相控阵超声检测（PAUT）技术在油气管道排查中的应用

相控阵超声检测（ PAUT ）技术在油气
管道排查中的应用
摘要：以中缅线云南油气管道排查实际情况为基础，分析阐述相控阵超声检
测技术在长输油、气管道焊缝质量检测中的优势
关键词：长输油气管道；焊缝；相控阵超声；无损检测
1.
引言
石油天然气是大自然赐给我们的宝贵财富，是人类生存发展中不可或缺且不
可再生的资源。

大到飞机汽车，小到家里做饭，都离不开石油天然气，国家为了
合理利用石油天然气资源，在全国范围内建造了许多埋地管道用于输送这些资源，如著名的西气东输工程。

然而近年来石油天然气管道焊缝质量问题频发，如2017年贵州省晴隆县发
生一起天然气管道爆炸造成8人死亡，35人受伤。

2018年6月10日，中石油天
然气输气管道贵州晴隆县沙子镇三合村蒋坝营处发生燃爆，现场火光冲天，受伤
人数24人。

石油管道虽无爆炸事件，但也出现过漏油渗油的情况，给国家带来
的经济损失，给环境带来的污染也不容忽视。

其中原因，有自然原因造成的，如
地震，山体滑坡等，但更多的也是在管道在建过程中对焊缝质量把控不严，施工
方焊接水平的参差不齐，无损检测人员责任心不强，漏评的情况也时有发生，原
底片的保管也很成问题，很多焊口的原片甚至都找不到了，这就对整条管线的安
全评估造成了困难。

对于这种情况，国家下令中石油、中石化组织对存疑焊口进
行开挖排查验证，由于在役管道中存在介质，常规射线检测（RT）已经无法满足
检测要求。

相控阵技术作为一种对存在介质的管道焊缝独具优势的无损检测方法，开始被应用到在役管道开挖验证的检测方法中来。

本文以中缅线石油天然气管道
开挖验证无损检测的实践情况为基础，介绍相控阵超声技术在油气管道焊缝检测
中的具体应用情况。

1.
相控阵超声技术介绍
1.
相控阵超声技术原理
相控阵超声技术，简称PAUT，基本原理同常规超声波探伤（UT）的一致，也
是基于脉冲反射法而来的，是通过电子系统控制换能器阵列中的各个阵元，按照
一定的延迟时间规则发射和接收超声波，从而动态控制超声束在工件中的偏转和
聚焦来实现材料的无损检测方法
相控阵超声应用许多的单元换能器来产生和接收超声波波束。

通常在一维或
多维上排列若干单元换能器组成阵列，利用事先设计确定好的各自独立的发射和
时间延迟电路来依次激励一个或几个单元换能器，产生具有可控的人为预定的确
定相位的声波，所有单元换能器在检测对象中产生的超声声场相互干涉迭加，从
而得到预先希望的波束入射角度和焦点位置，形成发射聚焦或声束偏转等效果；
换能器发射的超声波遇到目标后产生回波信号，其到达各阵元的时间存在差异，按照回波到达各阵元的时间差对各阵元接收信号进行延时补偿，然后相加合成，就能将特定方向回波信号叠加增强，而其它方向的回波信号减弱甚至抵消，
同时，通过各阵元的相位、幅度控制以及声束形成等方法，形成聚焦、变孔径、
变迹等多种相控效果。

1.
相控阵超声技术发展情况
相控阵超声技术已有近2O年的发展历史，初期主要应用于医疗领域，医学
超声成像中。

由于系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原因，使其在工业无损检测中的应用受限制。

近年来，相控阵超声技术以其灵活的声束偏转及聚焦性能越来越引起人们的
重视。

由于压电复合材料、纳秒级脉冲信号控制、数据处理分析、软件技术和计
算机模拟等多种高新技术在超声相控阵成像领域中的综合应用，使得相控阵超声
检测技术得以快速发展，逐渐应用于工业无损检测。

相控阵超声检测系统是通过电子技术来实现声束的扫查方向和聚焦深度的控制，可以以同一个探头来实现不同壁厚、不同材质管道焊缝的检测任务，克服了
常规多探头自动超声检测系统调整难度大和探头适应范围窄以及设备沉重的缺点。

相控阵技术目前在国内开始只在西气东输工程，在航空系统和核工业系统等
一些部门有少量的应用；
西气东输：2000年9月在青海湖畔的实验段中，引进的 PipeWIZARD相控阵
全自动超声检测系统。

2001年，从西气东输一标段的实验段，截至一标段主体管
线完工时，实际检测了焊缝6919道，其结果和射线底片结果的符合率达80％以上，还检出了大量在射线底片上不明显的未熔合缺陷；现在已在石化、核电、船舶、机械等行业大量应用。

1.
相控阵超声技术的优点
（1）探头尺寸更小；
（2）检测难以接近的部位；
（3）检测速度快，检测灵活性更强；
（4）可实现对复杂结构件和盲区位置缺陷的检测；
（5）通过局部晶片单元组合对声场控制，可实现高速电子扫描，对试件进
行高速，全方位和多角度检测；波
（6）探头更少，机械部分少
三、中缅线云南段油、气管道概况
中缅线云南段油气管道主要分布在瑞丽-德宏-大理-昆明，是由外径1016mm，壁厚范围在12.8 mm-22.8 mm的天然气管道以及外径219mm-813mm，壁厚范围在6.4 mm-17.5 mm的石油管道组成。

管道材料为X70或X80的管线钢，属于低碳高强度钢，管线每距离11米左
右会焊接一条连接管道的环焊缝，这就是我们的主要检测对象，根据设计文件及
业主要求，存在疑问的天然气管环焊缝需要进行开挖验证，验证方法为100%RT
拍片，如出现不合格的焊口就需要进行100%PAUT（相控阵）+100%TOFD，存在疑
问的石油管环焊缝由于有介质不能拍片，需进行100% PAUT（相控阵）
+100%MT+100%PT的组合检测。

相控阵超声检测标准为GB/T 32563-2016，验收标
准为SY／T 4109-2013。

1.
管道焊缝质量检测工艺
1.
检测方法
直径1016mm的天然气管环焊缝，采用PAUT+TOFD的组合检测方法，对RT检
测出有超标缺陷的环焊缝进行复验。

其中以PAUT检测为主，TOFD检测为辅助检测，用以（排除PAUT不好分辨的结构波，伪缺陷等）相互验证缺陷及分辨结构
波等非相关显示；对直径219-813的输油管环焊缝，由于其中有液态介质不能采
用RT,于是采用PAUT+MT+PT的组合方法进行检测，PAUT检测焊缝内部及根部缺陷，MT和PT作为辅助检测，检测焊缝表面及近表面缺陷。

1.
仪器及附件选择配置
1.
仪器选择：选用广州多浦乐公司生产的相控阵探伤仪Physcan 32:64
2.
探头、楔块选择：管壁厚度在10mm以下的管道环焊缝采用7.5S16-0.5×10
的自聚焦探头，频率为7.5兆，阵元数为16，装配在探头上的楔块型号为SD10-
N60S，楔块角度为60°，楔块弧度可修磨成与管道接触面相匹配的弧度，间隙不
超过0.5mm。

选择理由：自聚焦探头是专为壁厚小于10mm的薄壁管设计的，晶片
是有弧度的，可物理聚焦，这就弥补了常规探头检测薄壁的难点。

管壁厚度在
10mm以上的管道环焊缝采用5L32-0.5x10的线阵探头，频率为5兆，阵元数为32，装配在探头上的楔块型号为SD10-N55S，楔块弧度可修磨成与管道接触面相
匹配的弧度，间隙不超过0.5mm。

选择理由：该探头为常规探头，对检测10mm以
上壁厚的管道效果较好，且价格较自聚焦探头便宜，应用较广泛。

3.
扫查装置选择：采用MOS-01简易扫查装置进行扫查，轻便小巧，易于控制。

适用于各种不同管径的管道环焊缝以及狭小的空间检测。

4.
仪器参数设置：电压设为50V，聚焦深度设为1.5倍板厚，通过声速校准，
延迟校准后，将TCG曲线做到2倍板厚以上，最少3个点。

5.
灵敏度设置：探头打到对比试块（加试块型号）上每个深度点的基础增益在
满刻度的80%附近，检测灵敏度为φ2x40-14dB。

扫查灵敏度比基准灵敏度提高
6dB，其中包括3dB的耦合补偿，原因是现场工件表面情况和试块表面情况有差异。

6.
耦合剂选择：由于现场温度基本是常温，采用水或稀浆糊作耦合剂，经济实用。

7.
扫查工艺：在两侧等厚的管道环焊缝上，采用每侧用相同的步进偏置各扫查
一次。

在两侧不等厚的管道环焊缝上，除了以上工艺外，另增加一次厚板侧小步
进扫查，用以覆盖厚薄对接的根部区域。

步进偏置为焊缝中心到探头前沿的距离。

2、现场检测效果
采用上述优化的检测工艺和参数，对管道环焊缝进行检测，效果良好，见图1、图2、图3、图4
图1（气孔）
图2（根部未焊透）
图3（坡口未熔合）
图4（裂纹）
图1为单个气孔类型的缺陷，当量比较小，波幅也不高，此类缺陷未超标。

图2为根部未焊透类型的缺陷，指示长度、高度、波幅超标，建议业主加B型套
筒修复。

图3为坡口未熔合类型的缺陷，指示长度、高度、波幅超标，建议业主
加B型套筒修复。

图4为典型的裂纹缺陷，测得指示长度200mm，高度也达10mm，危险性很大，建议业主立即采取有效的安全措施。

检测中也发现了一些不好分辨是否为缺陷的显示，特别是在不等壁厚的焊缝，以及存在错边、扫偏等情况下，对检测结果的评判产生比较大的困难，对此我们
采用的办法是，调整扫查参数（另置聚焦深度、偏置尺寸等）对难以评判的位置
进行PAUT复扫对比，重点关注此位置的焊缝表面情况和壁厚差异，问题往往得
到解决。

五、结束语
相控阵超声检测技术作为一项比较新的检测技术，在管道环焊缝开挖验证的
应用中可以大大提高检测效率、缺陷检出率和检测可靠性，有效预防安全事故的
产生，并降低成本。

参考文献：
1.
GB/T 32563-2016 相控阵超声检测方法
2.
ASME中国制造SY/T 6755-2016 在役油气管道对接接头超声相控阵及多探头
检测.
3.
NDT全国特种设备无损检测人员资格考核统编教材4.
SY／T 4109-2013+石油天然气钢质管道无损检测。