(中國石油天然氣管道科學(xué)研究院,廊坊 065000)

近年來，隨著自動(dòng)焊接技術(shù)在長輸管道工程中的應(yīng)用，全自動(dòng)超聲波檢測技術(shù)(AUT)已廣泛應(yīng)用于管道自動(dòng)焊的環(huán)焊縫檢測中。與常規(guī)超聲檢測和射線檢測相比，AUT在檢測速度、降低作業(yè)強(qiáng)度等方面有著明顯的優(yōu)越性[1]。目前，AUT技術(shù)主要用于基于內(nèi)焊機(jī)根焊的管道自動(dòng)焊環(huán)焊縫檢測，而基于非內(nèi)自動(dòng)焊機(jī)的自動(dòng)焊焊縫，例如采用STT(表面張力過渡)及RMD(熔敷金屬控制技術(shù))控制熔敷金屬過渡方式的根焊技術(shù)的自動(dòng)焊焊縫，由于對口間隙和坡口角度存在一定偏差，所以目前的AUT檢測工藝無法適用。因此，通過采用超聲仿真技術(shù)對AUT檢測工藝進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了AUT對比試塊和工藝焊縫，驗(yàn)證了AUT檢測STT根焊的自動(dòng)焊焊縫的可靠性，保證了長輸管道的施工和安全運(yùn)行。

1 AUT檢測工藝方案及仿真

AUT將焊縫沿厚度方向分成若干個(gè)分區(qū)，故工藝仿真時(shí)也采用兩種方式。每個(gè)分區(qū)用聚焦探頭檢測熔合線上的缺欠，體積型缺欠用非聚焦探頭檢測。檢測結(jié)果以圖像形式顯示，分為A掃描、B掃描及TOFD等3種顯示方式。掃查器在管道環(huán)焊縫上進(jìn)行環(huán)向自動(dòng)掃查，即可對整個(gè)焊縫厚度方向的分區(qū)進(jìn)行全面檢測，檢測結(jié)果自動(dòng)顯示在圖像上。

目前，基于非內(nèi)自動(dòng)焊機(jī)的自動(dòng)焊焊接工藝主要采用兩種坡口形式：一種為V型坡口，填充區(qū)角度在22°～25°之間；另一種為復(fù)合V型坡口，填充區(qū)角度在8°～10°之間，熱焊區(qū)角度為30°(見圖1)。針對兩種坡口型式分別進(jìn)行AUT工藝仿真，確定AUT檢測方案是否可行，從而提出可行的AUT檢測工藝方案。

1.1 V型坡口檢測工藝仿真

由于AUT掃查采用串列和脈沖反射兩種方式，故工藝仿真時(shí)也采用兩種方式。針對填充區(qū)角度為22°，壁厚較薄(例如12.5 mm以下)的V型坡口，通過仿真得出，當(dāng)AUT探頭前沿距焊縫中心的距離為13 mm時(shí)，AUT采用脈沖反射方式掃查，可以將整個(gè)焊縫全部覆蓋，并且超聲波可以聚焦在坡口熔合線的位置(見圖2)，可以實(shí)現(xiàn)對壁厚較薄的V型坡口焊縫的檢測。

圖2 12.5 mm壁厚V型坡口的AUT檢測聲場示意

針對填充區(qū)角度為22°，壁厚較厚(例如21.4 mm以上)的V型坡口焊縫，通過仿真發(fā)現(xiàn),當(dāng)采用脈沖反射方式進(jìn)行檢測時(shí)，通過調(diào)整探頭的位置，超聲波束均不能對焊縫實(shí)現(xiàn)全覆蓋，會(huì)造成對焊縫上下區(qū)域的漏檢(見圖3)；而當(dāng)采用串列方式檢測上部填充區(qū)時(shí)，探頭無法接收到反射回波，造成該區(qū)域漏檢(見圖4)。通過調(diào)整AUT探頭到焊縫中心的位置，可以實(shí)現(xiàn)對焊縫的全覆蓋，但是由于AUT探頭距離坡口熔合線較遠(yuǎn)，超聲波束無法聚焦到熔合線上，所以該區(qū)域檢測的可靠性降低。因而AUT不能滿足對壁厚較厚的V型坡口焊縫的檢測。

圖3 AUT脈沖反射掃查方式(V型坡口)

圖4 AUT串列掃查方式(V型坡口)

1.2 復(fù)合V型坡口檢測工藝仿真

通過以上仿真，對于壁厚較厚(例如21.4 mm以上)的V型坡口焊縫無法采用AUT檢測，而射線對于壁厚較厚的焊縫檢測又比較困難(尤其采用雙壁透照時(shí))。由于壁厚的增加，AUT檢測覆蓋整個(gè)焊縫的難度也隨之增大，所以復(fù)合V型坡口的仿真選用壁厚為21.4 mm的焊縫。坡口型式如圖2所示，填充區(qū)高度為9.4 mm，分成3個(gè)區(qū)，每個(gè)分區(qū)高度為2.8 mm；熱焊區(qū)高度為10.4 mm，分成4個(gè)區(qū)，每個(gè)分區(qū)高度為2.6 mm；根部高度為1.6 mm，分成1個(gè)區(qū)，探頭前沿距焊縫中心15 mm。其仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 21.4 mm壁厚復(fù)合V型坡口的AUT檢測工藝

通過仿真結(jié)果顯示，對于壁厚較厚(例如21.4 mm以上)的復(fù)合V型坡口焊縫，當(dāng)AUT探頭距離焊縫中心15 mm時(shí)，可以保證AUT對整個(gè)焊縫的全覆蓋檢測，并且能夠?qū)⒊暡ㄊ慕裹c(diǎn)聚焦于坡口熔合線上，保證了AUT檢測的可靠性。因此，基于非內(nèi)自動(dòng)焊機(jī)的管道自動(dòng)焊，推薦采用復(fù)合V型坡口型式的AUT檢測。

2 對比試塊及工藝焊縫

根據(jù)非內(nèi)自動(dòng)焊機(jī)的管道自動(dòng)焊的焊接工藝特點(diǎn)，環(huán)焊縫的對口間隙在2～4 mm之間，因此設(shè)計(jì)了對口間隙分別為2,3,4 mm的對比試塊，坡口型式采用復(fù)合V型坡口，規(guī)格(長度×壁厚)為1 422 mm×21.4 mm的X80鋼管。為了測試AUT檢測非內(nèi)自動(dòng)焊機(jī)的管道自動(dòng)焊的可靠性，在工藝焊縫中設(shè)計(jì)并加工了包括裂紋、未熔合、未焊透等不同類型的缺陷，同時(shí)保證缺陷分布在不同的分區(qū)高度。缺陷設(shè)計(jì)及分布區(qū)域如表1所示。

表1 缺陷設(shè)計(jì)及分布區(qū)域

3 基于非內(nèi)自動(dòng)焊機(jī)的管道自動(dòng)焊AUT工藝試驗(yàn)

3.1 對比試塊掃查試驗(yàn)

試驗(yàn)采用奧林巴斯公司的Pipe WIZARD檢測系統(tǒng)，采用對口間隙為3 mm的對比試塊的坡口參數(shù)設(shè)置檢測參數(shù)，并進(jìn)行聚焦法則的計(jì)算。根據(jù)計(jì)算完成的檢測工藝方案，對對口間隙為3 mm的對比試塊進(jìn)行分區(qū)掃查調(diào)試(見圖6)。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50818-2013《石油天然氣管道工程全自動(dòng)超聲波檢測技術(shù)規(guī)范》的要求優(yōu)化AUT檢測工藝方案，并在對口間隙為3 mm的對比試塊上進(jìn)行總體掃查，保證試塊掃查數(shù)據(jù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。采用優(yōu)化后的AUT檢測方案對對口間隙為2，4 mm的對比試塊進(jìn)行掃查調(diào)試，使該AUT檢測方案對對口間隙為2，4 mm的對比試塊的掃查數(shù)據(jù)均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(見圖7)。

圖6 對比試塊掃查試驗(yàn)現(xiàn)場

圖7 對比試塊部分掃查圖

3.2 工藝焊縫檢測試驗(yàn)

工藝焊縫AUT掃查試驗(yàn)首先采用優(yōu)化后的AUT檢測工藝方案在對口間隙為3 mm的對比試塊上進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50818-2013《石油天然氣管道工程全自動(dòng)超聲波檢測技術(shù)規(guī)范》要求后，在工藝焊縫上進(jìn)行掃查檢測，得到工藝焊縫的AUT檢測數(shù)據(jù)(見圖8)。檢測結(jié)束后采用對口間隙為3 mm的對比試塊進(jìn)行系統(tǒng)性能校驗(yàn)，校出數(shù)據(jù)需滿足標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求。

圖8 工藝焊縫AUT檢測部分掃查圖

補(bǔ)充檢測采用數(shù)字射線檢測(DR)，DR檢測采用D/P Tech公司的DR檢測系統(tǒng)，射線機(jī)型號為YXLON EVO 300P，采用中心透照方式，焦距為726 mm，電壓為300 kV，電流為2.5 mA，單幀圖像曝光時(shí)間為0.8 s。數(shù)字射線檢測圖像質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)SY/T 4109-2013《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測 第5部分：射線數(shù)字成像檢測》的要求。

3.3 檢測結(jié)果分析

通過對工藝焊縫的AUT檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行評定，得到工藝焊縫中缺陷的類型、高度、位置和長度等信息。對比數(shù)字射線檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷類型、位置和長度信息，數(shù)字射線檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷在AUT檢測數(shù)據(jù)中均有顯示(見表2)。部分缺陷在AUT中顯示的長度要大于數(shù)字射線檢測出的長度，這是因?yàn)樯渚€檢測的圖像為投影尺寸，而AUT定量時(shí)會(huì)放大小缺陷的尺寸；部分熱焊附近區(qū)域的缺陷由于缺陷角度比較大，缺陷高度較小，從而使比度降低，所以數(shù)字射線會(huì)漏檢。不同類型缺陷在兩種檢測方式下的圖像如圖9～13所示。

圖9 密集氣孔AUT與DR檢測結(jié)果

圖10 坡口未熔合AUT與DR檢測結(jié)果

圖11 裂紋AUT與DR檢測結(jié)果

圖12 根部未焊透AUT與DR檢測結(jié)果

圖13 層間未熔合AUT與DR檢測結(jié)果

4 結(jié)論

通過對基于非內(nèi)自動(dòng)焊機(jī)的管道自動(dòng)焊AUT檢測工藝的研究與試驗(yàn)表明，AUT檢測方法對采用該焊接方式的管道環(huán)焊縫中的裂紋、未熔合和未焊透等缺陷具有良好的檢出能力，能夠?qū)崿F(xiàn)對缺陷的高度、位置和長度的測量，滿足對山區(qū)等特殊地段管道自動(dòng)焊的檢測需求，并可大幅提高管道施工的生產(chǎn)效率，為管道工程建設(shè)的施工提供技術(shù)支撐。