长输管道对接焊缝超声波检测缺陷判析

刘增 史海宁 吴恒威 崔亚强

摘要：本文着重论述了执行SY/T4109-2013《石油天然气钢质管道无损检测》标准对长输油气管道对接焊缝进行超声波检测的实际应用，介绍了作者长期从事长输油气管道焊缝超声波检测的一些实践经验和技术见解，通过实践应用，文中针对长输油气管道对接焊缝常见缺陷的产生原因、多发部位、波形的判断分析和评判的注意事项进行了详细论述。

关键词：长输管道；超声波检测；检测技术；缺欠评定；应用

长输管道是目前国内原油、成品油运输的主要方式，一般以薄壁管采用下向焊的焊接方式焊接而成，超声波检测是其对接焊缝的主要检测手段。受近场区、曲率半径以及焊接方式和现场检测条件的影响，检测过程中缺陷的判断和定性干扰因素较多，容易引起误判，造成不必要的返修。笔者在检测过程中积累了一些实际经验，提高了长输管道渡劫焊缝超声波检测的可靠性。现以日照-濮阳-洛阳原油管道工程（管径762mm，管道壁厚11.9/12.7/15.9mm）的管道为例，对管道焊接中常见缺陷的判断、定性和影响因素进行分析。

1.影响管道对接焊缝超声波检测的因素及解决方法

1.1 曲率半径和散射作用的影响

由sinα/sinβ=c1/c2（c表示介质中超声波声速）可知，当声束进入有机玻璃/钢界面时会产生折射，随着晶片尺寸的增大，折射角亦增大，折射角越大，散射现象越严重；同时由于管道曲率半径的影响，为保证探头与检测面紧密接触，选择较小的晶片尺寸，一般控制在8mm。

1.2 近场区的影响

管道的管径较薄为提高定位的准确性，应尽量在远场条件下检测。由近场长度N=D2/4λ可知，当频率ƒ一定时，D值越小，N值越小，可实现远场检测。

1.3 焊缝表面无法磨平的影响

检测时，焊缝表面无法磨平，焊缝的根部检测有一定影响，宜小前沿探头，探头角度应依据被检管线壁厚，预期探测的缺陷种类选择，尽量使直射波扫查到焊缝根部以上区域。

1.4检测面粗糙度的影响

检测面应清除焊缝飞溅、铁屑、油污、以及其他表面杂质，探伤表面应平整光滑，便于探头自由扫查，考虑到曲率半径和表面粗糙度的影响，检测时灵敏度补偿4dB，检测过程中每间隔4小时或检测工作结束后应对时基扫描线比例和灵敏度进行校验，调节探头磨损后的参数变化。

2、检测方法

执行SY4065-93《石油天然气钢质管道对接焊缝超声波探伤及质量分级》行业标准，Ⅱ级合格。仪器选用CUD-2030型数字超声波探伤仪。探头选用5MHz8mm×8mmK2.5方晶斜探头，前沿距离L均为5mm。为了接近现场检测条件，选择SGB-5型曲面试块测定K值和入射点及组合性能。仪器按水平1：1调节。使用SGB-5型曲面试块制作距离-波幅曲线。采用一次波法和一次反射法在焊缝的单面双侧进行检测，扫查范围为2KT+50mm。

声路图如下：

D406×6.4管道，厚度为6.4mm，焊缝宽度为10mm。采用一次波法检测时，当探头前端与焊缝余高相接触无法向前推进时，主声束自入射点A出发与焊缝中心线相交于c，距底面距离为χ，由[ 6.4K-（b/2+L）]/6.4K=χ/6.4 得 χ=2.4mm。探头向后移动，用一次反射法检测，可扫查到c点以上区域。

通过计算以上方法可以扫查到焊缝的整个截面。探头在焊缝两侧正对焊缝做锯齿状扫查，相邻两次扫查至少有10%重叠，扫查速度小于150mm/s。为区分缺陷真伪或确定缺陷位置和方向，还可以采用前后、左右、转角等多种扫查方式。

3、缺陷的判定

检测时，用一次波法探测焊缝下部缺陷，用一次反射法探测焊缝中上部缺陷。扫查时，最高反射波的水平定位距离≥（6.4-2.4）K =10mm时方为缺陷波。现场检测时，一般根据反射波的水平位置来判别缺陷。

反射波水平定位不到焊缝中心线，在靠近探头一侧的焊缝区或热影响区，该反射波为缺陷波。

一侧扫查，反射波水平定位在焊缝中心线上，且另一侧水平定位也在焊缝中心线上，则该反射波为根部缺陷。

仅能从焊缝一侧探测到，水平定位在焊缝中心线上，该反射波按错边论处。

反射波的水平位置出现在一、二次波的前面，偏离焊缝中心线，靠近焊缝边沿，一般为咬边的反射波。

以上是判定缺陷的方法，检出缺陷后可根据反射波副度、游动范围等，结合缺陷的位置和焊接工艺，对缺陷的性质进行综合判断。但是到目前为止，还没有可靠的方法，只能进行估判。下面简单介绍长输管道对接焊缝常见缺陷的估判方法。

3.1 未焊透

未焊透是接头根部母材未熔合在一起的缺陷，一般位于焊缝的中心线上，有一定的长度，垂直于内表面，形成端角反射，回波较强。探头平移时，未焊透的波形较稳定，从焊缝两侧探测，均能得到大致相当的反射波幅，且沿焊缝方向有一定的移动范围。为发现和比较根部未焊透深度，调试仪器时，在SRB试块上测定人工矩形槽的反射波幅度，做为检测未焊透缺陷的起始灵敏度。

3.2 未熔合

未熔合是焊道与母材之间或焊道与焊道之间，局部未熔化成一体的现象。管道焊接为下向多层焊接，使用纤维素下向焊条，采用V型坡口，未熔合多出现在坡口面和两层焊道之间。坡口未熔合产生坡口侧壁，有一定的角度，用二次波容易检出，当声束垂直入射到其表面时，回波高度大，探头平移时，波形较稳定。两侧探测时，反射波幅不同，有时只能从一侧探到。层间未熔合在各层焊道之间，延伸方向平行于焊道，声束只能倾斜入射到其表面，产生折射，回波高度较小。在厚度方向一般产生在焊缝的中部，且宽度较大，探头前后移动波形稳定。在焊缝两侧均能探测到，波形大致相当。根部未熔合，焊接中不容易出現，用一次波能够检测到，水平定位偏离焊缝中心，在靠近焊缝一侧，反射波幅较高，探头平移，波幅稳定。

3.3 气孔

气孔是焊缝中常见的缺陷，它是熔池结晶过程中未能逸出而残留在焊缝金属中的气体形成的孔洞。超声波检测时，单个气孔回波较低，波形稳定，从各个方向探测反射波高大致相同，但稍一移动探头波形就会消失。密集气孔的波形为一簇波高随气孔大小而不同的反射波，当探头做定点移动时，会出现此起彼落的现象。

3.4 夹渣

夹渣是焊后残留在焊缝金属中的熔渣，长输管道是多层焊接，容易因层间熔渣清理不够彻底而产生夹渣。点状夹渣的反射信号与点状气孔相似。条状夹渣的反射波多呈锯齿状，因夹渣的表面是不规则的，反射率低，一般波幅不高，波形常呈树枝状，主峰边上有小峰。探头平移时，波幅有变动，从各个方向探测，反射波幅不相当。

3.5裂纹

长输管道的材质含碳量低，淬硬倾向小，管壁薄且焊后能够自由伸缩，正常施焊条件下不会出现裂纹。在这里不详细分析，一般来说，裂纹的回波较高，波幅宽，会出现多峰。探头平移时，反射波连续出现，波幅有变动；探头转动时，波峰有上下错动的现象。

4、成形不良的检测

焊接过程中，由于焊接规范不当或焊接操作不良，会造成焊缝成形不良的缺陷，管道焊接常见的成形不良有咬边、错口等缺陷。这些缺陷的反射波容易和未焊透、未熔合等缺陷相混淆，影响检测的质量评定，造成不必要的返修。

咬边是在母材金属上沿焊趾产生的沟槽，其一定出现在焊缝区的两侧，由于采用下向焊接，咬边一般有一定的长度。焊缝外表面的咬邊，用肉眼可直接观察到，其反射波一定出现在二次波的前面，水平位置在焊缝的边缘。如不能判定，可将探头移到出现最高反射信号处固定探头，适当降低仪器灵敏度。用手指沾油轻轻敲打焊缝边缘咬边处，观察反射波是否有明显的跳动现象。若反射波跳动，则证明是咬边信号。焊缝内表面咬边的反射信号，一定出现在一次波的前面，波幅较高，波形窄，探头垂直焊缝向前稍一移动，反射波就会消失，探头平移，波形有波动。测量水平距离，反射波的水平位置在焊缝的边缘，靠近探头一侧。

由于现场施工条件和管材质量的限制，管道焊缝经常出现错口现象。错口使焊缝两侧母材偏离，可直接观察到，一般不会对检测结果造成影响。

5、应用

按此方法在中石化承建的日照-濮阳-洛阳原油管道工程中进行了大量的应用实践，检测长度达89多公里，共2600道焊口。在总公司的大检查中，检查人员用射线照相抽检100道焊口，90%为Ⅰ级底片，其余为Ⅱ级底片。

参考文献：

[1] SY/T-4109-2005 《石油天然气钢质管道无损检测》

[2] JB/T4730-2005 《承压设备无损检测》

[3] 中国特种设备检验协会编写 主编：强天棚 《射线检测》 中国劳动社会保障出版社 2007年