超聲波加相控陣超聲波技術(shù)在管道檢測中的應(yīng)用

王鄭，吳新團，楊愛萍

1.中國石油華東設(shè)計院有限公司（山東 青島 266071）

2.青島中油巖土工程有限公司（山東 青島 266071）

0 引言

壓力管道焊接施工結(jié)束后，為了保障管道的焊接質(zhì)量，根據(jù)GB/T 20801.5—2020《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道第5部分：檢驗與試驗》、GB 50517—2010《石油化工金屬管道工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》及設(shè)計文件等要求進行焊接無損檢測，來檢查發(fā)現(xiàn)管道焊口施工是否存在問題，也是施工質(zhì)量管理的重要步驟。目前無損檢測方式主要有：射線檢測（RT）、超聲檢測（UT）、磁粉檢測（MT）、滲透檢測（PT）[1]。《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道第5部分：檢驗與試驗》中規(guī)定管道名義壁厚小于或等于30 mm的對接接頭應(yīng)優(yōu)先采用射線檢測，所以現(xiàn)場施工比較常見的檢測方式是射線檢測，根據(jù)不同的管道壓力等級、接頭焊接方式，選擇不同焊縫檢測比例。

近年來，隨著科學(xué)水平的進步，可記錄的超聲波檢測方案逐漸成熟。在實際施工現(xiàn)場，受實際條件制約時，往往提出考慮改用超聲波檢測代替射線檢測，但具體什么情況可以代用，如何選擇代用方案，代用后如何保障對質(zhì)量的檢測結(jié)果，沒有相關(guān)明確的文件要求。

1 現(xiàn)場情況

某項目建設(shè)場地東側(cè)為柴油加氫裝置、北側(cè)為制氫裝置、西側(cè)為中二變電所、南側(cè)為控制室，施工場地與周圍裝置僅隔一條6 m 寬的道路，與周圍正在運行的裝置及操作人員距離太近。

在進行探傷檢測時，安全隔離區(qū)域涉及周邊共7 套裝置，附近相關(guān)裝置的巡檢及操作區(qū)域人員密集（操作人員平均人數(shù)57人）。

項目在進行壓力管道焊接射線檢測工作時，遇到以下困難：①現(xiàn)場施工需檢測的焊口數(shù)多、分布場地大，同時現(xiàn)場供檢測操作的空間狹小，不方便使用X 射線機檢測；②使用γ 源進行射線檢測時存在對周圍正在運行裝置的操作人員的輻射隱患。同時，因使用大活度γ 源進行射線檢測導(dǎo)致附近60×104t連續(xù)重整裝置再生器同位素儀表產(chǎn)生波動，影響裝置安全生產(chǎn)，射線檢測工作被叫停。

2 檢測方式的優(yōu)缺點

考慮實際條件的制約，需要通過對不同檢測方式分析，研究各檢測方式的優(yōu)點和缺點，調(diào)研學(xué)習(xí)已有檢測應(yīng)用成果，結(jié)合項目建設(shè)規(guī)模、實際現(xiàn)場的條件制約，組織研究討論，提出適合現(xiàn)場項目代替的檢測方案。

2.1 射線檢測（RT）

射線檢測作為管線焊接檢測的一種常見方式，主要通過使用射線對管線的穿透，以膠片接收，記錄射線對管道檢測的結(jié)果，在暗室中洗出底片，對比已知的射線檢測與管道焊接的關(guān)系，分析得出被檢測管道的焊接質(zhì)量問題[1-2]。

射線檢測的優(yōu)缺點比較明顯，適用于焊接問題的定性檢測，對壁厚小的管道檢測效果較好，并且檢測結(jié)果有底片作為資料，可隨工程文件保存。但缺點是不適用于厚壁管道的檢測，且射線對人員健康和環(huán)境有危害，在復(fù)雜環(huán)境條件下檢測成本和防護成本偏高、操作難度大、檢驗速度偏慢。

2.2 超聲檢測（UT）

超聲檢測主要通過超聲波在管道傳遞中波形變化來檢測管道的焊接質(zhì)量問題。

超聲波檢測主要適合用于檢測管線壁厚偏厚的管道內(nèi)部，可對較大壁厚的管道焊接問題進行檢測，適用于定位檢測；對人員健康和環(huán)境損害小，檢測成本低。受現(xiàn)場操作條件制約小，設(shè)備輕，便于操作，檢測速度快[3-5]。

但其缺點是不適用于定性檢測，難以準確定量；對壁厚小的管線檢測效果容易存在偏差，檢測結(jié)果受檢測人員技術(shù)水平和受檢測件的形狀影響，無法保證檢測成功率；常規(guī)超聲波檢測結(jié)果不可記錄，無直接資料可作為工程文件存檔。

2.3 磁粉檢測（MT）

磁粉檢測主要是利用管道內(nèi)焊接問題的位置對磁粉的吸附，在光照下會形成可見的跡象[6]。

磁粉探傷適用于管道焊縫表面或近表面的質(zhì)量問題檢測，通過目測不容易看出的間斷性問題。

2.4 滲透檢測（PT）

滲透檢測主要是采用滲透劑對焊接問題位置處的滲透，結(jié)合顯像劑和特定光照，發(fā)現(xiàn)管道焊接的質(zhì)量問題。

滲透檢測的優(yōu)點是敏銳度反應(yīng)較高，操作方便。缺點是它只適用于焊縫表面開口缺陷、非多孔性材料的檢測，對焊接內(nèi)部問題無法做出定量評價，并且對檢測人員要求較高，檢出結(jié)果受檢測人員技術(shù)水平影響較大。

3 方案討論

目前，對于現(xiàn)場射線檢測存在難度的情況，多采用超聲波檢測代替[7-8]。對于本項目初步提出超聲波檢測代替，但存在兩方面問題：①普通超聲波檢測無可供保留的見證記錄，無法作為資料存檔長期保存；②普通超聲波對于壁厚管的檢測效果無法保證，根據(jù)規(guī)范給出的范圍，超聲波多用于壁厚超過30 mm 的檢測代替，對于小于或等于30 mm 的壁厚管檢測是否可以代替，國內(nèi)規(guī)范沒有給出明確要求，而對于小于或等于30 mm 的厚壁管檢測效果更考驗檢測人員的技術(shù)。

經(jīng)過調(diào)查研究，超聲波相控陣檢測方法目前已在多地的石油煉化項目中成功應(yīng)用[10-13]。伴隨高科技的快速進步，超聲波相控陣檢測正逐漸投用到管道焊接檢測中，既有檢測結(jié)果資料可供存檔，又減少了制作暗室成本，避免處理膠片時所用藥劑對人體健康可能造成的損害[14-18]。

根據(jù)對美國國家標準ASME B31.1—2010《動力管道》和ASME B31.3—2016《工藝管道》的研究，結(jié)合現(xiàn)場對相控陣檢測結(jié)果的檢驗，提出3D相控陣超聲波檢測可用于壁厚大于等于13 mm的對接環(huán)焊縫的代替檢測。

4 檢測效果對比

以DN 219.1 mm×20.62 mm管道為例，對比射線檢測與3D 相控陣檢測結(jié)果，如圖1、圖2、圖3。其中3D 圖譜相當(dāng)于RT 4-5、5-6、6-1 位置，與RT 位置略有誤差。3D 圖譜顯示在130.2 mm 位置有一處根部未熔合缺陷，位置相當(dāng)于RT5-6，該根部未熔合位置和形狀兩種檢測方法均相同，但長度不同，RT25 mm、3D42 mm。

圖1 3D檢測布置圖

圖2 RT檢測布置圖

圖3 3D橫波——連續(xù)掃查分析界面

5 檢測代替方案

由于某項目中高空壁厚管道需要施工的焊接接頭數(shù)量多、位置分布范圍大，受現(xiàn)場條件制約嚴重，采用射線檢測的難度大，出于對操作人員的安全考慮，提出采用超聲波相控陣檢測方法代替[19-21]。

考慮項目附近裝置的巡檢及操作人員以及高空作業(yè)時的作業(yè)人員安全，并保障焊接質(zhì)量檢測結(jié)果[22-24]，經(jīng)過研討和調(diào)研，對超聲波相控陣檢測代替方案提出要求：

1）對于管徑大于等于168 mm 且壁厚大于等于13 mm 的對接環(huán)焊縫，采取常規(guī)超聲波加相控陣超聲波檢測的方式，對不銹鋼材質(zhì)管道，增加100%滲透檢測，其他采取射線檢測。

2）常規(guī)超聲波加相控陣超聲波檢測結(jié)果按照NB/T 47013.3—2015標準的要求出具超聲波檢測報告，并附超聲波相控陣圖譜。

3）為確保常規(guī)超聲波加相控陣超聲波檢測質(zhì)量，對采用相控陣檢測過的焊口進行第四方射線或超聲波復(fù)檢，檢測比例為10%。

4）對于超聲波相控陣代替射線檢測的使用條件加以限制，“條件限制”是指射線檢測作業(yè)距“人員密集區(qū)”太近，達不到檢測作業(yè)安全距離范圍，或因焊縫位置的限制，無法進行射線檢測作業(yè)及不能全焊縫進行射線檢測的情況[25-28]。

6 結(jié)束語

管道接頭焊口的焊接檢測是壓力管道施工焊接質(zhì)量檢測的要求，也是施工管理的關(guān)鍵手段。管道的壓力等級不同、壁厚不同、所用的焊接形式不同，可能存在的質(zhì)量問題也不一樣，質(zhì)量驗收規(guī)范中對于不同的壓力管道、不同的管道焊接接頭形式有不同的標準要求。在實際施工中，現(xiàn)場實際條件也不一樣，需要根據(jù)規(guī)范要求，結(jié)合各種檢測的優(yōu)缺點、操作條件限制，優(yōu)化選用合適的檢測方式。提出代替的檢測方案需要提出具體要求限制，保障對施工焊接質(zhì)量檢測的要求。