在建設長距離油氣輸送管道時,不同的地區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,在管道現場焊接過程中,不等壁厚鋼管的焊接較為常見,在復雜山區尤為突出[1]。 

不等壁厚焊接普遍采用倒角式內坡口,研究發現,倒角式內坡口是造成環焊縫失效的一個重要因素,主要體現在以下3個方面：變壁厚處焊接結構不連續,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,容易出現焊接缺陷；外形尺寸不規則,無損檢測時容易出現缺陷漏檢情況[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,將壁厚過渡從環焊縫區域移開,在不等壁厚處實現等壁厚焊接,如圖2所示。該坡口可以使不等壁厚環焊縫實現等壁厚焊接,減少了不等壁厚環焊縫處的形狀突變,有助于改善變壁厚環焊縫處的應力集中現象,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,嚴重影響環焊縫的檢測結果,導致檢測區域的缺陷漏檢、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,結果發現：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域總會出現漏檢區。漏檢區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

管道環焊縫PAUT檢測采用二次波通過底面反射實現對上部檢測區域的檢測。倒角的存在導致超聲聲束的發射、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

選擇檢測填充區域的一個聲束進行分析,如發射聲束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,波束角度發生變化,由原來的入射角α轉變為反射角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點發生反射,角度改變后繼續傳播,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,檢測區域聲束覆蓋正常,能夠正確顯示出檢測區域缺陷。 

波束在倒角發生反射時,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域的漏檢,且漏檢一直存在,只是錐形孔長度較小時,漏檢現象不明顯；隨著錐形孔長度增加,漏檢現象開始明顯,直至檢測區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）,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生變化,缺陷顯示的位置與實際出現偏差。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）倒角式內坡口環焊縫相控陣檢測不可避免地存在局部檢測區域漏檢。同時,超聲聲束在倒角發生反射時,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焊縫區域移開,在不等壁厚處實現等壁厚焊接和檢測,有利于提高環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