大直徑直縫雙面埋弧焊管超聲波檢測質量控制

汪 超，王 成，劉勝斌，金 博，范 鋒

（1.渤海裝備南京巨龍鋼管有限公司，南京 210061；2.中國石油天然氣管道局國內事業(yè)部，河北 廊坊 065000）

大直徑直縫雙面埋弧焊管超聲波檢測質量控制

汪 超1，王 成2，劉勝斌1，金 博1，范 鋒1

（1.渤海裝備南京巨龍鋼管有限公司，南京 210061；2.中國石油天然氣管道局國內事業(yè)部，河北 廊坊 065000）

針對天然氣管道工程用焊管相關標準的技術要求，分別給出了鋼板和焊管超聲波檢測時的探頭布置、靈敏度設置及各類缺陷的具體檢測方法。分析了鋼板或焊管中存在的各種缺陷的類型特征，設計了超聲波檢測時所用的專用探頭和特殊探頭。介紹了焊管生產過程中超聲波檢測的驗收標準和特殊探頭的使用方法。應用結果表明，專用探頭和特殊探頭的使用，提高了焊管在線檢測效率，降低了材料損耗，確保了焊管產品質量。

鋼板；焊管；焊縫；缺陷；超聲波探傷

1 鋼板超聲波檢測質量控制

鋼板超聲波檢測是鋼板內在質量控制的重要手段之一，可有效檢測出鋼板內在缺陷，確保產品質量。鋼板超聲波檢測是鋼管在成材之前的首道控制工序。CDP-S-NGP-PL-006-2011-2《天然氣管道工程鋼管通用技術條件》要求：對四、五級天然氣輸送管道用焊接鋼管，超聲波掃查至少應覆蓋鋼板或管體表面的50%，縱向板邊50mm范圍內100%覆蓋。為了滿足標準要求，南京巨龍鋼管有限公司采用多通道超聲波鋼板探傷機，該探傷機采用80通道超聲波探傷，包括6個通道的雙晶直探頭邊探、2個四合一探頭、62個通道的板中雙晶直探頭、12個通道的板兩側斜探頭橫波探傷、2個二合一探頭和2個三合一探頭，其中增加斜探頭橫波探傷。設備檢驗能力不小于20張/h；檢驗鋼板寬度范圍為1 500～4 500mm；檢驗鋼板厚度范圍為8～60mm。

1.1 探頭布置及靈敏度設置

鋼板探傷探頭布置及超聲波掃查路徑如圖1所示。采用80通道超聲波鋼板探傷機探傷時，按照ASTM A435要求，62個通道的板中縱波探頭在保證100%檢測前提下，每個探頭探傷有效區(qū)域應有15%的交叉覆蓋。因此，按75mm的間距排布探頭，每組探頭擺動距離為50mm，有2組探頭前后擺動，保證了探頭有效覆蓋率為15%。

圖1 鋼板探傷的探頭布置及超聲波掃查路徑

1.2 鋼板中部缺陷的檢測

對于鋼板中部的超聲波自動檢測，標準要求采用φ6mm平底孔作為校準對比試塊。對比試塊人工缺陷尺寸為：平底孔深度包括t/2，t/4和3t/4；條形刻槽寬度深度包括t/2，t/4和3t/4。靜態(tài)校準要求以對比試塊上的平底孔產生的信號100%幅度作為設定設備的觸發(fā)/報警界限。動態(tài)校準要求采用人工或其他方式移動對比試塊或探頭，移動速度應大于或等于正常檢測速度，調節(jié)并設定靈敏度，使探頭均能檢測出對比試塊的人工缺陷，且能觸發(fā)報警系統(tǒng)。

通過這種探頭的排布完全可以保證鋼板中部超標缺陷被100%檢出。

1.3 鋼板母材分層缺陷的檢測

CDP-S-NGP-PL-013-2011-2《天然氣管道工程直縫埋弧焊管用熱軋鋼板通用技術條件》規(guī)定：對鋼板板邊50mm范圍內的分層進行100%檢測。生產雙面埋弧焊管用鋼板，板邊不允許存在分層、裂紋、收縮孔隙等缺陷，鋼板縱側兩邊不允許存在擴展到坡口面的分層缺陷。因此，鋼板縱側邊50mm范圍內的分層均視為缺陷，生產焊管前應徹底切除包含該類缺陷的鋼板。

為了能100%檢測出這種存在于鋼板縱側邊50mm范圍內的分層缺陷，在進行鋼板探傷時，邊探位置增加2組（鋼板兩邊各1組）四合一探頭（3個雙晶直探頭和1個斜探頭）。四合一探頭如圖2所示。探傷過程中，四合一組合探頭沿板邊固定不動，通過鋼板運動來實現(xiàn)超聲波檢測。

圖2 分層缺陷檢測時采用的四合一探頭

通過該探頭的應用完全可以保證鋼板板邊50mm范圍內母材分層缺陷100%被檢出。

1.4 鋼板母材非分層缺陷的檢測

為了保證鋼板板邊200mm范圍內母材非分層缺陷100%的檢出，降低鋼板制管后焊縫兩邊的裂紋、收縮孔隙和母材夾雜等缺陷，在鋼板超聲波檢測時，板邊增加12組（鋼板兩側邊各6組）斜探頭、三合一組合探頭（如圖3所示）、二合一組合探頭（如圖4所示），以及1組斜探頭在四合一組合探頭上（如圖2所示）。

圖3 三合一組合探頭

圖4 二合一組合探頭

2 鋼管超聲波自動檢測

CDP-S-NGP-PL-006-2011-2《天然氣管道工程鋼管通用技術條件》要求，焊縫全長全璧厚區(qū)域包括焊縫兩側25mm范圍內的母材應進行100%超聲波檢測。

2.1 檢測方法

南京巨龍鋼管有限公司采用德國KD超聲波串列式焊縫探傷裝置對鋼管焊縫進行超聲波檢測，可檢測鋼管的直徑為508～1 422mm，壁厚為 6.0～40.0mm， 長度為 8 000～12 000mm。

對焊縫進行超聲波檢測時，以焊縫為軸線排列探頭固定導向系統(tǒng)（如圖5所示）。該探測系統(tǒng)共有18個探頭，兩套 L縱向檢測系統(tǒng)（共4個探頭）獨立檢測焊縫區(qū)和焊縫鄰近1.6mm的內部和外部縱向缺陷。一套Q橫向檢測系統(tǒng)（共2個探頭）檢測焊縫和鄰近1.6mm橫向缺陷。兩套D分層檢測系統(tǒng)（共4個探頭）通過噴水耦合檢測焊縫兩側25mm范圍內母材的分層缺陷。兩套L和T串聯(lián)檢測系統(tǒng)（共8個探頭）檢測焊縫中部缺陷，探頭距離可根據(jù)壁厚和反射角調節(jié)。

圖5 探頭固定導向系統(tǒng)

該裝置探傷準確度高，誤報率低，最高探傷速度可達18 m/min，管端盲區(qū)最小為50mm，且檢測速度快，成本低。該裝置能夠有效檢測出鋼管焊縫缺陷和焊縫兩側25mm范圍內的母材缺陷。

2.2 超聲波檢測靈敏度

超聲波自動探傷是對鋼管整條焊縫、熱影響區(qū)以及焊縫兩側25mm范圍內母材的探傷，且鋼管管端盲區(qū)小于150mm。超聲波對比樣管應具有8個N5刻槽，1個位于焊縫上的φ1.6mm豎通孔，1個位于焊縫中心的φ3.2mm水平孔和4個平底孔。8個N5刻槽分別為：縱向2個位于外焊縫邊緣，2個位于內焊縫邊緣，其余2個位于內外焊縫上且分別平行于焊縫；橫向2個位于焊縫內外表面且垂直于焊縫。N5刻槽之間要有足夠間隔，寬度1mm，長度50mm。φ1.6mm豎通孔用于各探頭靈敏度的確定，N5刻槽用于相應探頭檢測范圍以及對內外表面的檢測能力，焊縫中心的φ3.2mm水平孔用于串列探頭的檢測能力平底孔用于相應探頭對分層的檢測能力。

鋼管探傷時，再補償2 dB靈敏度，以加強檢測靈敏度。超聲波對比樣管如圖6所示，圖中a，b和c為焊縫外表面縱向N5刻槽，g，h和i為焊縫內表面縱向N5刻槽，d和f為焊縫內/外表面橫向N5刻槽，e為焊縫中心的φ1.6mm豎通孔，j為焊縫中心的φ3.2mm水平孔，k，l，m和n為φ 6mm平底孔。

圖6 超聲波對比樣管示意圖

2.3 管端超聲波檢測

2.3.1 管端焊縫檢測

CDP-S-NGP-PL-006-2011-2《天然氣管道工程鋼管通用技術條件》要求，對于所有鋼管超聲波自動檢測存在的管端盲區(qū)，至少應在距管端300mm范圍內再次采用手動超聲波進行檢測。因此，將管端焊縫檢測分為縱向檢測、橫向檢測以及串列式檢測?？v向檢測根據(jù)壁厚采用不同的探頭進行檢測，橫向檢測利用2.5P8×12K1或者雙晶片K1探頭進行檢測。雙晶片K1探頭如圖7所示。橫、縱向檢測靈敏度校驗以φ1.6mm豎通孔波高80%為準。串列式檢測通過串列式檢測裝置采用兩個2.5P8×8K1探頭一發(fā)一收進行檢測，檢測靈敏度校驗以焊縫中心φ3.2mm水平孔波高80%為準，串列式檢測裝置結構如圖8所示。

圖7 雙晶片K1探頭結構示意圖

圖8 串列式檢測裝置結構示意圖

2.3.2 管端母材分層檢測

CDP-S-NGP-PL-006-2011-2《天然氣管道工程鋼管通用技術條件》要求：管端25mm范圍內、坡口面上及管端焊縫300mm縱焊縫兩側不允許存在分層，擴展到鋼管表面、坡口面上、距焊縫兩側25mm范圍內的分層均視為缺陷，有這種缺陷的鋼管應切除，直到去除這種分層為止。

按照標準要求，對管端25mm及管端焊縫300mm縱焊縫兩側范圍內母材進行檢測，采用雙晶直探頭，檢測靈敏度校驗以的平底孔波高80%為準。

2.3.3 管端坡口面檢測

CDP-S-NGP-PL-006-2011-2《天然氣管道工程鋼管通用技術條件》要求：每根鋼管管端端面應采用專用超聲波、滲透或磁粉法檢查是否存在延伸到管端面的分層和裂紋缺陷。

根據(jù)鋼管管端坡口面缺陷特征，南京巨龍鋼管有限公司研究出一種檢測鋼管管端坡口面缺陷的專用探頭。該探頭利用超聲波橫波和縱波的特征，將兩種波形特征結合在一起進行檢測。管端坡口面橫、縱波專用探頭（LS型）結構如圖9所示。

2.3.4 管端母材非分層檢測

高鋼級雙面直縫埋弧焊管在預彎、成型和擴徑等生產過程中，很容易產生線性裂紋，為了保證鋼管質量，在檢測過程中必須要有針對性的進行缺陷檢測。QSY GJX 122—2013《天然氣輸送管道用X90鋼級直縫埋弧焊管技術條件》要求：對管端100mm范圍內進行100%非分層缺陷檢測。

圖9 管端坡口面橫、縱波專用探頭（LS型）結構示意圖

如果采用普通探頭檢測，由于探頭晶片尺寸較小，覆蓋面積不大，檢測時間長，效率低。因此，依據(jù)超聲波檢測原理及高鋼級焊管容易出現(xiàn)的缺陷特征，研制出一種超大型晶片K1探頭，其結構如圖10所示。該探頭晶片尺寸為10mm×40mm×2mm，有效保證了焊管母材檢測的覆蓋面積，提高了檢測效率，確保100%檢測出母材非分層缺陷。檢測靈敏度校驗以N5刻槽，槽深度為壁厚的5%，以波高80%校驗靈敏度為準。

圖10 超大型晶片K1斜探頭結構示意圖

3 結 論

（1）該套鋼板超聲波檢測系統(tǒng)能準確跟蹤鋼板并與鋼板表面良好耦合，減少漏探和誤探。檢測系統(tǒng)可靠性高，操作簡便，探傷人員容易掌握。尤其是鋼板邊部，利用6組探頭、18個通道，保證鋼板兩邊各200mm的100%橫波探傷和鋼板兩邊各100mm的100%縱波探傷。鋼板中部利用62組探頭、62個通道，保證鋼板中部在100%縱波探傷的前提下，對每個探頭探傷的有效區(qū)域均有15%的覆蓋。該檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了超聲波探傷自動化，提高了工作效率，保證了SAWL鋼管的母材質量，同時對鋼板軋制質量的分析也具有一定的參考價值。

（2）鋼管超聲波自動檢測設備是一套精密的4L/2Q/4D/8TL型系統(tǒng)，滿足ISO3183，API SPEC 5L及GB 9711等相關要求，實現(xiàn)了管體焊縫及焊縫兩側25mm范圍內母材100%超聲波探傷。

（3）雙晶片K1探頭、超大型晶片K1探頭、鋼管管端坡口面橫、縱波專用探頭（LS型）及串列式檢測裝置的使用，大大縮短了檢測時間，提高了生產效率，加強了檢測產品的質量控制，降低了鋼管的質量風險。

［1］API SPEC 5L，管線鋼管規(guī)范（第 45版）[S].

［2］CDP-S-NGP-PL-013-2011-2，天然氣管道工程直縫埋弧焊管用熱軋鋼板通用技術條件[S].

［3］CDP-S-NGP-PL-006-2011-2，天然氣管道工程鋼管通用技術條件[S].

［4］曹明，汪超，崔強， 等.多通道新型鋼板探傷設備的改造與應用[J].鋼管，2014(04)：127-129.

［5］中國特種設備檢驗協(xié)會.超聲波探傷（無損檢測Ⅱ級培訓教材）[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

［6］ASTM A435，鋼板超聲直射聲束檢測規(guī)范[S].

［7］GB/T 2970—1991，中厚鋼板超聲波檢驗方法[S].

［8］SY／T 6234.5—1999，石油天然氣工業(yè)水承壓鋼管無損探傷檢測方法 焊接鋼管制造用鋼帶/鋼板分層缺欠的超聲波檢測[S].

［9］汪超，成蕾，徐樹凱，等.E1155型多通道超聲波自動探傷儀系統(tǒng)在SAWL鋼管中的應用[J].鋼管，2012(03)：31-33.

［10］SY/T 6423.1~6423.7—1999，石油天然氣工業(yè)承壓鋼管無損檢測方法[S].

［11］ASTM E273，焊接鋼管焊接區(qū)超聲波檢驗標準操作方法[S].

［12］QSY GJX 122—2013，天然氣輸送管道用X90鋼級直縫埋弧焊管技術條件[S].

Ultrasonic Detection Quality Control for Large Diameter Longitudinal Weld Double-side Submerged arc Welded Pipe

WANG Chao1,WANG Cheng2,LIU Shengbin1,JIN Bo1，F(xiàn)AN Feng1
（1.CNPC Bohai Equipment Nanjing Julong Steel Pipe Co.,Ltd.,Nanjing 210061,China；2.Domestic Department of China Petroleum Pipeline Bureau,Langfang 065000,Hebei,China）

Aiming at technology requirements of relevant welded pipe standards used for petroleum and gas pipeline project,in this article,it respectively provided probe display,sensitivity setting and specific detection methods of all kinds of defects in ultrasonic detection of steel plate and welded pipe.The type characteristics of various defects existing in the steel and welded pipe type were analyzed;the special probes used in ultrasonic detection were designed.It also introduced acceptance standard and application method.The usage of dedicated probes and special probes increased online detection efficiency,reduced material wastage,and ensured welded pipe quality.

steel plate;welded pipe;weld;defect;ultrasonic inspection

TG115.28

B

1001－3938（2015）04-0057-05

汪超（1982—），男，湖北通城人，大學本科，工程師，主要從事無損檢測技術等工作。

2014-11-06

謝淑霞