PAUT在長輸天然氣管道環(huán)焊縫檢測中的應(yīng)用實踐

田紹偉，劉春雨，王大慶，于洋，馬飛龍

1.中國石油西氣東輸管道銷售公司 （福建 廈門 361004）

2.重慶科技學院 石油與天然氣工程學院 （重慶 401331）

3.廊坊中油朗威工程項目管理有限公司 （河北 廊坊 065000）

4.中國石油天然氣股份有限公司 天然氣銷售江蘇分公司 （江蘇 南京 210000）

0 引言

無損檢測技術(shù)在天然氣長輸管道環(huán)焊縫檢測中得到了廣泛應(yīng)用。常規(guī)射線檢測(RT)可以獲得缺欠的直觀圖像，定性準確，對長度、寬度尺寸的定量也比較準確，對體積型缺欠（氣孔、夾渣、咬邊、凹坑等）檢出率高；但對面積型缺欠（未熔合、裂紋等）容易漏檢，對缺欠在焊縫中厚度方向的位置、尺寸（高度）的確定比較困難。常規(guī)超聲波檢測（UT）對缺欠定位較準確，對面積型缺欠的檢出率較高，但缺欠的位置、取向和形狀對檢測結(jié)果有一定影響。相控陣超聲波檢測（PAUT）在UT的基礎(chǔ)上擁有多角度的超聲波，并具有多種顯示方式，可以準確確定缺欠的長度、深度和高度，對于未熔合方向性較強的面狀缺欠，多角度探頭的PAUT優(yōu)于RT、UT[1]。

在某天然氣長輸管道工程建設(shè)項目中，為保證焊縫質(zhì)量，對管道直管-熱煨彎管、連頭段、穿越段管道環(huán)焊縫同時實施了PAUT 和RT。在進行焊縫驗收時參照SY/T 4109—2013《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測》中常規(guī)超聲檢測的驗收評價標準和企業(yè)驗收標準執(zhí)行，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PAUT 檢測的環(huán)焊縫出現(xiàn)了過量返修情況，分析其原因在于質(zhì)量分級對反射波幅超III區(qū)的缺欠僅考慮波幅，而沒有考慮缺欠長度和高度的因素[2]。為此，從耦合補償、缺欠的長度、高度測量等方面對PAUT 應(yīng)用提出改進措施，旨在更有效地利用此技術(shù)控制管道環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量。

1 RT、PAUT檢測原理及其應(yīng)用

RT 是利用X 射線在介質(zhì)中傳播時的衰減特性，當將強度均勻的射線從被檢件的一面注入其中時，由于缺欠與被檢件基體材料對射線的衰減特性不同，透過被檢件后的射線強度將會不均勻，用膠片照相、熒光屏直接觀測等方法在其對面檢測透過被檢件后的射線強度，即可判斷被檢件表面或內(nèi)部是否存在缺欠[3]。

UT是聲源產(chǎn)生超聲波，采用一定的方式使超聲波進入被檢件，超聲波在被檢件中傳播與被檢件材料及其中的缺欠相互作用，使其傳播方向或特征被改變，改變后的超聲波通過檢測設(shè)備被接收，并可對其進行處理和分析，再根據(jù)接收的超聲波特征，評估被檢件本身及其內(nèi)部是否存在缺欠及缺欠特性[4]。PAUT 和UT 檢測原理相似，都是基于脈沖反射法的原理，但PAUT 同時擁有多角度的超聲波，就相當于擁有多種角度的探頭同時工作，超聲波聲束靈活可控，對被檢件能多角度、多方位掃查，從而可有效降低缺欠漏檢概率，提高檢測效率和檢測結(jié)果的可靠性[5]。

某標段Φ813 mm×14.3 mm 管道按焊接工藝規(guī)程共完成了焊口7 000道，遵循SY/T 4109—2013《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測》和企業(yè)標準的要求，對7 000 道焊口實施了RT 檢測，評定合格率為96%（返修280道）；對3 200道焊口實施了PAUT檢測，評定合格率90%（返修320 道）。在兩種檢測方式下均被檢出不合格的焊口有65道，占不合格焊口總數(shù)的12%。PAUT檢測出的280道不合格焊口中，有35道焊口缺欠長度超過了標準規(guī)定，其余245 道焊口其缺欠的反射波幅超過判廢線位于III區(qū)，但大多數(shù)缺欠的指示長度僅為4～10 mm，高度僅為1～3 mm。而根據(jù)SY/T 4109—2013 第6.9.3 條規(guī)定，最大反射波幅位于III 區(qū)的缺欠，無論指示長度和高度如何，均評為IV級[2]。

2 PAUT檢測改進方法及成效

結(jié)合某標段現(xiàn)場焊口返修實際情況，若僅考慮反射波幅的因素，SY/T 4109—2013 第6.9.3 條規(guī)定不適用于PAUT 質(zhì)量分級評定，應(yīng)考慮缺欠長度和高度的因素。為此從耦合補償、增加缺欠長度和高度評定焊縫缺欠等級提出改進措施，避免焊口過量返修。

2.1 調(diào)整耦合補償，降低最大反射波幅

根據(jù)SY/T 4109—2013《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測》第6.4.2 條“在試塊上調(diào)節(jié)儀器和在現(xiàn)場檢測對接接頭時，應(yīng)采用相同的耦合劑”[2]。實際檢測中，試塊上調(diào)節(jié)儀器使用機油，現(xiàn)場檢測使用水作為耦合劑。為此，需要耦合補償實測驗證是否需要在試塊與環(huán)焊縫之間的表面進行耦合補償。

經(jīng)耦合補償測試，在對比試塊上使用機油作為耦合劑檢測Φ2 mm×20 mm 長橫孔最大反射波幅為6.2 dB（圖1），相同條件下在對比試塊上使用水作為耦合劑檢測Φ2 mm×20 mm 長橫孔最大反射波幅為6.2 dB（圖2），在補償模擬試塊上使用水作為耦合劑檢測Φ2×20 mm長橫孔最大反射波幅為6 dB（圖3）。

圖1 機油耦合標準試塊

圖2 水耦合對比試塊

根據(jù)3 組測試的結(jié)果，最大反射波幅差為0.2 dB，根據(jù)GB/T 32563—2016《無損檢測超聲檢測相控陣超聲檢測方法》第10.4.7條“工件的表面耦合損失和材質(zhì)衰減應(yīng)與試塊相同，否則應(yīng)進行傳輸損失補償。在所采用的最大聲程內(nèi)最大傳輸損失差小于或等于2 dB 時可不進行補償”。因此，在現(xiàn)場檢測過程中不應(yīng)進行耦合補償[6]。

圖3 水耦合補償模擬試塊

2.2 補充PAUT驗收標準附加條款

該標段長輸天然氣管道在RT 檢測合格的情況下，按照GBT 32563—2016《無損檢測超聲檢測相控陣超聲檢測方法》進行檢測，依據(jù)SY/T 4109—2013《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測》進行驗收，對PAUT圖譜波幅超判廢線1～3 dB 的缺欠多為點狀缺欠，長度基本在10 mm 以內(nèi)，最小甚至只有4 mm，經(jīng)現(xiàn)場對此類超標缺欠進行打磨返修其缺欠性質(zhì)判定為層間、坡口未熔合和點狀夾渣（圖4）（依據(jù)射線檢測評定標準對于夾層未熔合的缺欠，單個最長可達12.5 mm[2]），其危害性較小。

若采取返修，修復方法就是對返修部位進行熱處理，返修部位周圍的金屬組織發(fā)生變化，返修部位焊縫強度隨之下降，整個焊縫存在薄弱部位，風險變大。上述點狀缺欠由于體積較小，肉眼難以判斷，焊工對缺欠位置打磨時若未能發(fā)現(xiàn)缺欠，會進一步擴大打磨范圍，確保缺欠能夠除去，擴大打磨范圍的返修會進一步降低焊縫整體強度。

圖4 點狀缺欠

根據(jù)某標段項目檢測的經(jīng)驗總結(jié)，在SY/T 4109—2013基礎(chǔ)上增加附加條款作為PAUT 驗收標準：若TOFD 不能夠測量缺欠高度，缺欠最大反射波幅超III 區(qū)時，按照標準9.3.2 條評為IV 級；若TOFD能夠測量缺欠高度，則無論最大反射波是否超III區(qū)，根據(jù)B型顯示、S型顯示、A型顯示測量缺欠高度和長度，按照缺欠長度和高度質(zhì)量分級要求進行評定。

經(jīng)過調(diào)整，在檢測復評中，若執(zhí)行SY/T 4109—2013標準，將有5道焊口需要返修，而執(zhí)行新的規(guī)定僅有1道口需要返修（表1）。

表1 PAUT復評焊口總數(shù)及存疑口統(tǒng)計

續(xù)表1 PAUT復評焊口總數(shù)及存疑口統(tǒng)計表

3 結(jié)論

在某標段管道工程項目環(huán)焊縫檢測中，對PAUT 檢測數(shù)據(jù)直接按照SY/T 4109—2013《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測》中常規(guī)超聲檢測驗收評定，出現(xiàn)了檢測合格率低、焊口過量返修的情況。通過實驗對比機油和水作為耦合劑，結(jié)合現(xiàn)場280道焊口返修缺欠情況，得出如下結(jié)論：

1）用油和水作為耦合劑，通過標準試塊、對比試塊、模擬試塊的耦合補償測試，最大反射波幅差為0.2 dB，說明現(xiàn)場用水作為耦合劑檢測時不應(yīng)進行耦合補償。

2）通過與RT 檢測結(jié)果比對以及現(xiàn)場返修時實際對照缺欠情況，PAUT 圖譜波幅超判廢線多為點狀缺欠危害性較小，若TOFD 不能測量缺欠高度，則按照SY/T 4109—2013標準9.3.2評定；若TOFD能夠測量缺欠高度，則無論最大反射波是否超III 區(qū)，根據(jù)B、S、A 型顯示測量缺欠高度和長度，并按照缺欠長度和高度質(zhì)量分級要求進行評定。