徐生東，姚 歡，張建曉，戴敬東

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.蘭州蘭石重工有限公司 甘肅 蘭州 730300；3.蘭州石化公司建設(shè)公司 甘肅 蘭州 730060)

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大口徑長距離輸氣管道在國家工業(yè)方面顯得尤為重要。在這類管道建設(shè)過程中，管道對接環(huán)焊縫質(zhì)量成為工程質(zhì)量和長距離輸氣安全的首要因素[1-2]。為了有效把控工程質(zhì)量并保障油氣輸送安全，對焊縫進(jìn)行無損檢測可以識別缺陷、排除隱患。定期對埋地管線進(jìn)行管道內(nèi)檢測，對可疑缺陷采用其他無損檢測方法進(jìn)行開挖驗(yàn)證是維護(hù)管道安全運(yùn)營的必備步驟。

對國內(nèi)某段X80、1 219 mm×26.2 mm長輸管道進(jìn)行管道內(nèi)檢測并開挖驗(yàn)證。本次試驗(yàn)采用射線、TOFD及超聲相控陣三種無損檢測方法對環(huán)焊縫進(jìn)行檢測[3-6]。對表面及近表面密集氣孔、裂紋、未熔合等幾種典型缺陷從相控陣及TOFD檢測圖譜和射線底片3個方面進(jìn)行對比分析，并對缺陷位置、缺陷量化、缺陷檢出能力做出準(zhǔn)確判斷及評價[7]。

1 近(外)表面密集氣孔缺陷的3種無損檢測方法對比

本次開挖驗(yàn)證采用射線、TOFD及相控陣檢測3種檢測方法進(jìn)行缺陷確認(rèn)，共發(fā)現(xiàn)8處近(外)表面密集氣孔。本文取其中較為典型的1處近(外)表面密集氣孔，對比分析該缺陷相控陣檢測、TOFD圖譜及射線底片,如圖1～圖3所示。

圖1 近(外)表面密集氣孔缺陷相控陣圖譜

圖2 近(外)表面密集氣孔缺陷TOFD圖譜

圖3 近(外)表面密集氣孔缺陷射線底片

其中，圖1為近(外)表面密集氣孔缺陷相控陣檢測圖譜，圖2為近(外)表面密集氣孔缺陷TOFD檢測圖譜，圖3為近(外)表面密集氣孔缺陷射線檢測底片。將檢測結(jié)果中的缺陷信息進(jìn)行匯總，見表1。

表1 近(外)表面密集氣孔缺陷定位、定量

從相控陣及TOFD圖譜中可以看出，該表面密集氣孔缺陷埋深(距工件檢測面的距離)較小，距外表面距離在4.5 mm左右。且缺陷自身高度較小，對比發(fā)現(xiàn)，超聲、相控陣檢測和TOFD檢測結(jié)果在3 mm左右浮動。同時，3種檢測方法得出缺陷長度較為一致。從圖3射線底片觀察其形態(tài)，多為不規(guī)則圓形和條形。部分氣孔相連接顯示連續(xù)狀空穴，造成焊縫金屬間未能有效熔合。表面密集氣孔缺陷主要位于焊接起弧和收弧位置，產(chǎn)生原因可能是焊接起弧及收弧時保護(hù)氣體壓力不夠，熔池?cái)噭有圆?，熱輸入量較小[8]。

2 裂紋缺陷的3種無損檢測方法對比

本次開挖檢測發(fā)現(xiàn)5處裂紋，取其中較為典型的1處埋深裂紋，對比分析該缺陷相控陣檢測、TOFD圖譜及射線底片，如圖4～圖6所示。其中，圖4為裂紋缺陷相控陣檢測圖譜，圖5為裂紋缺陷TOFD檢測圖譜，圖6為裂紋缺陷射線檢測底片。從射線底片觀察其形態(tài)可以看出，缺陷顯示長度較小，尖端較細(xì)。表2為不同檢測方法裂紋缺陷定位和定量結(jié)果對比。

圖4 裂紋缺陷相控陣圖譜

圖5 裂紋缺陷TOFD圖譜

圖6 裂紋缺陷射線底片

表2 裂紋缺陷定位、定量

從相控陣及TOFD圖譜中可以明確得到裂紋缺陷一些具體數(shù)據(jù)。本次試驗(yàn)選取了1處埋深裂紋，裂紋距離焊縫外表面7～8 mm，相控陣及TOFD檢測缺陷自身高度差在2.5 mm范圍內(nèi)，3種檢測方法得出缺陷長度較為一致。實(shí)際開挖驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)其他幾處裂紋缺陷多為近表面裂紋。一般近表面裂紋缺陷埋深(距工件檢測面的距離)較小，長度較小，有一定的自身高度?？梢罁?jù)射線檢測結(jié)果對TOFD檢測和相控陣檢測結(jié)果進(jìn)行缺陷定性分析[9-10]，進(jìn)一步了解近表面裂紋缺陷TOFD檢測和相控陣檢測圖譜的形態(tài)。從底片來看，近表面裂紋缺陷主要位于偏離焊縫熔合線2～5 mm位置，有鋸齒狀、分叉、尖端等裂紋典型形態(tài)，產(chǎn)生原因可能是焊接蓋面過程中，焊接速度較快，焊層太薄，熔池冷卻速度快，焊接運(yùn)條偏心等多重因素造成[11]。

3 未熔合缺陷的3種無損檢測方法對比

本次開挖檢測發(fā)現(xiàn)15處未熔合缺陷，取其中較為典型的1處未熔合對比分析該缺陷超聲相控陣、TOFD檢測圖譜及射線底片，如圖7～圖9所示。

其中，圖7為未熔合缺陷相控陣檢測圖譜，圖8為未熔合缺陷TOFD檢測圖譜，圖9為未熔合缺陷射線檢測底片。表3為不同檢測方法未熔合缺陷定位和定量結(jié)果對比。

圖7 未熔合缺陷相控陣圖譜

圖8 未熔合缺陷TOFD圖譜

圖9 未熔合缺陷射線底片

表3 未熔合缺陷定位、定量

從相控陣及TOFD圖譜中可以明確得到未熔合缺陷一些具體數(shù)據(jù)。該未熔合缺陷距外表面距離16 mm左右，缺陷自身高度在2～4 mm之間，初步判斷該缺陷一般多為層間未熔合。這類缺陷埋深(距工件檢測面的距離)多位于焊縫內(nèi)部，有一定的長度，自身高度較小。從射線底片觀察其形態(tài)，多為長度較長，開口寬度較小，自身高度較小的夾層和根部未熔合。可依據(jù)射線檢測結(jié)果對TOFD檢測和相控陣檢測結(jié)果進(jìn)行缺陷定性分析，進(jìn)一步了解層間未熔合缺陷TOFD檢測和相控陣檢測圖譜的形態(tài)。從底片來看，層間未熔合缺陷水平方向主要位于偏離焊縫中心線2～5 mm位置，具有未熔合缺陷影像典型形態(tài)，產(chǎn)生原因可能是由于焊接過程中熔深不夠，焊接電弧長度小，焊接速度過快，焊槍偏心而造成[12]。

4 3種無損檢測方法缺陷檢出率對比分析

本次管道全自動焊對接環(huán)焊縫檢測總計(jì)發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷42處，其中射線檢測檢出缺陷共計(jì)33處，TOFD檢測檢出缺陷39處，相控陣檢測檢出缺陷42處。從以上檢出缺陷數(shù)量判斷，說明缺陷檢出率PAUT優(yōu)于TOFD優(yōu)于RT[13]。射線缺陷檢出率最低的原因是：對面積型缺陷(裂紋、未熔合類)如果照相角度不適當(dāng)，容易漏檢。射線檢測的對比度取決于在透照方向缺陷自身的高度，由于管道自動焊產(chǎn)生的缺陷自身高度一般較小，又由于自動焊缺陷多位于近外表面，幾何不清晰度較高容易造成漏檢[14]。TOFD受到上、下表面盲區(qū)的影響，一些上、下表面自身高度較小的缺陷較難檢出[15]。

5 結(jié)論與建議

1)射線檢測影像為二維平面投影，在平面坐標(biāo)對缺陷的長度及寬度定量較準(zhǔn)確，對缺陷自身高度無法準(zhǔn)確定量。缺陷高度估判主要依據(jù)缺陷影像黑度大小，缺陷黑度和缺陷自身高度無對應(yīng)比例關(guān)系。而相控陣和TOFD檢測對缺陷的自身高度的測量較準(zhǔn)確，誤差在2.5 mm范圍以內(nèi)。

2)對于缺陷長度定量，RT、PAUT和TOFD檢測均可以定量。由于一些線性缺陷的兩端有延伸，這些延伸部位自身高度較小，在射線透照方向上厚度差太小，造成在底片上無法辨識，使得檢出缺陷長度小于實(shí)際缺陷長度。而TOFD檢測由于端點(diǎn)衍射波靈敏度較高，加之測量光標(biāo)的吻合，可能造成檢出缺陷長度大于實(shí)際缺陷長度。

3)焊接缺陷定位主要是長度方向起始位置，板厚方向埋深及自身高度。PAUT和TOFD都是基于超聲波的反射及衍射對缺陷進(jìn)行檢測，在厚度方向和長度方向均能準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)，因此其定位較準(zhǔn)確。而射線檢測影像為垂直于射線透照方向的二維平面影像，無法獲取缺陷在厚度方向的數(shù)據(jù)，因此不能確定缺陷的埋深和自身高度。

4)3種檢測方法均有其能力范圍和局限性，建議現(xiàn)場結(jié)合檢測目的、檢測要求和缺陷類型選擇合適的檢測方法。對檢出缺陷定量要求精度高的選用TOFD和PAUT檢測；對于面積型缺陷優(yōu)先選用TOFD和PAUT檢測；對于被檢工件厚度較大時優(yōu)先選用TOFD和PAUT檢測；對于檢測時間較緊急，現(xiàn)場工況條件較差時，優(yōu)先選用TOFD和PAUT檢測；對檢出缺陷要求準(zhǔn)確定性的優(yōu)先選用射線檢測。