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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-07-25 15:09
國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司成立后，相關的企業(yè)標準也陸續(xù)頒布，標準對應的要求也日益嚴格。
對埋弧焊管焊縫超聲檢測的要求尤其嚴格，如增加了非分層檢測、管端坡口面檢測，還增加了焊趾處（內(nèi)側(cè)、外側(cè)）刻槽反射體（N5）用于設置閘門起始位置和結束位置，不能用于調(diào)節(jié)檢測靈敏度的要求。
尤為關鍵的是，增加了X60及以上鋼級且壁厚>12 mm中間區(qū)域檢測（脈沖回波或串列檢測）的要求。
同時，殼牌標準中也對壁厚≥ 12 mm的HFW（高頻電阻焊管）及SAW（埋弧焊）焊管提出了中間區(qū)域檢測的串列檢測要求，挪威船級社DNV GL標準同樣提出了相關的串列檢測建議。
華油鋼管有限公司揚州分公司的產(chǎn)品包含直縫埋弧焊管（SAWL）、螺旋埋弧焊管（SAWH）、高頻電阻焊管（HFW）等。為提高焊管產(chǎn)品質(zhì)量，更好地服務于行業(yè)，公司技術人員對相關標準的要求進行詳細分析，對工藝規(guī)程進行比較，探討3種產(chǎn)品的串列檢測應用及對應技術要求。
油氣輸送用焊管相關標準要求
首先探討國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司企業(yè)標準DEC系列標準（如DEC-OPL-S-PL-004-2021-2《成品油管道工程鋼管技術規(guī)格書》）及中國石油企業(yè)標準CDP-S-NGP-PL-006-2019-4《天然氣管道工程鋼管技術規(guī)格書》，兩個企業(yè)標準均是對標準API Spec 5L：2018《管線鋼管規(guī)范》或GB/T 9711-2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》標準的補充。
兩個企業(yè)標準關于SAW的鋼管焊縫區(qū)探頭的數(shù)量/參考反射體要求基本一致，而對HFW串列檢測未做要求，X60及以上鋼級大壁厚SAW焊管中部的串列檢測或脈沖反射檢測參考反射體要求如表1所示，其中壁厚為32.0~42.0 mm情況下的焊縫一側(cè)25%，42%，58%，75%壁厚平底孔位置如圖1所示，其余不再一一列舉。
表1 X60及以上鋼級大壁厚SAW焊管中部的串列檢測或脈沖反射參考反射體要求
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壁厚T /mm |
內(nèi)區(qū) 反射體數(shù)量 |
中間區(qū) |
外區(qū) 反射體數(shù)量 |
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≤12 |
1 |
不要求 |
1 |
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12<T ≤18 |
1 |
中心位于壁厚中部 |
1 |
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18<T ≤24 |
1 |
中心位于壁厚的40%和60% |
1 |
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24<T ≤32 |
1 |
中心位于壁厚的30%，50%，70% |
1 |
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32<T ≤42 |
1 |
中心位于壁厚的25%，42%，58%，75% |
1 |
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檢測模式 |
脈沖回波 |
脈沖回波或串列 |
脈沖回波 |
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參考反射體 |
φ3.2徑向鉆孔當量如果設置為80%滿屏幕高度，則驗收等級為10 dB |
φ3.0平底孔（FBH）位于原始焊縫坡口，深度與檢測區(qū)域有關 |
φ3.2徑向鉆孔當量如果設置為80%滿屏幕高度，則驗收等級為10 dB |
圖1 焊縫一側(cè)25%，42%，58%，75%壁厚平底孔位置示意
其中位于坡口處的φ3 mm平底孔參考反射體可以使用脈沖回波法進行檢測，如果坡口角度小于15°，則應使用串列探頭。
殼牌標準DEP 31.40.20.37-Gen：2019 Line Pipe for Critical Service中表E7.1和表E7.2分別規(guī)定了HFW鋼管和SAW鋼管關于不同壁厚對應的參考反射體及探頭數(shù)量的要求。其與國家管網(wǎng)DEC系列標準有部分差異，如規(guī)定了HFW串列檢測的要求，即不依據(jù)材料而只是根據(jù)壁厚確定中間區(qū)參考反射體深度及數(shù)量。其余大體與DEC系列標準要求類似，串列探頭使用的參考反射體同樣為φ3 mm平底孔。
DNV GL-ST-F101-2017《海底管線系統(tǒng)》中D.8.9.11節(jié)提到，HFW串列檢測要求應用一種或多種探頭配置，如果使用串列探頭則應將其布置在焊縫兩側(cè)，并且使入射角盡可能垂直于焊縫的中心線，而未提到SAW鋼管串列檢測的要求。
GB/T 11345-2013《焊縫無損檢測 超聲檢測 技術、檢測等級和評定》標準10.2條款技術4要求進行串列檢測，但使用的是φ6 mm平底孔作為參考反射體，該技術僅應用于斜探頭（折射角為45°）檢測厚度T≥15 mm的焊縫，其附錄B規(guī)定了串列檢測的要求和較為詳盡的計算過程。
而新版GB/T 11345-2023（2024年6月1日執(zhí)行）以及對應的ISO 17640：2018標準對于檢測厚度的要求為T≥40 mm的焊縫。檢測壁厚范圍的更改，是基于超聲波技術的發(fā)展以及實際的應用效果作出的，較為合理。
串列超聲檢測參考反射體制備
下面就DEC、CDP、殼牌等相關標準涉及的φ3 mm平底孔的一種制備方法進行描述。φ3 mm平底孔參考反射體主要有兩種：一種位于焊縫中心位置，適用于串列檢測法；另一種位于上下坡口面位置，適用于脈沖反射法或串列檢測法。
根據(jù)標準要求，制備不同數(shù)量和類型的φ3 mm平底孔時，φ3 mm平底孔底面應與焊縫內(nèi)外焊中心線或坡口熔合線基本重合。這就要求加工參考反射體時要嚴格而精細，做好各項準備工作并計算好相對應的各項參數(shù)。
首先在合適位置切割工藝口（可以在距離焊趾約15 mm處切割），在加工完參考反射體后再焊接回去并保證焊接后的表面與圓弧面保持基本一致。加工參考反射體時，按照理論計算的位置、鉆孔深度及角度，并按照該角度制作的卡紙工裝，沿著卡紙邊緣進行加工。
為了保證穩(wěn)定性，采用吸附鉆加持對應工裝進行鉆孔，加工時先用φ3 mm鉆頭打孔，加工到距離計算的位置剩余約3 mm處，然后繼續(xù)用φ3 mm銑刀加工至理論計算的位置處，此時需要更加精細地加工并及時測量，最終使得φ3 mm平底孔底面與焊縫內(nèi)外焊中心線或坡口熔合線基本重合。
以下是加工φ3 mm平底孔需要的相關理論計算。
SAWL和HFW參考反射體的制備
SAWL和HFW按照圓弧計算相應參數(shù)。
1、位于焊縫中心線的φ3 mm平底孔位置的理論計算
已知管徑D和壁厚T，平底孔位于壁厚方向上的深度定義為k（如k=30%）。切割工藝孔邊緣距離焊縫中心距離約為15~20 mm，其位置計算如圖2所示。需要確定鉆孔中心距上表面的距離、深度及角度，即圖2中的CH長度、BH長度及θ。
圖2 位于焊縫中心線的φ3 mm平底孔位置計算示意
由于半徑R=D/2，AB=kT，OB=R-AB，則BH=OB×tgα，OH=OB÷cosɑ，CH=R-OH。
另由于圓心角ɑ=(x/πD)×360°，β=90°-ɑ，則θ=180°-β。由此3個參數(shù)均計算得出，可以確定φ3 mm平底孔的位置。
2、位于坡口面的φ3 mm平底孔位置的理論計算
(1)位于焊縫上坡口處φ3 mm平底孔
為了確定位于坡口面的φ3 mm平底孔位置，需要確定鉆孔的位置、深度和角度，即應確定CD、FC的長度及∠ɑ，如圖3所示。
已知管徑D和壁厚T，平底孔位于壁厚上的百分數(shù)定義為k（如k=30%）。半徑R=D/2，BF=kT，則OF=R-kT，坡口面角度為θ，AG=O'G÷cosθ（O'G根據(jù)工藝要求或?qū)嶋H測量的θ和鈍邊可以計算得出），∠CFG=90°（制作的φ3 mm平底孔應垂直于坡口面），由此，φ3 mm平底孔位置的參數(shù)全部計算得出。
圖3 位于焊縫上坡口面的φ3 mm平底孔位置計算示意
在△AOG中，∠AGO=180°-θ，根據(jù)正弦定理計算得出：
同理在△AOF中，計算得出：
在△COF中，計算得出：
即∠ɑ和FC的長度均已計算得出，則：
3個參數(shù)均計算得出，故可以確定φ3 mm平底孔的位置。
(2)位于焊縫下坡口處φ3 mm平底孔
為了確定垂直于坡口面的φ3 mm平底孔位置，需要確定鉆孔的位置、深度及角度，即應確定CD、GC的長度及∠ɑ，如圖4所示。
已知管徑D和壁厚T，平底孔位于壁厚上的百分數(shù)定義為K（如K=70%）。半徑R=D/2，OG=R+(D-KT)，坡口面角度為θ，AG=O'G÷cosθ（AO'根據(jù)工藝要求的坡口面角度θ和鈍邊可以計算得出）。
圖4 位于焊縫下坡口面的φ3 mm平底孔位置計算示意
在△AOO'中，應用正弦定理可得：
同理在△GAO中，計算得出：
3個參數(shù)均計算得出，則可以確定φ3 mm平底孔的位置。
SAWL參考反射體的制備
螺旋埋弧焊鋼管一般管徑較大，由于其切面近似橢圓形，各種計算較為復雜，此處不做詳細描述，制備φ3 mm平底孔時參考直縫埋弧焊管。另外，計算法不是唯一方法，采用計算機制圖也可以得出精確結果。
探頭選擇及布置
串列探頭工作原理及探頭選擇
一般焊縫進行脈沖反射法檢測時，只需一個探頭進行發(fā)射和接收脈沖；但大壁厚焊管易產(chǎn)生垂直于掃查面的面狀缺陷（如坡口未熔合、中心裂紋等），故對此類焊縫，需采用串列式超聲檢測的方法。
串列式超聲檢測時，采用一發(fā)一收兩個折射角相同的探頭，一個探頭發(fā)射超聲波脈沖，另一個探頭接收超聲波脈沖。
如果焊縫中存在垂直于表面的壁厚中部裂紋或未焊透缺陷，探頭A發(fā)射的超聲波在缺陷表面進行反射，反射的超聲波經(jīng)鋼管內(nèi)外表面反射，被探頭B接收，在示波屏上顯示出缺陷波，若無缺陷存在時，探頭A發(fā)射的聲波無反射，探頭B接收不到反射波，示波屏上無波形顯示。即只有遇到缺陷，入射波經(jīng)反射后被探頭B接收到才有波形顯示。
標準GB/T 11345-2013規(guī)定，串列檢測僅應用于斜探頭（折射角為45°），但標準的規(guī)范性附錄B也同時指出，受檢測對象的幾何條件限制時可使用折射角不為45°的斜探頭。而不同規(guī)格的鋼管受壁厚以及焊縫余高的影響，45°斜探頭已不適用，一般選擇折射角更大的探頭，下文筆者仍選擇折射角為45°探頭進行描述。
不同深度參考反射體對應的探頭位置
根據(jù)串列超聲檢測原理，對40%，50%，60%（其余位置參考該內(nèi)容）不同位置深度處φ3 mm平底孔對應的探頭間距及第一個探頭聲波發(fā)射點距焊縫中心線位置進行計算、布置，并細微調(diào)節(jié)找到最高波確定最終位置。注意應考慮探頭的前沿和探頭夾具大小，避免出現(xiàn)探頭發(fā)生相互干擾的情況。
按照以下位置布置探頭，不同深度參考反射體對應的探頭位置如表2所示，表中K為探頭的K值，即tanβ，T為鋼管壁厚，40%~60深度參考反射體對應的探頭位置如圖5~7所示。
表2 不同深度參考反射體對應的探頭位置
圖5 40%深度參考反射體對應的探頭位置示意
圖6 50%深度參考反射體對應的探頭位置示意
圖7 60%深度參考反射體對應的探頭位置示意
檢測上下坡口面的探頭折射角應基本垂直于坡口面，然后根據(jù)加工的φ3 mm平底孔位置，按照脈沖反射法計算探頭的位置，此處不再詳細描述。
缺陷的定位及處理
若無超聲波自動探報警則進入下道手探工序，如果是非串列通道報警則使用常規(guī)手探復查，如果是串列通道報警則使用常規(guī)手探及串列手探復查，同時可以采用射線拍片來對報警處的缺陷進行驗證。
埋弧焊鋼管管徑一般較大，可以采用與平板焊縫類似的方式進行定位計算，而HFW鋼管就需要考慮曲面修正。
由于采用串列超聲檢測時，不論缺陷在任何深度位置，缺陷回波總是出現(xiàn)在固定位置，所以應按照兩個探頭在檢測面的相對位置進行定位。串列超聲檢測的缺陷定位方式如圖8所示。
圖8 串列超聲檢測的缺陷定位方式示意
在△ACD和△BEF中，L=h×tgβ，L'+L=(2T-h)tgβ，聯(lián)立解方程組，可得h=T-L'/tgβ，L=T×tgβ-L'/2。
利用以上公式，在檢測中測量出兩個探頭入射點之間的距離，就能計算出缺陷的埋藏深度h和水平位置L。
結語
對于大壁厚焊管，采用串列檢測法檢測壁厚中部缺陷時具有優(yōu)勢，通過分析和研究串列式超聲檢測的相關行業(yè)標準和技術要求，對串列超聲檢測參考反射體制備進行理論計算，然后對串列探頭工作原理及探頭選擇和布置方式進行探討。結果表明，在制備φ3 mm平底孔參考反射體時，應按照理論精確計算，并制作適合制造單位生產(chǎn)焊管的工裝；結合探頭布置計算和精細調(diào)節(jié)，對儀器進行校驗，使聲波能更全面地覆蓋焊縫全壁厚，從而更加有效地保障鋼管質(zhì)量。
作者：任國慶，于賓，夏翠紅，李忠凱，倪舒亞，朱斌燕，陳美，周強
工作單位：華油鋼管有限公司揚州分公司
第一作者簡介：任國慶，工程師，主要從事無損檢測工作。
來源：《無損檢測》2024年6期
來源：無損檢測NDT
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