高含硫天然气集输管道CRA 复合管AUT 检测研究与应用

黄成于 郭留杰 黄潇贤 马 源 马伟力

（1.西南油气田公司重点地面工程建设项目部 成都 610000）

（2.北京亚力特科技开发有限公司 北京 100000）

（3.西南油气田公司川中油气矿 成都 610000）

耐腐蚀合金双金属复合管（CRA 复合管）在高含硫天然气田中用于输送腐蚀性较强的介质，其主要结构特征是以碳钢管为基层内壁增加一层耐蚀合金（不锈钢）为复层。

国内外通过大量研究和结果表明，双金属复合管结合基管的高强度和内衬管的耐腐蚀两大优点，在高腐蚀性气田应用中具有技术优越性[1]。根据不同服役环境选择基体与内衬的合理搭配，在节省贵重金属的同时又可降低成本，是解决腐蚀问题相对安全和经济的有效途径。

国外双金属复合管应用成果较多，自1991 年双金属复合管投入使用以来，经过多年的发展，得到了广泛应用，并取得了明显的经济效益和社会效益。美国墨西哥湾法尔韦油田早已有应用，日本NKK 公司采用UOE 工艺制造的Cu-Ni 合金复合管（含Ni 10%或30%)具有优良的耐海水腐蚀性和可焊性，广泛用于海水淡化系统的海水引入管等[2]。另外，俄罗斯极北部和东部大陆架等油气田、中东波斯湾海域铺设的海底石油管道[3]、中亚地区土库曼斯坦典型的高产、高温、高压、高H2S、高CO2、高含氯酸根离子的酸性“六高”气田也都有应用[4]。

随着我国天然气的大量开采，配套的集输管线大量铺设并投入使用，双金属复合管以其低廉的价格、较高承压能力和优异耐腐蚀性能，节约投资并提高了油气田运营的安全稳定性，已经逐渐得到我国油气田领域认可。用户涵盖了中石油、中石化及中海油多家油田单位，应用领域已经从陆地石油、天然气管线发展到海底管线，从注水管线扩展到集输管网。

塔里木的牙哈凝析气田的改造中率先采用了双金属复合管，并在吉那气田、吉林的长岭1 号、长庆、大庆徐深气田、中石油西南油气田得到了大规模的推广应用[5]。中海石油Y13-4 项目复合海底管线用双金属复合管是国内首条油气混输海底管线，并在黄岩项目一、二期等项目中推广应用。

2021 年2 月1 日，SY/T 7464—2020《耐腐蚀合金双金属复合管焊接及无损检测技术标准》正式实施，焊口无损检测要求焊缝焊完后做自动超声检测（AUT)。剑阁区块礁滩气藏试采地面工程对内部集输支线试验线路CRA 复合管进行了AUT 检测。

笔者从声学性能、检测工艺设计、校准试块方面进行了研究探讨，并结合工程实际提出了具体的解决方案，验证了薄壁小管径CRA 复合管AUT 检测的适用性。

1 CRA 复合管AUT 检测声学特性

常规的AUT 用于检测均匀的、各向同性的碳钢管道，其晶粒对声波散射很低，检测效果较为理想。检测工艺采用横波线扫，以一次波和经底面反射形成的二次波来覆盖整个检测区域。

由于CRA 复合管管道的结构特性（如图1 所示），焊缝更加复杂，主要表现在碳钢母材与CRA 复合管堆焊层材料差异、碳钢母材与焊缝填充材料差异、CRA复合管堆焊层及填充材料本身的特殊性[6]。

图1 管道的结构特性

复层和焊缝材料为不锈钢，晶粒粗大，组织不均，各向异性，超声波在焊缝中传播时，会发生声速变化、散射衰减增大，波束偏移和扭曲，缺陷定位不准确；粗晶反射，背景噪声大。粗晶材料中的衰减系数大，衰减更为严重，同时随着波束的传播，严重降低。

具体分析如下：

1）复层与基层的结合层为起伏的曲面（如图2 所示)，声波情况复杂。声束无法在底面产生理想的反射波束（如图3 所示)，基层和复层材料声阻抗不同，声波散射及衰减会使回波信号分析困难。

图2 复层与基层之间的起伏结合面

图3 基层和复层对声波散射及衰减

2）不锈钢焊缝晶粒粗大且各向异性，声波在其内部衰减严重，晶粒散射产生的噪声信号致使信噪比差，声波反射、折射情况复杂（如图4 所示），缺陷回波被淹没导致探头无法接收到清晰的回波信号[7]。

图4 焊缝对声波反射、折射及散射衰减

2 CRA 复合管AUT 检测工艺

CRA 复合管AUT 检测工艺设计时，选择的波形、探头参数应尽可能使CRA 复合管材料各向异性及结构界面对检测结果的影响降至最小。分析选择各组探头参数如下：

采用低频相控阵探头，能有效减少散射杂波，拥有更好的信噪比。采用纵波线性阵列，带状图+B 扫描，分区扫查法覆盖焊缝中下层检测区域。

采用TRL（双晶纵波）探头，纵波波速大，在粗晶材料中不易衰减，有效降低因散射造成的能量损失，提高穿透效果。纵波波速在碳钢与不锈钢中的速度差小于横波的波速差，在穿过奥氏体焊缝时，折射角度更小[8]；此实验段管材为薄壁小径管，采用TRL（双晶纵波、短聚焦）探头。覆盖下表面区域，针对性地提高根焊层、过渡层检测精度。

TOFD 检测对焊缝中部缺陷检出率很高，容易检出方向性不好的缺陷，可以识别向表面延伸的缺陷，缺陷定量、定位精度高。TOFD 技术衍射信号传播时差确定衍射点位置，缺陷定量、定位不依靠信号振幅，缺陷衍射信号与角度无关，检测可靠性和精度不受缺陷与入射波之间角度的影响。

当爬波通道存在缺陷波幅时，探头的频率和阻抗匹配性直接影响缺陷回波信号中包含的信息量的多少，缺陷上下端点回波的判断取决于检测人员的技术能力和业务水平，在A 扫描界面中有时会很难分辨缺陷上下端点反射回波。这样就很难区分是表面缺陷还是埋藏缺陷，可以通过TOFD 区分表面缺陷，表面缺陷会造成直通波下沉（如图5 所示）。

图5 TOFD 检测上表面缺陷

TOFD 采用频率5 MHz 探头检测，可明显区分碳钢层、不锈钢层，其中碳钢层信噪比较好，不锈钢层信号较乱。对焊缝中部区域进行检测，提高定量精度。

采用爬波双晶探头，发射与接收分开，始脉冲不能进入放大器，避免了阻塞现象，始脉冲后基本没有杂波，避免了传统横波检验的始脉冲占宽干扰的弊病，由于在远距焊缝30 mm 处进行扫查，排除了不规则的焊缝区对扫查的影响[9]。爬波能有效穿透焊缝且不受异材及晶粒结构尺寸的限制，信噪比高。以保证对焊接接头上表面检测区域的覆盖和有效的检测。

4 组探头根据其特点有针对性地覆盖其各自检测区域。实现最优化检测效果，检测范围相互覆盖，实现焊缝的全检测。每组探头上游、下游对称布置，闸门覆盖整个焊缝区域，上游、下游探头检测数据同时用于检测结果的评定及缺陷位置的确定。检测图谱包含双门带状图通道、爬波通道、TRL 通道、PA 体积通道、TOFD 通道和耦合通道（如图6 所示）。TOFD图位于扫查图的中间，两侧为上游、下游脉冲回波通道。各通道参数一一对应，在专用试块上进行校准，各人工缺陷反射体显示正确。

图6 CRA 复合管AUT 检测图谱

实际检测中CRA 复合管焊缝的缺陷尺寸依据显示通道、波幅高度对反射信号进行综合评定。所有明显的信号，需根据验收准则评判其波幅、深度、高度、长度性质等。记录系统需清楚地记录缺陷相对于起始的位置及方向，精确到±10 mm。耦合情况需实时监视并记录。信号的所有方面需综合考虑以避免过高或过低估计。检测图谱在扫查结束后立即进行评判。对于检测到的缺陷，信号波幅超过阈值（满屏高度的20%）的部分均需记录在报告上，依据声束示踪方法的修正技术、TOFD 或波幅法几种方法中的一种或其综合，在CRA_Sizing 测量软件中分析各种缺陷显示评判缺陷。

双门带状图通道、爬波通道、TRL 通道均为A 扫描显示，最容易检测出未熔合缺陷。

根部未熔合：可以从焊缝的一侧看到根部通道的平滑信号，大多数情况下是不对称的。

钝边未熔合：可以看到较强的平滑信号；信号一般超过闸门，可能在焊缝两侧都有。这是唯一一种两边都能看到的未熔合。

热焊、填充区未熔合：只能从焊缝的一侧看到平滑的信号。因为这里的未熔合通常发生在热焊与填充焊道的交角处，所以需检查邻近通道判断是否受影响。

PA 体积通道为B 扫描显示，根据通道的情况，PA 体积通道将用于检测结果的评估。CRA_Sizing 测量软件可同时显示2 组扫描，每一组都包含A 扫描、S 扫描和C 扫描（如图7 所示）。C 扫描显示任何一个聚焦法则中超过A 闸门的A%（A 闸门的振幅）的成像，S 扫描显示所有聚焦法则在深度方向上的成像。所有通道配置B 扫描显示，并用于缺陷的评估及测量。

图7 CRA_Sizing 测量软件体积通道显示界面

根部气孔等体积缺陷反射信号的波幅在带状图上的波幅显示通常是低于闸门的，在根部B 扫描图形显示通道上看很明显。对比体积通道和双门带状图通道的检测数据，将结果输入CRA_Sizing 测量软件中，会大大简化根部区域信号的评判。

双门带状图通道检测存在疑似缺陷信号显示时，对比分析体积通道扇扫成像数据，若体积通道有相应的显示，可快速确定缺陷。若成像数据没有任何显示，而可能存在的情况有3 种：

1）信号来自根部埋藏区域：需重新审核双门带状图数据，结合TOFD 通道、TRL 通道、R1 通道、R56通道，判定信号是否为缺陷。

2）缺陷信号源自错口：需重新审核扇扫成像数据和TOFD 数据，若确定信号源自错口，可判断双门带状图信号为伪信号。

3）信号来自不规则几何形状：需重新审核扇扫成像数据，通过调出体积通道显示界面分析A 扫描、S扫描、C 扫描等显示分析图像，确定信号来自不规则几何形状，可判定双门带状图信号为伪信号。

TOFD 通道为D 扫描显示，根据通道的情况，TOFD 将与A 扫描脉冲回波通道一并实施缺陷的定性及测量。如图8 所示根部缺陷在TOFD 通道和TRLD通道上都有明显的显示，R1D 通道也有显示，波幅较弱。

图8 TOFD 显示中的根部缺陷

错口不是缺陷，属于几何反射，从TOFD 上看十分明显（如图9 所示），比用带状图上通过时间差判断简单得多。

图9 TOFD 显示中的根部错口

3 CRA 复合管AUT 对比试块设计及优化

AUT 的检测基于焊接工艺和对比试块的设计，对比试块用于校准及验证检测设备的状态、探头的正确放置、标定灵敏度和覆盖范围，保证对焊缝的100%覆盖。并且可以根据对比试块灵敏度设置对缺陷进行定量。

对比试块的总体大小及实际形状须由探头加载系统及试块支撑结构决定。试块及其架设需保证校准过程所有探头有足够的移动空间。对比试块需依据一套命名系统永久性唯一命名，并打钢印，内容包括生产商、尺寸、壁厚及序列号。

3.1 CRA 复合管焊缝结构

剑阁礁滩试采工程内部集输支线施工技术要求：φ168.3×（8+2.5/3)L360QS+UNS N08825 复合管采用全自动钨极氩弧焊，坡口形式U 型。

根据CRA 复合管环焊缝坡口形式和焊接层数（如图10 所示)，φ168.3×（8+2.5/3)规格管道焊缝可分为根焊区（R)、热焊区（HP)、填充区（F1/F2)、盖面区（Cap)。按SY/T 7464—2020 要求进行试块设计，软件声束模拟并优化各人工反射体位置和数量。

图10 CRA 复合管环焊缝的坡口形式及焊接层数

3.2 对比试块总体要求

试块的设计加工遵循SY/T 7464—2020 并结合实际检测工艺及设备性能进行优化设计。

按照标准要求每一种管径规格、壁厚、坡口形式、材质、焊接工艺需要制作相应专用对比试块。对比试块所用材料必须为与检测目标一致的材料，试块的壁厚和坡口形式应与被检工件相同，并使用完全相同的焊接工艺焊接成焊缝。

对比试块焊缝中心到两端的距离不少于扫查装置所需的尺寸。对比试块材料焊缝及热影响区在用直探头以φ2 mm 平底孔灵敏度检测时，不应出现直径大于2 mm 的平底孔回波幅度1/4 的缺欠信号。

人工反射体在焊缝两侧对称分布，人工反射体的形状、尺寸和数量应符合标准规定并满足检测调试校准。根据检测区域的不同以及检测方法的不同，反射体的设计方法也不同。反射体需加工在对比试块上。如果焊缝区域有收缩，对比试块的外形需与实际焊缝一致。

按照SY/T 7464—2020 要求填充区及盖面区应按式（1）和式（2）进行层数划分，每层厚度不应超过3.5 mm。

式中：

int——向下取整；

Tw——焊缝厚度，mm；

n——划分层数；

h——每层厚度，mm；

r——根焊区厚度，mm。

注：层数确定后的第1 层为盖面区，第2 层至第n层为填充区[10]。

Tw取值11，r取值2；计算得到n=3，h=3 mm。填充区2 个、盖面区1 个（如图11 所示）。

图11 填充区（F1、F2）、盖面区（Cap）

选用一维线阵探头，纵波线性阵列，分区扫查法以不同折射角度覆盖焊缝检测区域（R/HP/F1/F2）。声束覆盖根焊区、热焊区和部分填充区，声束覆盖上限在5 mm 左右，无法检测盖面区和上部的填充区部分（F2/Cap）。

相控阵探头距焊缝中心位置的选择宜最大可能覆盖目标反射体，并与爬波检测区域有效覆盖。需要根据不同的区域设置深度不同、角度不同的反射体，主要以平底孔为主，每个分区的高度约为 2.5 mm。填充、热焊及体积通道需设置φ3 mm 平底孔。

3.3 根部人工反射体设计优化

在焊缝根部内表面熔合线外侧各设置1个矩形槽，深度为0.5 mm，长度为15 mm，宽度取1 mm，根部槽校准根部通道。在根部及热焊区中间深度的坡口熔合线位置设置1 个平底孔，平底孔尺寸应为φ3 mm，平底孔轴线应垂直于坡口线，此平底孔校准热焊层通道，主要检测热焊区，兼顾根部坡口未熔合。

CRA 复合管根部为复层、基层、焊缝结合部位。此处波形复杂，且根部形成的错口、内凹、未熔合、未焊透缺陷，会造成根部应力集中、电化学腐蚀等。这些缺陷的有效检出是CRA 复合管质量重点，也是AUT 检测工艺的重点和难点。由于这些缺陷自身存在不同的形状特征，会形成不同的反射波幅和角度反射。为加强根部的检测，根部会增加设计2 个反射体（根部平底孔）针对性地模拟回波信号，使用多角度（70°、60°、56°）进行检测，应用专用CRA 软件对缺陷进行定量。

3.4 爬波检测反射体设计及优化

双晶并列式爬波探头通过选择合适的f×D值，改变声束主瓣对应折射角度，可改变对表面和近表面缺陷的敏感度，有利于近表面缺陷的探测，检测深度为0 ～9 mm。检测范围较小，检测最远距离通常在探头前30 ～40 mm。本项目采用爬波声束覆盖盖面区和填充区部分。

试块焊缝中心设计角度为70°、深度为7 mm 的φ3 mm 平底孔，盖帽区设置3 种矩形槽，参数见表1。

表1 盖帽槽参数

爬波通道使用1 mm 盖帽槽及7 mm 深φ3 mm平底孔校准，实施校准时，3 个盖帽槽、7 mm 深φ3 mm 平底孔需清楚辨识。用以验证爬波探头参数的适用性、检测灵敏度及检测覆盖范围。

3.5 TRL 检测反射体设计及优化

此实验段为管壁较薄的小径管。经多种角度探头试验对比，选用56°短聚焦TRL（双晶纵波）探头。使聚焦区域能覆盖焊缝根部复合层区域（如图12 所示），使根部有较高的检测灵敏度和信噪比，提高危害性缺陷的检出率。

图12 TRL 探头通道覆盖范围示意图

TRL 通道以根部槽校准。沿试块轴线移动TRL 探头，至信号达到最高波幅，固定探头。移动扫查器至信号达到最高波幅，固定扫查器。调整增益，至信号达到满屏高度的80%，此作为基础参考灵敏度。实施校准时，根部槽及56°根部平底孔需清晰辨识。

3.6 TOFD 检测反射体设计及优化

TOFD 检测对焊缝中部缺陷检出率很高，容易检出方向性不好的缺陷，可以识别表面开口缺陷，缺陷定量、定位精度高。

内外表面设计制作2 个尖角槽，验证TOFD 通道上下表面盲区，尖角槽参数见表2。

表2 尖角槽参数

CRA 复合管的AUT 校准试块设计是一个比较复杂的过程，其反射体的设置根据不同的材料及管径尺寸均会不同，这些都必须系统地考虑各种因素、质量要点和检测重点。

4 结束语

剑阁区块礁滩气藏试采地面工程已经顺利地完成交工验收。结合工程实际，笔者对薄壁小管径CRA 复合管AUT 检测工艺进行了研究探讨，优化对比试块。解决了小管径CRA 复合管AUT 检测技术问题，证明了AUT 检测工艺对薄壁小管径CRA 复合管具有良好的适用性。

随着AUT 技术的发展，仪器探头制作工艺的进步，双线阵阵列探头和双面阵阵列探头的研发应用，软件技术的提升，检测工艺必将呈现多元化发展。本文针对以上内容并结合笔者多年的相关经验，对薄壁小管径CRA 复合管AUT 检测研究与应用中存在的问题进行了研究探讨，并给出了意见和方案，希望能够为以后的相关应用研究提供一定的参考。