分享：油氣管道不等壁厚內錐孔環(huán)焊縫的相控陣超聲檢測

在建設長距離油氣輸送管道時,不同的地區(qū)等級或穿跨越地段會采用不同的強度設計系數,且不同管段選用不同壁厚規(guī)格的鋼管,考慮到熱煨彎管制造過程中的壁厚減薄,熱煨彎管的設計壁厚一般要大于直管段壁厚。由于管道沿線鋼管和管件壁厚的變化,在管道現(xiàn)場焊接過程中,不等壁厚鋼管的焊接較為常見,在復雜山區(qū)尤為突出[1]。 

不等壁厚焊接普遍采用倒角式內坡口,研究發(fā)現(xiàn),倒角式內坡口是造成環(huán)焊縫失效的一個重要因素,主要體現(xiàn)在以下3個方面：變壁厚處焊接結構不連續(xù),存在較大的應力集中；不等壁厚焊接時,根焊縫質量不易控制,容易出現(xiàn)焊接缺陷；外形尺寸不規(guī)則,無損檢測時容易出現(xiàn)缺陷漏檢情況[2-3]。 

國內開展了一系列針對孔錐形內坡口改進的研究工作。無損檢測作為長距離油氣輸送管道施工的一個關鍵工序,對于保證焊接質量以及后續(xù)的安全運營有著至關重要的作用。其中,相控陣超聲檢測（PAUT）方法已基本取代常規(guī)超聲檢測,廣泛應用于油氣管道組合自動焊、半自動焊和返修焊接的檢測中。文章圍繞油氣管道常用的PAUT檢測,針對孔錐形內坡口引起的檢測質量問題進行了理論（仿真）分析和對比試驗,提出了不同壁厚組合適宜的最小錐孔長度,為工程應用提供了有力的技術支持。 

1.   焊縫內坡口形式變化

陸上油氣管道建設采用的鋼管均為等外徑設計,不等壁厚鋼管焊接需要在內徑位置進行坡口處理,目前國內外不等壁厚環(huán)焊縫處一般采用倒角式內坡口,即將厚壁管機械加工成斜坡口,使其壁厚等于薄壁管,如圖1所示。 

圖  1  倒角式內坡口結構示意

針對不等壁厚環(huán)焊縫的倒角式內坡口存在的問題,國內外開展了孔錐形內坡口的改進研究,將壁厚過渡從環(huán)焊縫區(qū)域移開,在不等壁厚處實現(xiàn)等壁厚焊接,如圖2所示。該坡口可以使不等壁厚環(huán)焊縫實現(xiàn)等壁厚焊接,減少了不等壁厚環(huán)焊縫處的形狀突變,有助于改善變壁厚環(huán)焊縫處的應力集中現(xiàn)象,且可以有效減少根部未融合、未焊透等缺陷,有利于提高焊接質量和效率、保證焊縫缺陷檢測的質量和可靠性,具有顯著的工程應用價值[4-5]。 

圖  2  孔錐形內坡口結構示意

由圖1,2可知,兩種坡口形式中都存在倒角。對于相控陣超聲檢測來說,這會改變正常的聲束傳播路徑,嚴重影響環(huán)焊縫的檢測結果,導致檢測區(qū)域的缺陷漏檢、缺陷評判錯誤、缺陷位置偏差等。因此,孔錐形內坡口需要對最小錐孔長度進行限制,不同的壁厚組合要求的最小錐孔長度也有差異,以避免超聲波傳播路徑經過倒角,從而實現(xiàn)等壁厚檢測。 

2.   倒角對相控陣超聲檢測的影響分析

目前常用的相控陣設備沒有復雜工件坡口建模功能,現(xiàn)場檢測只能按照等壁厚對接進行設置、掃查和分析,得到的掃查結果與實際焊接情況不符,給缺陷分析及評價帶來困難,容易導致缺陷的漏檢或誤判,不利于保證管道的焊接質量。 

2.1   倒角式內坡口的檢測區(qū)域波束覆蓋分析

利用BEAMTOOL軟件進行波束仿真分析。針對21.4 mm與25.7 mm的壁厚組合、V形倒角式內坡口進行建模仿真,采用ZETEC LM-5 MHz探頭、LM-55SW型楔塊進行仿真分析,結果發(fā)現(xiàn)：當探頭置于厚壁側時,無論如何調整檢測方案,波束覆蓋范圍明顯不足,在探頭側的焊縫外表面或探頭另一側的焊縫中心部分區(qū)域總會出現(xiàn)漏檢區(qū)。漏檢區(qū)是超聲聲束在倒角斜邊上反射造成的,無法通過調整檢測方案消除。 

2.2   倒角對波束傳播路徑的影響分析

管道環(huán)焊縫PAUT檢測采用二次波通過底面反射實現(xiàn)對上部檢測區(qū)域的檢測。倒角的存在導致超聲聲束的發(fā)射、接收路徑與等壁厚檢測時的有明顯差異,而PAUT設備不具備智能分析功能,只能根據聲束角度和聲程顯示反射信號的位置,從而導致缺陷顯示位置與實際位置不符。 

針對21.4 mm與25.7 mm的壁厚組合、V形（坡口角度為23°）的倒角式內坡口（倒角為12°）進行建模仿真,依據21.4 mm壁厚開展檢測方案設置,采用ZETEC LM-5 MHz型探頭和LM-55SW型楔塊,激發(fā)晶片數為16,起始晶片號為30,波束角度為35°~70°,仿真結果如圖3所示。 

圖  3  21.4 mm與25.7 mm的壁厚組合倒角式內坡口PAUT整體波束仿真圖

選擇檢測填充區(qū)域的一個聲束進行分析,如發(fā)射聲束52°,其波束經過錐形孔斜邊反射后,二次波與豎直線的實際夾角為28°,這樣能夠檢測出距上表面8.7 mm的坡口面未熔合（聲束中心通過深度為8.7 mm、距焊縫中心5.17 mm的坡口面）,實際超聲波傳播路徑如圖4所示。 

圖  4  52°聲束通過坡口面某一點的實際傳播路徑

根據上述波束傳播路徑,可以分析得出：波束經過倒角θ后,波束角度發(fā)生變化,由原來的入射角α轉變?yōu)榉瓷浣?/span>β,且β=α-2θ。 

由于設備沒有復雜工件的建模功能,其波束傳播路徑不會像圖4那樣進行轉變角度計算,二次波仍然按照設置的52°傳播參數計算并顯示,這樣就導致掃查結果中,設備還是以薄壁、原入射角顯示,從而使得缺陷顯示的角度較實際所處的角度大。 

在圖4厚壁側繪制21.4 mm薄壁底板,其與一次波相交于A點,一次波在錐形孔斜邊B點發(fā)生反射,角度改變后繼續(xù)傳播,在C點與坡口面相交,如圖5所示,該路徑為實際聲束的傳播路徑。測量AB段長度為5.22 mm,BC段長度為18.06 mm,兩段合計23.28 mm。 

圖  5  52°聲束通過坡口面某一點的實際傳播路徑

52°聲束通過坡口面某一點缺陷的顯示如圖6所示。二次波傳播23.28 mm后,原C點缺陷顯示在水平方向位于焊縫中心附近處（52°聲束,向大角度方向偏離）,深度基本不變,沿高度方向略微向上表面靠近,從8.70 mm變化為7.07 mm。 

圖  6  52°聲束通過坡口面某一點缺陷的顯示圖

通過以上分析可以看出,在非漏檢區(qū)域可以檢測出缺陷,但顯示的缺陷位置與實際位置存在差異,深度偏差基本可以忽略。 

2.3   孔錐形內坡口錐孔長度的影響分析

孔錐形內坡口的錐孔長度為0 mm時,其檢測結果與倒角式內坡口相似。隨著錐孔長度的增加,中、小角度聲束經過壁厚過渡角和厚壁底面的長度越來越小；當錐孔長度達到一定程度后,聲束全部在與薄壁厚度一致的底面反射,此時已實現(xiàn)等壁厚檢測。只要超聲聲束經過壁厚過渡角產生反射,其路徑傳播過程和缺陷顯示結果就與倒角式內坡口的分析一致。 不同錐孔長度的聲束仿真結果如圖7所示。 

圖  7  不同錐孔長度的波束覆蓋仿真結果

由圖7可知,錐孔長度為0 mm時,聲束在倒角和厚壁底板反射,存在檢測區(qū)域漏檢；錐孔長度為5 mm時,聲束在薄壁底板、倒角和厚壁底板反射,存在檢測區(qū)域漏檢；錐孔長度為10 mm時,聲束在薄壁底板、倒角和厚壁底板反射,存在檢測區(qū)域漏檢；錐孔長度為20 mm時,波束在薄壁底板和倒角反射,存在檢測區(qū)域漏檢；錐孔長度為25 mm時,聲束在薄壁底板和倒角反射,存在檢測區(qū)域漏檢；錐孔長度為35 mm時,聲束在薄壁底板和部分倒角反射,檢測區(qū)域聲束覆蓋正常,能夠正確顯示出檢測區(qū)域缺陷。 

波束在倒角發(fā)生反射時,由薄壁過渡到倒角,引起二次波束角度突變,從而產生局部檢測區(qū)域的漏檢,且漏檢一直存在,只是錐形孔長度較小時,漏檢現(xiàn)象不明顯；隨著錐形孔長度增加,漏檢現(xiàn)象開始明顯,直至檢測區(qū)域的波束不再利用倒角反射（此長度即是最小錐孔長度）。因此,相控陣檢測應避免利用倒角反射,不同壁厚組合需要確定合理的最小錐孔長度。 

3.   不等壁厚焊縫檢測模擬和檢測試驗

3.1   測試試塊設計加工

針對21.4 mm與25.7 mm的不等壁厚焊口,加工測試試塊4個,錐形孔長度分別為0,20,25,35 mm,其中,每個試塊上設計加工的反射體類型和分布如圖8所示。 

圖  8  測試試塊結構及其反射體分布示意

設計說明：① 反射體總計13個,每個反射體之間的距離為30 mm,按照序號順序加工布置反射體；② 1#,5#,7#,11#為矩形槽,尺寸（長×寬×高,下同）為10 mm×1 mm×1 mm；③ 2#,3#,4#,8#,9#,10#均為?2 mm的平底孔,其中,2#,10#從上表面開始,3#,9#的中心距上表面1/3t2, 4#,8#從鈍邊以上沿坡口面向上；④ 6#為內表面根部矩形槽,尺寸為10 mm×1 mm×1 mm；⑤ 12#為外表面中心開口槽,尺寸為10 mm×1 mm×1 mm；⑥ 13#為?2 mm的長通孔（長度為40 mm）,距上表面1/2t2。 

3.2   試驗測試掃查方案

試驗驗證采用Zircon型相控陣設備,根據21.4 mm壁厚焊縫波束仿真的結果進行檢測方案設置和校準,具體設備裝置和掃查參數如表1所示。不等壁厚試塊PAUT實際檢測時采用手推掃查架,如圖9所示。 

圖  9  測試試塊實物與PAUT掃查示意

3.3   仿真模擬和試驗測試結果對比分析

仿真模擬和試驗測試結果對比分析如表2所示,其中左側對應為薄壁,右側對應為厚壁。 

Table  2.  21.4 mm與25.7 mm不等壁厚焊縫的仿真模擬和試驗結果對比

序號	錐孔長度/mm	模擬仿真圖	掃查結果圖	對比分析結論
1	0			薄壁側探頭檢測出厚壁側的上表面刻槽（HAZ區(qū)）,但是厚壁側探頭對該HAZ刻槽漏檢。實際試驗與模擬仿真結果一致
2	20			模擬顯示靠近上表面的填充區(qū)域及表面漏檢；HAZ槽在波束覆蓋范圍內,但是壁厚過渡角導致二次波反射角度發(fā)生變化,缺陷顯示的位置與實際出現(xiàn)偏差。實際試驗顯示了HAZ槽缺陷,但是刻槽顯示位置向大角度偏移,深度位置基本一致。與前述理論分析、模擬仿真結果一致
3	25			模擬顯示上表面（含HAZ槽）漏檢。實際試驗顯示HAZ槽缺陷漏檢（信號幅值較低）,與模擬仿真結果一致
4	35			模擬仿真和實際試驗都顯示檢測正常,兩者結果一致

通過0,20,25,35 mm 4個測試試塊的模擬仿真和試驗測試的結果分析,可知：① 兩者的結果一致,說明可以利用有效的模擬仿真代替實際的試驗驗證,減少由實際測試引起的成本；② 建議21.4 mm與25.7 mm壁厚、孔錐形內坡口+V形坡口的環(huán)焊縫,錐形孔最小長度不低于35 mm。 

4.   結語

（1）倒角式內坡口環(huán)焊縫相控陣檢測不可避免地存在局部檢測區(qū)域漏檢。同時,超聲聲束在倒角發(fā)生反射時,即使能夠檢測出缺陷,但顯示的缺陷位置與實際位置存在差異：缺陷顯示在偏大的角度波束方向上,缺陷的實際位置所處的二次波角度應為顯示的一次波入射角減去2倍倒角；缺陷顯示的深度偏差基本可以忽略。 

（2）孔錐形內坡口對最小錐孔長度進行限制后,能夠將壁厚過渡從環(huán)焊縫區(qū)域移開,在不等壁厚處實現(xiàn)等壁厚焊接和檢測,有利于提高環(huán)焊縫檢測的檢出效果。 

（3）針對油氣管道常用的21.4 mm與25.7 mm的壁厚組合,通過模擬仿真和試驗驗證相結合的方法,證明了兩者檢測結果的一致性,提出了最小錐孔長度不低于35 mm的限制要求。這對于確定其他不同壁厚組合的最小錐孔長度,推動孔錐形內坡口在管道工程的應用等方面具有指導意義。

文章來源——材料與測試網