谷青悅 劉純婧 林智敏

1. 北京斯派克工程項目管理有限責任公司, 北京 100083; 2. 中國石油第七建設有限責任公司, 山東 青島 266000; 3. 莆田學院土木工程學院, 福建 莆田 351100

0 前言

近幾年，中國長輸管道事故頻發(fā),在投入運行很短的時間里就出現(xiàn)了水工保護損壞、防腐層出現(xiàn)漏點等現(xiàn)象,因此,如何從施工源頭治理質(zhì)量隱患至關重要。

2017年某天然氣管道發(fā)生泄漏事故，造成天然氣放空270×104m3,經(jīng)濟損失約721萬元。經(jīng)調(diào)查天然氣泄漏的環(huán)焊縫6點鐘位置出現(xiàn)貫穿性裂紋,裂紋長度118 mm[2]；在焊縫內(nèi)表面沿著熔合線開裂,外表面裂紋位于焊縫中心,長度43 mm。外觀檢測結(jié)果顯示，事故管段壁厚、管徑尺寸與公稱尺寸一致,說明開裂管段沒有受到外來載荷作用,且環(huán)焊縫開裂前沒有產(chǎn)生明顯的變形。裂紋檢測分析表明,根焊處存在未融合[3],6點鐘位置焊道內(nèi)部存在原始裂紋,分析應為焊接過程中產(chǎn)生的熱裂紋。管道在服役過程中,裂紋從根焊未融合處開裂,由內(nèi)壁向外壁擴展,與內(nèi)部原始裂紋貫通,在內(nèi)應力作用下擴展到外壁,最終導致環(huán)焊縫開裂失效[4]。

長輸管道焊接質(zhì)量以及檢測方式直接影響管道運行安全[5],本文依據(jù)現(xiàn)行標準對PAUT檢測、RT檢測的優(yōu)缺點和評判原則進行對比,采取案例研究的形式以某長輸管道項目作為研究樣本,分析PAUT檢測和RT檢測檢出缺陷對比、力學性能對比,得出實證研究結(jié)論。

1 檢測方式的原理及特點

1.1 RT檢測原理及特點

RT檢測是材料中如果存在缺陷會影響射線的吸收,透過射線強度發(fā)生變化后使用底片測量變化情況。被檢工件中存在缺陷部位的射線強度與無缺陷部位的射線強度不同,曝光后底片黑度不同,經(jīng)過顯影、定影、水洗、干燥后可在觀片燈上通過底片圖像確定缺陷的種類、位置及大小[6]，見圖1。

圖1 RT檢測方式原理

根據(jù)RT檢測原理及實際檢測過程發(fā)現(xiàn)RT檢測存在如下特點[7]:

1)RT是利用X射線穿透被檢焊縫時強度衰減的不同來檢測焊縫中缺陷。

2)缺陷自身高度、缺陷方向與X射線投射方向的關系均會影響RT檢出率,當射線方向與未熔合角度大于15°時,對比度降低,檢出率降低,易漏檢。

3)當射線方向與未熔合缺陷方向一致時，對比度最大,檢出率最高，見圖2中①和③。

4)當射線方向與未熔合缺陷方向差別較大時,對比度小,易漏檢，見圖2中②和④。

圖2 RT檢測效果與缺陷方向關系

1.2 PAUT檢測原理及特點

全自動相控陣超聲波檢測系統(tǒng)(PAUT),采用分區(qū)掃查模式,通過控制晶片的激發(fā)時間,形成不同角度的波束,實現(xiàn)對各自分區(qū)的單獨掃查,從而實現(xiàn)整個焊縫的整體掃查[8]，見圖3。

圖3 PAUT分區(qū)掃查

PAUT檢測有如下特點[9]:PAUT檢測將焊縫在垂直方向上分成若干個分區(qū),每個分區(qū)采用不同的聚焦方案進行檢測,輔以體積通道和TOFD通道,實現(xiàn)整個焊縫的全覆蓋。PAUT檢測不僅能夠測量缺陷的長度,還能測量缺陷的高度[10]。

1.3 RT檢測與PAUT檢測技術(shù)和評判原則對比

RT檢測的檢測體積型缺陷能力很強[11],檢測面積型缺陷能力較弱;PAUT檢測偶爾會出現(xiàn)缺陷漏檢焊縫內(nèi)部較小的體積型缺欠[12]。

PAUT檢測和RT檢測在管道環(huán)焊縫檢測上是互補的無損檢測方法:

RT檢測能很好地檢測體積型缺欠，很難檢測間距近的平面缺欠[13]。

PAUT檢測能很好地檢測面積型缺欠，有缺陷高度定量能力，TOFD和體積通道有效解決了難以掃查體積型缺欠的不足。設置得當?shù)腜AUT檢測可對管道環(huán)焊縫進行最敏感、最完整和最快速的檢測[14]。

除在檢測技術(shù)方面存在差異外,RT檢測及PAUT檢測評判原則也存在差異。目前自動焊口評判執(zhí)行GB/T 50818-2013《石油天然氣管道工程全自動超聲波檢測技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱GB/T 50818-2013)和SY/T 4109-2013《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測》(以下簡稱SY/T 4109-2013)復驗工藝[15],兩者主要差異見表1。

表1 評判原則對比

缺陷類型GB/T 50818-2013SY/T 4109-2013表面未熔合不允許不允許埋藏未熔合1)當分區(qū)髙度小于或等于2.5 mm時,缺欠自身高度大于2.5 mm,當分區(qū)高度大于2.5 mm時,缺欠自身高度大于分區(qū)高度,不合格;2)單個缺欠長度超過25 mm或在任何連續(xù)300 mm的焊接接頭長度中,缺欠顯示累計長度超過50 mm,不合格;3)內(nèi)部線型缺欠的累計長度超過焊縫長度的8 ,不合格單個缺欠長度≤12.5,合格任何連續(xù)300 mm的焊縫長度內(nèi),其累計長度不應超過25 mm,合格單個氣孔1)單個體積型相關顯示的最大尺寸大于6 mm或超過較薄側(cè)母材厚度的1/3,不合格;2)單個根部體積型開口相關顯示的最大尺寸大于6 mm,在任何連續(xù)300 mm的焊接接頭長度中,其累計長度大于13 mm,不合格密集氣孔密集體積型相關顯示區(qū)的最大尺寸大于13 mm不合格母材厚度>15～25 mm氣孔數(shù)量≤9個點,合格母材厚度>25～50 mm氣孔數(shù)量≤12個點,合格裂紋不允許不允許

2 PAUT檢測與RT檢測實例效果對比

2.1 PAUT檢測與RT檢測檢出缺陷對比分析

表2PAUT檢測與RT檢測對比

序號檢測單位PAUT檢測焊口/道RT檢測焊口/道PAUT檢測與RT檢測不一致焊口/道PAUT檢測與RT檢測不一致焊口所占比例/()1A7 7552 39133113.842B7 0792 1892019.183C3 4101 07412111.274D7 7592 5731756.805E8 9052 2851295.656F5 8311 321292.20合計40 73911 8339868.33

表3PAUT檢測與RT檢測評定對比

序號檢測單位PAUT檢測、RT檢測焊口/道PAUT檢測與RT檢測不一致焊口總數(shù)量/道RT檢測評為缺陷PAUT檢測評為合格PAUT檢測評為缺陷RT檢測評為合格數(shù)量/道所占比例/()數(shù)量/道所占比例/()1A2 39133125075.58124.52B2 18920112863.77336.33C1 0741219477.72722.34D2 5731759353.18246.95E2 2851298062.04938.06F1 321291758.61241.4合計11 83398666267.132432.9

表4PAUT檢測和RT檢測缺陷對比

序號檢測單位PAUT檢測、RT檢測焊口/道RT檢測評為缺陷而PAUT檢測評為合格總數(shù)量/道未熔合氣孔數(shù)量/道所占比例/()數(shù)量/道所占比例/()1A2 39125016164.408935.602B2 1891288163.284736.723C1 074945861.703638.304D2 573935154.844245.165E2 285803138.754961.256F1 32117847.06952.94合計11 83366239058.927241.1

表5PAUT檢測及RT檢測檢出對比

序號檢測單位PAUT檢測、RT檢測焊口/道PAUT檢測評為缺陷而RT檢測評為合格焊口總數(shù)量/道RT檢出RT未檢出數(shù)量/道所占比例/()數(shù)量/道所占比例/()1A2 391815871.602328.402B2 189732635.624764.383C1 074271140.741659.264D2 573823340.244959.765E2 285491326.533673.476F1 32112758.33541.67合計11 83332414845.717654.3

由表5可知，RT檢測評為不合格的缺陷,在PAUT檢測中均有顯示,但由于驗收標準差異,導致兩者評判結(jié)果不同；PAUT檢測評判為不合格的未熔合缺陷在RT檢測中存在漏檢；PAUT檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷總體大于RT檢測的缺陷。

2.2 焊接工藝力學性能分析

某長輸管道項目1機組在百口磨合階段存在6道RT檢測不合格而PAUT檢測合格的焊口(包括1道氣孔點數(shù)超標和5道未熔合長度超標),為進一步分析RT檢測不合格、PAUT檢測判定合格的缺欠是否影響焊縫質(zhì)量,從中選擇RT檢測未熔合長度最長的焊口進行試驗。該焊口RT檢測未熔合長度超標,判定為Ⅳ級;PAUT檢測數(shù)據(jù)中A掃波幅有顯示但未達到評定閘門[19],缺陷為填充6的缺陷,TOFD中的盲區(qū)位置,B掃通道(V3 U)有明顯顯示,但不超標,PAUT檢測判定為合格。

不含缺陷與含缺陷的環(huán)焊接頭橫向拉伸性能試驗情況,見表6～7。

表6 (不含缺陷)環(huán)焊接頭橫向拉伸性能

試樣編號試樣規(guī)格/mm2取樣方向抗拉強度?Rm㊣/MPa斷裂位置063#焊縫-T121.4×25橫向743母材063#焊縫-T221.4×25橫向734母材 注:Q/SYGD 0503.12-2016要求:試塊的測試抗拉強度≥母材規(guī)定的最小抗拉強度。

表7 (含缺陷)環(huán)焊接頭橫向拉伸性能

試樣編號試樣規(guī)格/mm2取樣方向抗拉強度?Rm㊣/MPa斷裂位置063#焊縫-T121.4×25橫向756母材 注:Q/SYGD 0503.12-2016要求:試塊的測試抗拉強度≥母材規(guī)定的最小抗拉強度。

由表6～7可知，試驗結(jié)果表明含有該種特征缺陷對環(huán)焊縫的拉伸性能沒有明顯影響。

環(huán)焊接頭低溫夏比沖擊韌性試驗結(jié)果見表8。

表8 環(huán)焊接頭低溫夏比沖擊韌性試驗結(jié)果

試樣編號試樣規(guī)格/mm3缺口位置試驗溫度/℃吸收能量平均值1～310×10×55焊縫中心01634～610×10×55焊縫中心-201727～910×10×55焊縫中心-3015610～1210×10×55焊縫中心-4517213～1510×10×55焊縫中心-609716～1810×10×55熔合線0215.519～2110×10×55熔合線-20205.522～2410×10×55熔合線-3016325～2710×10×55熔合線-4521728～3010×10×55熔合線-60162.5 注:標準要求值:夏比沖擊吸收功均值應不小于50 J,單值不小于38 J。

通過焊接工藝力學性能分析可以得出如下結(jié)論:

1)不含缺陷環(huán)焊接頭力學性能試驗結(jié)果符合相關要求。

2)環(huán)焊接頭的力學性能試驗結(jié)果與工程開工前的焊接工藝評定的試驗結(jié)果相符。

3)含缺陷環(huán)焊接頭橫向拉伸試驗結(jié)果符合相關要求。

4)含缺陷焊縫側(cè)彎試驗結(jié)果符合相關要求,且彎曲過程中缺陷未發(fā)生擴展。

5)根據(jù)切片的試驗結(jié)果,未熔合的自身高度及深度與PAUT檢測結(jié)果一致。

6)PAUT檢測缺陷不超標時,自動焊口力學性能優(yōu)于返修口力學性能。

2.3 雙百雙評試驗分析

試驗1機組:

表9 試驗1機組RT檢測和PAUT檢測評定情況

缺陷類型RT檢測評為缺陷而PAUT檢測評為合格焊口PAUT檢測有缺欠顯示PAUT檢測無缺欠顯示表面未熔合00埋藏未熔合00單個氣孔00密集氣孔60

試驗2機組:

表10 試驗2機組RT檢測和PAUT檢測評定情況

缺陷類型RT檢測評為缺陷而PAUT檢測評為合格焊口PAUT檢測有缺欠顯示PAUT檢測無缺欠顯示表面未熔合00埋藏未熔合00單個氣孔00密集氣孔20

試驗3機組:

表11 試驗3機組RT檢測和PAUT檢測評定情況

缺陷類型RT檢測評為缺陷而PAUT檢測評為合格焊口PAUT檢測有缺欠顯示PAUT檢測無缺欠顯示表面未熔合00埋藏未熔合10單個氣孔00密集氣孔00

經(jīng)過雙百雙評試驗,發(fā)現(xiàn)PAUT檢測和RT檢測可以實現(xiàn)互補,如現(xiàn)場執(zhí)行可以大幅提高檢出效率。

3 結(jié)論

焊接質(zhì)量把控是長輸管道安全運行的重要保障,本文從PAUT檢測、RT檢測原理出發(fā),經(jīng)過某長輸管道項目檢測的實施情況對PAUT檢測及RT檢測的檢出效果進行統(tǒng)計對比,并使用焊接工藝力學性能分析和雙百雙評試驗對PAUT檢測和RT檢測的效果進行驗證。通過以上分析得出如下建議:

1)缺陷評判標準需要進行明確統(tǒng)一,GB/T 50818-2013的7.2.1條款規(guī)定:“超過評定閘門的信號均應進行評定。低于評定閘門的信號,當判定為危害性缺欠時也應進行評定?！睏l文解釋中對“危害性缺欠”的定義為“裂紋、有一定自身高度的缺欠和有較大尺度的未熔合”。未對“有一定自身高度的缺欠和有較大尺度的未熔合”進一步定量表述,由于規(guī)范表述模糊(如“有一定高度”、“較大”等),執(zhí)行時有較大主觀性。

2)加強人員素質(zhì)提升是確保PAUT檢測質(zhì)量的重要因素,由于PAUT檢測受現(xiàn)場環(huán)境及人員影響較大,且成像方式、技術(shù)要求、檢測標準都存在差異。目前技術(shù)人員對PAUT檢測設備的操控還不夠熟練,在設備標定、圖像評判方面還存在不足,缺欠長度測量尤其是不連續(xù)缺欠測量時,容易產(chǎn)生主觀測量誤差。

3)經(jīng)過雙百雙評試驗發(fā)現(xiàn),PAUT檢測和RT檢測可以實現(xiàn)互補，但現(xiàn)場實際執(zhí)行時存在大量的不一致情況,因此需要加強人員責任心,做好檢出對比,避免漏檢現(xiàn)象出現(xiàn)。