=241 MPa，σb=414 MPa，［σ］=138 MPa。

e. 確定材料斷裂韌度。壓力管道的斷裂韌度是含缺陷管道安全評定的重要參數。 獲得斷裂韌度的最佳方法是試驗測定，但本次評估缺少該數據。 根據GB/T 19624—2019附錄G的規定，評定用材料斷裂韌度的下限值可取JIC=1.1KV2。在缺乏材料KV2值的情況下，對于無脆化傾向，使用溫度不低于韌脆轉變溫度，取壓力管道材料容許的最低值KV2=27 J。 因此推薦管道材料斷裂韌度JIC=29.7 N/mm。

4 結束語

對在檢驗過程中發現的一條含缺陷天然氣管線進行無損檢測和合于使用評價。 無損檢測后，經《檢規》評定該管道的安全狀況等級為4級，不能繼續使用。 在不影響企業正常工作和保證管道安全運行的前提下，采用相控陣技術對缺陷進行精確定位和定量研究。 最后進行合于使用評價，結果為在下一返修周期（2年）內，該壓力管道可以正常使用。 文章所述內容，為含缺陷壓力管道的安全正常使用提供了一個典型案例。 采用合于使用評價方法對該類缺陷進行評價，對判別含缺陷壓力管道的安全性能具有重大意義。