基于漏磁內檢測的管道焊縫缺陷識別及應對策略研究

武要峰 史冠男 國 濱 孟祥吉 陳金忠

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

近年來油氣長輸管道事故頻發，焊縫失效作為主要原因之一，易對周邊人身財產安全和環境造成重大威脅，因此受到社會高度關注[1]。直接開挖檢測和焊縫射線底片復評是傳統的焊縫缺陷排查方法。由于長輸管道距離長、焊縫多、施工質量參差不齊，采用直接開挖檢測排查焊縫異常隱患不僅工作量大、不易實施，還不能完全反映整條管道的所有焊縫情況。另外，部分管道存在射線底片造假或無射線底片，且射線底片復審只能反映安裝階段管道焊縫的情況。因此，上述2 種方法都存在一定的局限性。隨著高清、超高清漏磁內檢測技術的出現，焊縫缺陷檢出率和尺寸精度得到大幅度提高，采用漏磁內檢測對管道焊縫缺陷進行識別、定位開挖及評價，逐漸成為油氣管道焊縫缺陷排查最直接有效的方法[2-5]。

目前，對于焊縫異常，國內外內檢測單位通常是對漏磁數據分析后，按照輕度、中度及重度進行簡單分級，再對焊縫異常選擇性地進行開挖驗證和無損檢測，最后根據檢測結果參照安裝驗收規范進行評價和指導修復。明顯地，在役管道采用驗收規范進行評價過于嚴苛。目前國內針對管體腐蝕缺陷的評價與修復的報道較多，而關于焊縫缺陷分類、評價及修復的報道較少。鑒于此，本文基于鋼管焊接類型和漏磁內檢測原理，系統地介紹不同類型焊縫漏磁信號特征和工程應用，并總結不同焊縫異常類型典型信號，然后梳理不同焊縫異常的評價方法、響應準則、修復方法，并提出相關建議，以期為焊縫缺陷識別、評價、響應及修復提供參考和技術支持。

1 油氣管道的焊縫類型

油氣管道的焊縫類型根據焊接特點可分為直焊縫、螺旋焊縫和環焊縫，其中直焊縫與螺旋焊縫為制管焊縫，環焊縫為現場施工焊縫。

1）直焊縫。直縫管直徑跨度比較大，在油氣管道應用中一般以中小管徑為主。直焊縫一般在制造廠進行焊接，焊接方法主要為自動埋弧焊、組合焊和電（阻）焊。埋弧焊一般采用自動埋弧焊接；組合焊主要采用熔化極氣體保護焊和埋弧焊，其中熔化極氣體用來保護焊縫不完全被埋弧焊道熔化；電（阻）焊是讓待焊板材邊緣通過機械加壓焊接在一起，再由感應電流或傳導電流流動的阻力產生焊接熱量完成焊接[6]。

2）螺旋焊縫。螺旋焊管直徑跨度較直縫管大，在油氣管道中一般以較大口徑為主。其制造方式是將鋼帶按一定的螺旋線角度（成型角）卷成管坯，然后將管縫焊接起來制成，它可以用較窄的鋼帶生產大直徑的鋼管。螺旋焊縫可選擇的焊接方法與直焊縫相似，鋼管制造廠一般以自動埋弧焊為主。

3）環焊縫。除了部分管件需要在工廠提前焊接外，大部分在施工現場焊接完成。因受到現場施工條件限制，口徑相對較小的管道環焊縫焊接形式為單面焊雙面成型，即采用氬弧焊打底與手工電弧焊蓋面的組合方式。較大口徑管道采取雙面焊雙面成型，焊接方法包含氬弧焊、埋弧焊及手工電弧焊。此外，部分老舊管道只采用手工電弧焊，焊接質量較差。環焊縫焊接質量影響因素較多，如焊接環境（溫度、濕度、風）、焊接工藝、焊縫接頭設計、質量控制等，因此油氣管道環焊縫施工質量參差不齊。

2 焊縫與焊縫缺陷的漏磁信號分析

2.1 焊縫典型信號分析及工程應用

●2.1.1 焊縫特征信號形成原理

油氣管道管壁具有高導磁性，管壁被磁化后其表面及近表面形成規律的漏磁場，漏磁檢測可利用傳感器檢測鐵磁性不連續處的磁場，對信號進行處理和分析，從而得出管道缺陷的尺寸信息[7]。焊縫的剖面圖如圖1 所示，管道焊縫區域存在余高、焊縫金屬成分及熱處理工藝與管道本體不同，導致焊縫與兩側母材的導磁性不連續，所以漏磁檢測時焊縫具有明顯的特征信號。

圖1 焊縫示意圖

圖2 為螺旋焊縫與環焊縫的漏磁信號圖。由圖2可知，環焊縫與螺旋焊縫因存在余高和材質不連續，信號特征明顯。圖2 中螺旋焊縫管管端150 mm 區域內無焊縫余高時，仍有明顯的信號，可證明焊縫與母材的材質不連續。

圖2 環焊縫與螺旋焊縫的漏磁信號圖

●2.1.2 不同焊縫類型的漏磁信號及工程應用

圖3 為不同類型焊縫的漏磁信號圖，其信號曲線是正弦（先增后減）還是余弦（先減后增）與漏磁檢測器磁鋼N 極與S 極的順序有關[8]。直焊縫漏磁信號如圖3（a）所示，信號分布與環焊縫垂直。基于漏磁檢測原理，周向采樣間距取決于傳感器物理間距，因此直焊縫清晰度較環焊縫與螺旋焊縫差。螺旋焊縫漏磁信號如圖3（b）所示，可看出該信號與環焊縫呈一定夾角。螺旋焊縫按其旋進方向可分為左螺旋和右螺旋。環焊縫漏磁信號如圖3（c）所示，該信號垂直于管道中心線。另外，環焊縫漏磁信號呈現單峰信號時，表示管壁增厚或者減薄，信號如圖4 所示。

圖3 焊縫漏磁信號圖

圖4 變壁厚漏磁信號圖

焊縫信號不僅可輔助金屬損失及其他特征信號識別，還能定位缺陷及估算金屬損失程度。首先，焊縫為金屬增加信號極性與金屬損失相反，因此可用于金屬損失信號識別，也可用于判定其他管道特征；其次，可用于判定管道壁厚是否變化，從而可對管道按壁厚進行分段評估及剩余壽命預測；最后，可對比焊縫和金屬損失的峰峰值，通過牽拉數據、開挖數據創建和優化評價模型，精準地評價金屬損失深度。

2.2 焊縫缺陷分類及漏磁信號分析

●2.2.1 焊縫異常原因及分類

油氣管道焊縫異常根據生成的時間不同可分為3個階段：制造過程、安裝過程和使用過程。鋼管制造過程受制管廠質量管理體系、焊接工藝、無損檢測質量及是否進行制造監督檢驗等因素影響，可能會產生焊縫異常缺陷；管道安裝過程因受焊接條件、焊接方式、質量管理、無損檢測質量控制及是否進行安裝監督檢驗等因素影響，出現焊接異常的概率最大；管道服役過程中焊縫受輸送介質、陰保系統、外防腐層質量、土壤環境及第三方施工等影響，也可能形成焊縫異常及相關缺陷。

焊縫異常按缺陷的形狀與尺寸可分為體積型缺陷、面積型缺陷及外形不規則缺陷。體積型缺陷包括氣孔、夾渣、過度打磨、焊縫上的腐蝕及未焊滿等；平面型缺陷包括未焊透、未熔合、裂紋等；外形不規則缺陷包括錯邊、咬邊等[1]。

焊接缺陷按信號特點還可分為如下3 類：焊縫異常、焊縫附近的母材異常、不合理的焊接接頭及其他情況。

●2.2.2 焊縫缺陷典型信號

1）焊縫異常

焊縫異常是指焊接缺陷主要分布在焊縫、熔合區及熱影響區的焊縫缺陷。按焊縫類型可分為直焊縫異常、螺旋焊縫異常及環焊縫異常。

（1）直焊縫異常。直焊縫異常的主要缺陷形式為點狀焊縫缺陷[9]。受漏磁檢測技術清晰度的制約，直焊縫異常之前報道較少。現階段，高清及超高清漏磁檢測技術的出現可識別大量直焊縫異常。直焊縫異常缺陷如圖5（a）所示，分別為漏磁場信號垂直分量曲線圖和偽彩圖，圖中缺陷為點狀缺陷。

圖5 焊縫異常漏磁信號圖

圖5 焊縫異常漏磁信號圖（續）

（2）螺旋焊縫異常。大部分螺旋焊管出廠前需進行數字射線無損檢測，因此漏磁檢測過程中發現的焊縫異常主要為服役階段生成[10]。螺旋焊縫異常缺陷如圖5（b）所示，圖中缺陷為點狀缺陷。

（3）環焊縫異常。環焊縫因為大部分是現場焊接完成，焊縫質量與施工質量及服役環境息息相關。環焊縫異常缺陷如圖5（c）所示，圖中為坡口未熔合缺陷。

2）焊縫附近母材異常

焊縫附近母材異常主要可分為過度打磨和補口處腐蝕2 種。過度打磨一般發生在管道焊接前開坡口時，尤其是不同壁厚管道之間的焊接。圖6 為典型的過度打磨缺陷信號圖，圖中為異種壁厚鋼管焊接，右側彎頭比左側直管的壁厚大。補口處腐蝕的原因是管道環焊縫附近的補口位置防腐質量不合格，焊縫附近發生腐蝕。圖7 為典型的補口處腐蝕信號圖。

圖6 過度打磨缺陷漏磁信號圖

圖7 補口處缺陷漏磁信號圖

3）不合理的焊接接頭及其他情況

不合理的焊接接頭主要分為錯邊、斜接等，主要原因是施工設計不合理和現場施工質量不規范。圖8為焊縫斜接的漏磁信號圖。

圖8 焊縫斜接的漏磁信號圖

焊縫若受到應力集中，也會增加焊縫失效的風險，如強組對（碰死口）、返修口及焊縫上存在較大變形等。圖9 為螺旋焊縫附近存在凹陷的情況。

圖9 與焊縫相關的凹陷漏磁信號圖

3 焊縫缺陷評價與修復建議

3.1 油氣管道設計及驗收規范相關規定

關于新建長輸油氣管道，GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》[11]、GB 50253—2014《輸油管道工程設計規范》[12]中焊縫質量均要求應符合現行行業標準SY／T 4109—2020《石油天然氣鋼質管道無損檢測》[13]的有關規定，合格等級應為Ⅱ級或以上等級。另外，GB 50369—2014 《油氣長輸管道工程施工及驗收規范》[14]中規定，斜接角度不得大于3°，錯邊應小于等于壁厚的1／8，且連續50 mm 范圍內局部最大不應大于3 mm，且錯邊沿周長應均勻分布。

3.2 焊縫缺陷失效評價方法及響應準則

●3.2.1 工業管道含焊縫缺陷的評定

工業管道按照TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗規則——工業管道》對裂紋缺陷和焊接缺陷（咬邊、圓形缺陷、條形缺陷、未焊透、未熔合及錯邊）按照1～4級進行評定，最終根據管道的綜合情況進行安全狀況等級綜合評定[15]。

●3.2.2 國內外標準中焊縫缺陷失效評價方法

對于油氣管道焊縫缺陷，國內慣用的方法是參照設計及驗收規范進行評判，不合格的建議修復，顯然過于保守。國內外存在較多對焊縫缺陷進行失效評估的標準，國外標準有ASME B31G、BS 7910 和API 579-1／ASME FFS-1，國內標準有SY／T 6151、SY／T 6477 和GB／T 19624。根據焊縫缺陷類型不同，可參照表1 選擇標準進行失效評估，評價中涉及的缺陷尺寸可采用超聲技術測量[16-18]。

表1 焊縫缺陷評價指南

在評價過程中，材料參數如屈服強度、抗拉強度均可參照標準選取，而斷裂韌性Kmat需根據材料試驗值或CVN 值進行計算。國內油氣管道主要依據GB／T 9711 制造，其中PLS1 鋼管制造時沒有進行夏比V 型缺口（CVN）沖擊試驗，所以對在役管道進行評估存在一定的難度[6，17]。

●3.2.3 焊縫缺陷響應準則

關于焊縫缺陷評價標準較多，而對焊縫缺陷是否需要維修的指導標準相對較少，部分標準及建議見表2。此外，焊縫附近過度打磨和補口處腐蝕可參照管體腐蝕響應準則響應。

表2 焊縫缺陷響應準則

●3.2.4 油氣管道焊縫缺陷修復建議

油氣管道焊縫缺陷可參照表3中的標準進行修復。表3 所列標準中，B 型套筒修復方式可用于所有焊縫缺陷的永久性修復[19]。

表3 焊縫缺陷修復方式參考標準[19]

4 應對策略及建議

1）針對在役管道焊縫缺陷評估時，部分管道無CVN 值，無法計算材料斷裂韌性，不能進行面積型焊縫缺陷失效評估，建議管道制造出廠時，增加夏比V型缺口（CVN）沖擊試驗；

2）檢測機構收集現場開挖驗證的焊縫缺陷特征，加工焊縫缺陷試驗樣管，進行牽拉試驗，建立焊縫缺陷漏磁信號圖庫，對含缺陷樣管進行爆破試驗，獲得最大工作壓力和失效模式，為以后焊縫缺陷漏磁信號識別、失效評估提供技術支撐；

3）管道使用單位定期對油氣管道進行高清及超高清漏磁內檢測，并對焊縫缺陷進行數據對齊，了解缺陷生長情況，以便評估焊縫異常剩余使用壽命；

4）鋼管制造廠加強鋼管制造過程質量管理，提高制管焊縫的無損檢測比例，對于不合格焊縫及時返修，消除隱患；

5）安裝單位應加強鋼管運輸、入庫、敷設及安裝過程中的質量監管，對發生外力損傷的鋼管進行修復或切除，避免管道帶傷服役；

6）施工方應提高管道安裝現場焊接質量，選擇合適的施工工藝，嚴格按照安裝施工規范進行施工和檢測。

5 結論

1）根據油氣管道施工特點將焊縫分為直焊縫、螺旋焊縫和環焊縫3 類；

2）基于漏磁內檢測原理歸納出焊縫漏磁信號的特點，有利于缺陷評價和其他管道特征識別；

3）按照漏磁信號特點將焊縫缺陷分為焊縫異常、焊縫附近的母材異常、不合理的焊接接頭及其他情況，并得出不同類型焊縫缺陷產生的原因和信號特征，有利于焊縫缺陷的識別；

4）總結出焊縫缺陷在設計、施工驗收、失效評價、響應準則及修復建議方面的標準規范，有利于在役油氣管道焊縫缺陷評價與修復的實施；

5）為完善在役油氣管道焊縫缺陷漏磁信號識別及評價體系和減少焊縫缺陷提供相關建議，以期為焊縫缺陷隱患排查及保障油氣管道運行安全提供技術支持。