石油天然气长输管道薄壁管环焊缝超声波探伤

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457001)摘要结合齐鲁石化-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5~8mm;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10余年,先后参加了河南义郑管道工程、齐青管道工程等20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8mm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)青管道工程我们选用的是5P8@8K2.5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=arcSin(K@K P D)式中K)))系数对圆晶片K=1.22,对方晶片K=1.0;K)))传播介质中钢中的波长,mm;D)))圆晶片或方晶片的边长,mm;Q)))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5MHZ.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1P4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10m m,我们在齐)青管道工程探伤中所选探头前沿长度仅为6mm, 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1的推荐值选用。

表1前沿距离和K值选用前沿距离(m m)6810壁厚(m m)567891012焊缝宽度P2(mm)5567789K值3 2.5 2.53、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5P6@6、5P8@8型探头,汕头超声波仪器公司生产的5P9@9型探头等。

392003年第25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,由于具有一定曲率,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5电力导则6中规定的对比试块Ñ。

对比试块Ó等以及石油天然气行业所特有的2种对比试块SGB和SRB试块。

齐-青管道工程采用了后两种试块,其形状与5电力导则6中的试块相同。

SGB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@高为240@20@70,7个 2横通孔分列,从5mm到60mm按高度均匀分布,可以满足5~30mm的管道制作距离-波幅曲线的要求。

SGB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。

SRB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2mm、槽深为10%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(SGB)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(SRB)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0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合缺陷,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,一、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,一般应以二次波在焊缝两侧检测。

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1~2mm;对于内凹,$L则可能为3-4mm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;º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;»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38页)(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20cm 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,先放入直板式清管器约500m 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入300m 长或250m 3的冲洗水。

在第一个注水清管器的后面,再注入300m 或250m 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 试压上水示意图另外,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ASME 31.8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95%的最低屈服强度时的压力。

出于以上原因,以第27标段三、四类地区试压为例,西气东输规定严密性试压值为10.5MPa,比设计压力提高0.5MPa,强度试压值为14.28MPa 。

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90%规定最低屈服强度时,承包商要绘制所有的试验的压力-容量图。