徐蔥蔥 劉少柱 齊健龍 薛焰文 張巍 陳久龍

1中國(guó)石油管道公司

2中國(guó)石油管道局工程有限公司

近年來環(huán)焊縫開裂造成高鋼級(jí)管道失效事故頻發(fā)，引起國(guó)內(nèi)外油氣管道行業(yè)對(duì)環(huán)焊縫質(zhì)量問題的高度關(guān)注。動(dòng)火連頭焊道作為整條管道最薄弱的環(huán)節(jié)，已成為影響油氣管道，尤其是大口徑、高鋼級(jí)管道安全運(yùn)行的重要因素。管線動(dòng)火連頭施工，由于作業(yè)工序多、耗時(shí)長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)大，作業(yè)有較大難度。焊接施工作為動(dòng)火連頭最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，焊接質(zhì)量決定管道運(yùn)行壽命及安全，因此應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)把握焊接質(zhì)量控制，采用合適的焊縫檢測(cè)手段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和避免未熔合、未焊透、夾渣、焊后裂紋及氣孔等缺陷現(xiàn)象發(fā)生。

另外，焊縫檢測(cè)的效率對(duì)于在役油氣管道動(dòng)火時(shí)效性具有重要影響，標(biāo)準(zhǔn)中一般要求連頭對(duì)接口焊縫焊接完成后應(yīng)進(jìn)行無損檢測(cè)，并在檢測(cè)合格24 h 后進(jìn)行復(fù)檢。在油氣管道維搶修及改線等動(dòng)火作業(yè)中，為盡量減少對(duì)下游油氣用戶的影響，以及降低動(dòng)火作業(yè)過程中存在的凝管風(fēng)險(xiǎn)等，應(yīng)在保證焊縫檢測(cè)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，盡量采用檢測(cè)效率高的無損檢測(cè)技術(shù)。本文在綜合對(duì)比各無損檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)大口徑油氣管道動(dòng)火連頭給出適用的檢測(cè)方法。

1 無損檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

油氣管道焊縫常用的無損檢測(cè)技術(shù)包括射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、磁粉檢測(cè)以及滲透檢測(cè)等[1]。目前各檢測(cè)方法均有各自特點(diǎn)和局限性，通常應(yīng)根據(jù)被檢構(gòu)件的材質(zhì)、工作介質(zhì)、可能產(chǎn)生的缺陷類型和形狀等選用合適的檢測(cè)方法[2]。

1.1 射線檢測(cè)

射線檢測(cè)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為普遍，有底片作為記錄，對(duì)缺陷形狀反映直觀，能夠?qū)θ毕葸M(jìn)行定性，但缺陷在壁厚方向所處的位置難以判斷，不能實(shí)現(xiàn)缺陷的定量，且對(duì)于厚壁管道曝光時(shí)間長(zhǎng)、效率低。傳統(tǒng)射線檢測(cè)（RT）一般使用X 射線周向曝光機(jī)，透過工件的射線使膠片感光，但膠片清洗和處理需要較長(zhǎng)的時(shí)間，影響管道施工的進(jìn)度，檢測(cè)成本高，檢測(cè)圖像不能動(dòng)態(tài)可調(diào)，且膠片的存儲(chǔ)條件要求嚴(yán)格，為數(shù)據(jù)的篩選及排查帶來了較大困難[3]。因此，X 射線數(shù)字化成像技術(shù)近年來發(fā)展迅速，在檢測(cè)信息量、圖像灰度等級(jí)、遠(yuǎn)程傳送等方面較常規(guī)射線檢測(cè)存在明顯優(yōu)勢(shì)[4]。X 射線數(shù)字化成像技術(shù)分類見表1。

CR 利用IP 板作為X 射線檢測(cè)裝置，生成圖像環(huán)節(jié)較DR 增多，且圖像分辨率和缺陷檢出率低于DR，因此重點(diǎn)研究RT 和DR 技術(shù)。在管道環(huán)焊縫DR 檢測(cè)方面，目前國(guó)內(nèi)外都研發(fā)出了專用的X 射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)裝置，提高了檢測(cè)效率，X 射線實(shí)時(shí)成像在國(guó)外應(yīng)用比較成熟，但因該系統(tǒng)價(jià)格昂貴，一次成本高，國(guó)內(nèi)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還不成熟，以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不全面等原因，限制了其在國(guó)內(nèi)的普及和使用[7]。

1.2 超聲波檢測(cè)

超聲波檢測(cè)在國(guó)內(nèi)外環(huán)焊縫檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，相比射線檢測(cè)，其在檢測(cè)效率、檢測(cè)壁厚、缺陷定量準(zhǔn)確性、減小工作強(qiáng)度等方面具有較大優(yōu)勢(shì)。但超聲波現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)影響因素復(fù)雜，如軌道安裝精度、掃查環(huán)境溫度等會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果[8-9]。根據(jù)檢測(cè)原理的不同，超聲波檢測(cè)技術(shù)可進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)分類（表2）。通過選用不同的探頭，實(shí)現(xiàn)各超聲檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，且應(yīng)根據(jù)焊縫余高等，選擇掃查類型，如B 型掃描通過橫越焊縫橫截面進(jìn)行平行掃查，如果焊縫余高過高則難以執(zhí)行掃查，限制了探頭的移動(dòng)。根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的掃查方式又可分為手動(dòng)超聲檢測(cè)（UT）和自動(dòng)超聲檢測(cè)（AUT），AUT 檢測(cè)效率高，但其對(duì)檢測(cè)面、檢測(cè)空間等工況要求高，儀器安裝和調(diào)教時(shí)間長(zhǎng)，故AUT 在可能存在錯(cuò)口量大、不等壁厚對(duì)接等的動(dòng)火連頭施工中不太適用。因此，重點(diǎn)研究相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）和超聲波衍射時(shí)差法（TOFD）檢測(cè)。

1.3 磁粉及滲透檢測(cè)

磁粉檢測(cè)是待檢材料在磁場(chǎng)作用下，其表面或近表面缺陷處的磁力線會(huì)形成不連續(xù)變化，使得材料表面的磁粉受磁力作用，在缺陷位置顯現(xiàn)出與缺陷形狀和大小一致的磁痕[14]。磁粉檢測(cè)可應(yīng)用于檢測(cè)鐵磁性材料表面和近表面缺陷，包括裂紋、氣孔、未熔合、夾渣、未焊透等[15]。

表1 射線數(shù)字化成像技術(shù)[5-6]Tab.1 X-ray digital imaging technology[5-6]

表2 超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)比[10-13]Tab.2 Comparison of ultrasonic testing technologies[10-13]

滲透檢測(cè)是在待檢材料表面涂抹著色液劑，并滲透到材料表面缺陷中，使得缺陷的形狀和分布等顯現(xiàn)出來[16]。滲透檢測(cè)只能用于表面開口缺陷，且靈敏度較磁粉檢測(cè)弱[17-18]。磁粉和滲透檢測(cè)不受檢測(cè)管體管徑和壁厚影響，因此在表面缺陷檢測(cè)方面具有普遍適用性，不再單獨(dú)研究。

2 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

國(guó)內(nèi)外針對(duì)油氣管道連頭焊縫的檢測(cè)給出了推薦的適用技術(shù)（表3）。國(guó)內(nèi)外基本上采用射線和超聲檢測(cè)，部分表面缺陷可使用磁粉檢測(cè)，GB 50517—2010《石油化工金屬管道施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》對(duì)于厚度大于30 mm 的焊縫推薦采用超聲檢測(cè)。參照SH/T 3418—2018《石油化工管式爐高合金爐管焊接工程技術(shù)條件》要求，管件焊接接頭的底層焊道應(yīng)進(jìn)行100%的滲透檢測(cè)，并在焊接完成后對(duì)焊接接頭進(jìn)行100%的射線檢測(cè)，而在油氣長(zhǎng)輸管道連頭口焊接中均未對(duì)焊接中間過程的檢測(cè)做出要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步探討各無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)于大口徑、大壁厚油氣管道動(dòng)火連頭焊縫的適用性，針對(duì)中俄東線天然氣管道D1 422 mm×21.4 mm、X80 管線開展試驗(yàn)研究，圍繞無損檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)效率、檢測(cè)能力等，開展了RT、DR、超聲檢測(cè)相關(guān)試驗(yàn)，以下檢測(cè)試驗(yàn)均不包含設(shè)備安裝及人員撤場(chǎng)等前期準(zhǔn)備工作。

3.1 RT

中俄東線管道工程壁厚較大，采用常規(guī)射線檢測(cè)較難實(shí)現(xiàn)雙壁單影透照，因此試驗(yàn)采用國(guó)內(nèi)外大功率X 射線裝置，雙壁單影透照方式，驗(yàn)證其穿透性及實(shí)際工效。檢測(cè)過程中X 射線機(jī)持續(xù)曝光，未進(jìn)行停歇，得出國(guó)產(chǎn)大功率設(shè)備每道口檢測(cè)時(shí)間約225 min，檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖1 所示，底片黑度為2.7，可以看到像質(zhì)計(jì)內(nèi)D8 根單絲，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 國(guó)產(chǎn)射線檢測(cè)數(shù)據(jù)Fig.1 X-ray testing data of domestic equipment

國(guó)外大功率設(shè)備每道口檢測(cè)時(shí)間約125 min，檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖2 所示，底片黑度為2.3，可以看到像質(zhì)計(jì)內(nèi)D9 根單絲，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。國(guó)內(nèi)外大功率X 射線機(jī)均能滿足工程質(zhì)量要求，但實(shí)際檢測(cè)工效方面國(guó)外大功率X 射線機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表3 無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求Tab.3 Requirements of NDT standards

圖2 國(guó)外射線檢測(cè)數(shù)據(jù)Fig.2 X-ray testing data of foreign equipment

3.2 DR

分別選用國(guó)內(nèi)外DR裝置對(duì)中俄東線D1 422 mm×21.4 mm 管道連頭焊縫進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表4。國(guó)產(chǎn)設(shè)備每道口檢測(cè)時(shí)間為16 min，國(guó)外設(shè)備每道口檢測(cè)時(shí)間為4.5 min。根據(jù)SY/T 4109—2013《石油天然氣鋼制管道無損檢測(cè)》 標(biāo)準(zhǔn)的要求，檢測(cè)21.4 mm 管道環(huán)焊縫時(shí)，圖像分辨率應(yīng)達(dá)到3.125 lp/mm，能夠識(shí)別D8 及以上單絲像質(zhì)計(jì)[19]。通過圖像軟件分析，國(guó)產(chǎn)和國(guó)外DR 系統(tǒng)均能夠識(shí)別D11 單絲像質(zhì)計(jì)，對(duì)應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)分辨率為3.125 lp/mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

在缺陷檢出率上，以RT 結(jié)果為基準(zhǔn)，不同DR設(shè)備存在一定的差異，國(guó)外DR 設(shè)備缺陷檢測(cè)結(jié)果與RT 一致性較好，國(guó)內(nèi)設(shè)備一致性差異較大。DR與RT 結(jié)果尺寸存在較大差異，主要由設(shè)備技術(shù)參數(shù)、爬行器定位誤差以及評(píng)判誤差導(dǎo)致。

表4 不同DR 設(shè)備缺陷檢測(cè)結(jié)果Tab.4 Defect detection results of different DR equipments

3.3 PAUT+TOFD

針對(duì)缺陷焊口將PAUT+TOFD 與RT 結(jié)果比較，以此驗(yàn)證PAUT+TOFD 檢測(cè)方式的可操作性及可靠性（表5）。表5 中Ⅰ、Ⅱ級(jí)缺陷評(píng)定等級(jí)參照SY/T 4109—2013《石油天然氣鋼制管道無損檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)的要求。試驗(yàn)中采用PAUT+TOFD 自動(dòng)掃查設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，每道口的檢測(cè)時(shí)間約為25 min。通過分析，采用PAUT+TOFD 方法檢出的焊接缺陷主要為未熔合，此外還有氣孔、密集氣孔、未焊透等缺陷。PAUT+TOFD 檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的未熔合缺陷在RT 中有漏檢，RT 發(fā)現(xiàn)的氣孔、密集氣孔缺陷在PAUT+TOFD 檢測(cè)中均有發(fā)現(xiàn)。RT 發(fā)現(xiàn)缺陷的位置，PAUT+TOFD 檢測(cè)均有發(fā)現(xiàn)。因而，PAUT+TOFD 在未熔合缺陷檢測(cè)方面優(yōu)于RT，施工過程中采用PAUT+TOFD 檢測(cè)技術(shù)能夠滿足RT 比較困難的連頭焊口的檢測(cè)需求，確保連頭焊口的焊接質(zhì)量。

表5 PAUT+TOFD 與RT 對(duì)比Tab.5 Comparison of PAUT+TOFD and RT

4 結(jié)論

針對(duì)大口徑油氣管道動(dòng)火連頭口檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中一般采用射線和超聲波聯(lián)合檢測(cè)的方式提高缺陷檢出率[20]。在動(dòng)火連頭作業(yè)中，受作業(yè)時(shí)間限制以及國(guó)內(nèi)外檢測(cè)設(shè)備性能等因素影響，建議優(yōu)先選用檢測(cè)壁厚大、效率高的DR、UT、PAUT 和TOFD 檢測(cè)技術(shù)；針對(duì)RT 應(yīng)選用大功率檢測(cè)設(shè)備，提高射線穿透能力，但其檢測(cè)效率和自動(dòng)化水平較低；另外相同檢測(cè)技術(shù)的不同廠家設(shè)備在檢測(cè)效率和檢測(cè)質(zhì)量上存在較大差異?；谝陨戏治?，針對(duì)大口徑油氣管道動(dòng)火連頭檢測(cè)，受作業(yè)時(shí)間限制，可優(yōu)先采用DR+UT、DR+PAUT+TOFD 檢測(cè)，其次選用RT+UT、RT+PAUT+TOFD 等檢測(cè)技術(shù)；UT 可以彌補(bǔ)PAUT-TOFD 檢測(cè)中存在的表面和底面缺陷漏檢問題，在檢測(cè)質(zhì)量要求高時(shí)，可采用RT/DR+UT+PAUT+TOFD 檢測(cè)方案。