石油天然气长输管道薄壁管环焊缝超声波探伤.pdf

2 0 0 3 年第2 5 卷第6 期 邹良鹏王向阳石油天然气长输管道薄壁管环焊缝超声波探伤 3 9 石油天然气长输管道薄壁管环焊缝超声波探伤 邹良鹏王向阳 中原油田建筑集团公司。濮阳4 s 7 { X 1 摘要结合齐鲁石化一青岛管道工程实际，介绍了将高频大K 值短前沿小径管探头，用于大口 径薄壁管环焊缝超声波探伤，取得较好成效的做法，着重对长输管道薄壁管环焊缝探伤中探头试块的选 用、回波信号的反射特点、缺陷波的一般判别方法和缺陷性质估判等方面进行了探讨和阐述。 关键词石油天然气长输管道 薄壁管环焊缝超声波探伤 长输管道是石油天然气行业产品的主要运输方 式。长输管道施工具有输送距离远、焊接工作量大，环 境条件差、质量要求高的特点。为控制工程质量，确保 管线安全运行，超声波探伤作为质量检验、控制的一种 有效手段，具有检验速度快、成本低、对面状缺陷敏感、 仪器轻便、对环境无污染、不需要特殊安全防护等诸多 优点，因而在长输管线焊缝检验中发挥着重要作用。 1 长输管线超声波检测具有的特殊性 1 薄壁管道多，一般管线的壁厚为5 8 m m ；管道 焊接主要是环缝的组对和焊接； 2 野外检测，受环境影响大； 3 探伤面是曲面，焊接接头为单面焊，管内根部 不能直接观察；由于壁厚薄，上下管壁及焊缝表面易产 生几何反射，造成假缺陷信号。引起误判，与一般容器 焊缝或平板对接焊缝超探相比，具有一定难度。 2 长输管线薄壁管环焊缝超声波探伤注意点 因此，长输管道焊缝超声波探伤人员不仅应掌握 超声波探伤的基础理论、具备管道材料、焊接、组对等 方面的知识，还应具有管道焊缝的探伤经验。笔者从 事无损检测工作l O 余年，先后参加了河南义郑管道工 程、齐青管道工程等2 0 多项工程的超声波和射线探伤 工作，在油田管线探伤，特别是在长输管道超声波探伤 方面积累了一定经验。现在结合参加施工的齐鲁石化 青岛管道工程，谈一下自己在长输管道薄壁管超声 波探伤实践中体会．我们认为，在长输管线薄壁管环焊 缝超声波探伤中，除与一般平板焊缝探伤具有的相同 之处外，还应注意以下几点 2 ．1 对于壁厚不大于8 m n 的薄壁管，应尽量选用高 频方晶片大K 值短前沿小径管探头。如齐一青管道 工程我们选用的是5 1 8 8 K 2 ．5 小径管探头．理由是 1 长输管线大多为薄壁管，为了减少探测时上下 管壁的几何反射波，要求超声束的指向性好，扩散角 小．根据超声束的指向角计算公式 Q a r e S i n K L t D 式中K 系数对圆晶片K 1 ．2 2 ，对方晶片K 1 ．0 ； 卜传播介质中钢中的波长，m m r l ； n 一圆晶片或方晶片的边长，m i l l o _ 一超声束的指向角。 可见，只有提高超声波频率，使波长减小，增大晶 片尺寸，并选用方晶片，才有利于提高超声束指向性。 一般工作频率可取5 M H Z ．采用方晶片时，晶片尺寸可 选用8 8 ，9 9 等，而小径管探头能满足上述要求。 2 在薄壁管道探伤中，为了减少管壁几何形状对 超声波的影响，减少对缺陷的定位误差，提高管道焊缝 中根部缺陷的检出率，使一次波能扫查到焊缝截面下 部1 1 4 壁厚区域，要求探头的前沿距离小，K 值适当大 些。而小径管探头前沿距离一般不大于1 0 r a m 。我们在 齐一青管道工程探伤中所选探头前沿长度仅为6 m m ， K 为2 ．5 ，能较好地满足超声波探伤要求。薄壁管探 头的前沿距离和K 值，一般可根据管线的壁厚以及被 检焊缝的宽度，按表l 的推荐值选用。 裹l 前沿距离和K 值选用 3 、由于长输管道管壁均具有一定曲率，所以相应 探头接触面也应是圆柱形曲面，且曲率半径最好与相 应管道相同。这样，耦和效果好。而用一般平面探头 探伤探头与管壁吻合不良，会在探伤中产生很多杂波， 且灵敏度下降，甚至导致无法探伤。而小径薄壁管专 用探头为曲底面，恰好能满足薄壁管探伤要求，如石油 天然气总公司研究所生产的5 P 6 6 、5 P 8 8 型探头， 汕头超声波仪器公司生产的5 P 9 9 型探头等。 万方数据 化工建设工程狮年第2 5 卷第6 觏2 ．2 应使用专门的试块薄壁管对接焊缝超声波探伤时，由于具有一定益率，一般平面试块无法直接借用，要利用专用试块来调节仪器的时基扫描线比例和灵敏度，如电力部门电力导则中规定的对比试块I 。对比试块Ⅲ等以及石油天然气行业所特有的2 种对比试块S G B 和S R B 试块。齐一青管道工程采用了后两种试块，其形状与电力导则中的试块相同。S G B 试块属于标准试块，其工作面采用圆柱状曲面曲率与被检管道一致或相近；外形尺寸长宽X 高为2 4 0 2 0 7 0 ，7 个毗横通孔分列，从5r I H l l 到6 0 I n l n 按高度均匀分布，可以满足5 3 0 r a m 的管道制作距离一波幅曲线的要求。S G B 试块主要用于测定仪器、探头和超声波系统的性能，以及对仪器进行调整和校验。S R B 试块属于对比试块，允许检测单位自己制作。一般可从被检管道上截取一段，在管段内壁加工宽为2 r a m 、槽深为1 0 ％壁厚的矩形槽而成，主要用于比较焊缝根部的未焊透深度。在长输管道薄壁管探伤中，应使用专门试块。因为标准试块 s G B 可以避免由于试块和被检工件的工作面形状差异，而引起的超声波系统在试块上测出的性能，与系统在实际工件上具有的性能不一致。而对比试块 S i l l ] 的曲率、表面粗糙度与被检管道相同，因而对管焊缝中的未焊透的检测结果更能接近缺陷的真实情况。2 ．3 应采用单面双侧一、二次波及三次波探测。“单面双侧”指的是管道外壁被检焊缝的两侧探伤面。在对管道焊缝作超声波时，应分别在焊缝两侧各做一次检测。用一、三次波探测焊缝下部缺陷，用二次波探测中上部缺陷，以利于有效地发现和检出缺陷。其理由是 1 焊缝中的缺陷具有一定的方向性，尤其是面状缺陷，如坡口未熔合等，在焊缝两侧的不同方向的声束扫查焊缝，有利于防止缺陷漏检。 2 管道对接焊缝为单面焊，管道内壁表面状况往往不能直接观察，只有通过在焊缝两侧用一、二、三次波进行扫查，才能对缺陷信号或内壁表面反射作出鉴别。例如，当有错边存在时，焊缝内表面可能具有良好的反射条件，从回波信号可确定反射点在焊缝中心线上，且位置在焊缝底部，但从焊缝另一侧探测时，就没有反射信号；而对于根部未焊透，从焊缝两侧探测均有强烈的反射信号，水平定位均在焊缝中心线上，且处于根部。又例如，当焊缝的内表面存在焊瘤时，在探伤中一般也会出现较强的反射信号其波形常与根部未焊透、内凹差不多，反射点均在焊缝根部附近。主要区别是从两侧探测时，反射点都能判定在焊缝中远离探头的一侧，声程着落点互相交叉。 3 对焊缝中的缺陷性质的判定，往往需要对从两侧到的缺陷波形以及确定的位置进行比较、分析，才能得到比较可靠的结论。如对焊缝边缘的坡口未熔台缺陷，在焊缝两侧探伤，对缺陷的水平定位应在焊缝的熔合线附近。从缺陷侧探测的二次波信号强，～、三次波信号弱；从非缺陷侧探测，则情况恰好相反，所以对于薄壁管道，一般应以二次渡在焊缝两侧检测。又如，对于未焊透、根部裂纹和内凹这三种焊缝根部缺陷，从焊缝两侧对这三种缺陷进行探测时，从两侧测定的同一缺陷的两个反射点的距离△L 是不一样的。对于裂纹，△L 0 ，对于根部未焊透，△L 约为管道对口间隙的宽度，大约1 2 m m ；对于内凹，△L 则可能为3 4m m 且波高也都比较低。 4 在薄壁管的焊缝超声波检测中，应尽量采用直射波 一次波 扫查焊缝根部．这是因为①直射波探伤无焊缝表面反射形成的几何反射波干扰，容易辨认出缺陷信号；②直射波声程短，无管壁的多次反射，衰减小，因而发现缺陷的灵敏度高；③直射波声束截面小，分辨率高，易于对缺陷定位，且便于发现焊缝根部缺陷。4 一般应根据回波信号的位置来判别是否为缺陷波由于长输管道壁薄，检测时超声束多在近场区，一般采用水平法定位．因而可根据回波信号的位置来判断其是否为缺陷波。下列几条可作为参考 1 如回波信号峰值出现在示波屏一次标记点前，则为缺陷信号； 2 从焊缝两侧探测，二次水平定位反射波信号都在焊道中间，则为缺陷； 3 从焊缝两侧探测，二次水平定位反射波信号都在靠近探头的一侧，则焊缝中心线两侧各有一个缺陷； 4 从焊缝两侧探测作水平定位，反射点位置分别都在远离探头的一侧，则所发现的反射波为几何反射信号； 5 仅在焊缝一侧探测发现反射波信号，如果水平定位在焊缝中靠近探头的一侧或焊缝边缘，则此信号为缺陷信号；否则为焊缝表面的几何反射波。 6 在示波屏的二次标记点上出现的回波信号，经水平定位，只要有一侧定位在焊缝中靠近探头的一侧，则该信号应判为缺陷波； 7 如果从两侧探测，在示波屏的三次 或一次 标记点上都出现回波信号，且水平定位均在同一位置，则应判为缺陷； 下转3 8 页 万方数据 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 3 8 化工建设工程 2 0 0 3 年第2 5 卷第6 期 防腐层已去除 ，隔热后回填到地面高度。地温探测 器放置在管子中心，距管线表面2 0 e m 的位置，而后用 原土回填。这样一来，即可随时准确地以图表形式记 录试压工程中的管内水温、地面温度和管子温度。 3 分段清管试压工艺异同 3 ．1 分段清管 以往采用炮弹式海绵密封球和圆橡 胶球结合进行通球，用球少，遍数少，达不到清管目的。 而西气东输送清管第一遍采用碗式清管器和通直板双 向8 片聚酯盘清管器相结合，先放人直板式清管器约 5 0 0 m 后，再放入皮碗式清管器，清除固体物质和碎屑。 第二遍通带尼龙盘刷的清管器和泡沫清管器强化清除 灰尘和氧化皮。清管后管道内要无灰尘吹出，保证所 有的污垢和小的金属物体完全排除。由于上述四种清 管器综合运行，保证了清管质量。 3 ．2 分段试压西气东输工程要求安装试压头前应 当根据试压方案在管道内安装直板式清管器。注水泵 将通过阀门与试压头相连，同时阀门的安放位置要适 合清管器的长度。最初，在第一个注水清管器前面的 管道内注人3 0 0 m 长或2 5 0 m 3 的冲洗水。在第一个注 水清管器的后面，再注入3 0 0 m 或2 5 0 m 3 的水，并紧跟 第二个注水清管器注入试压水，以类似方式发射第二 个注水清管器。持续注水推动注水清管器和冲洗水， 直至试压管段注水完成。这样可以排尽试压管段内的 空气，为顺利升压做好了准备。而过去管线上水排空 只单纯地依赖高点放空阀，管内空气往往排不出、排不 尽，形成空气穴。 图1 试压上水示意圈 另外，在强度和严密性试压值上，过去国内线路施 工标准和实际施工只根据A S M E3 1 ．8 的硬性规定为在 三、四类地区试压时，严密性试压值即为设计压力，强 度试压值为设计压力的1 ．4 倍，未考虑试压管段标高 最高点的实际试验压力必须保持不低于最小试验压 力，而最低标高点的实际试验压力必须小于或等于 9 5 ％的最低屈服强度时的压力。出于以上原因，以第 2 7 标段三、四类地区试压为例，西气东输规定严密性 试压值为1 0 ．5 M P a ，比设计压力提高0 ．5 1 V , I P a ．强度试 压值为1 4 ．2 8 1 K P a 。同时规定在试压阶段，试验压力若 造成在低标高点超过工厂测试压力的环向应力或超过 9 0 ％规定最低屈服强度时，承包商要绘制所有的试验 的压力一容量图。 3 ．3 测径和干燥西气东输工程和国内长输管道工 程一样，也是采用配有8 r r m a 厚，直径等于最小管段内 径9 0 ％的铝圆板的测径清管器进行管道变形检查，查 找管线的褶皱、凹坑或损伤的位置。但是国内工程线 路标准和施工中从来也没有象西气东输工程要求的采 用了大量的皮碗和泡沫清管器等进行二次吹扫和干燥 作业。试压管段泄压排水后，首先采用皮碗和鬃刷清 管器进行二次扫水，然后每隔l h 发射一个泡沫清管 器，彻底清理试压管段内的灰尘和积水，要求泡沫清管 器在接收时干燥、不出现变色。并在清管器发射前和 接收后称测其重量，泡沫清管器增加的重量应小于1 ． 5 k g 。当有3 个泡沫清管器接收后，清管器干燥且没有 发生颜色变化，方可认定这一试压管段的水分已经清 理完毕，干燥工作才能完成。第2 7 标段首段干燥时，9 个泡沫清管器分为三批进行干燥作业，最后三个泡沫 清管器增加的重量均在1 ．o k g 。分段清管、试压和干 燥结果得到了中外方监理、业主代表的签字认可。 随着国内工程国际化管理进程的加快，国内工程 采用国际标准和国外长输管道施工惯例已成为不可避 免的趋势。西气东输分段清管试压的严格甚至在国内 公司看来是苛刻的要求，即是一个佐证。 收稿日期2 0 1 3 0 7 1 2 【上接加页 2 ．5 应注意对管道的形状作观察。即使是两根同规 格的管子作组对，由于种种原因，在同一处焊缝两侧的 管子椭圆度和壁厚也不一定相同。为了准确判伤，区 别示波屏上的信号是几何反射波还是缺陷波，要注意 管子的外错口情况，必要时还应对两侧管壁测厚。 3 结束语 在齐一青长输管道工程Ⅳ标段近6 0 k m 管道的超 声波探伤中，我们运用以上探伤方法和原理，结合实践 中积累的探伤经验，合理制定了探伤工艺规程，共检测 出不合格焊口5 1 道，经现场施工单位返修后反馈的的 信息，梭测正确率达9 5 ％以上，从而有效地保证了工 程的焊接质量，也为今后长输管道超声波探伤积累了 较为成功的经验。 收稿日期2 0 0 3 0 6 0 2 万方数据