基于非内自动焊机的管道自动焊自动超声检测工艺

(中国石油天然气管道科学研究院,廊坊 065000)

近年来，随着自动焊接技术在长输管道工程中的应用，全自动超声波检测技术(AUT)已广泛应用于管道自动焊的环焊缝检测中。与常规超声检测和射线检测相比，AUT在检测速度、降低作业强度等方面有着明显的优越性[1]。目前，AUT技术主要用于基于内焊机根焊的管道自动焊环焊缝检测，而基于非内自动焊机的自动焊焊缝，例如采用STT(表面张力过渡)及RMD(熔敷金属控制技术)控制熔敷金属过渡方式的根焊技术的自动焊焊缝，由于对口间隙和坡口角度存在一定偏差，所以目前的AUT检测工艺无法适用。因此，通过采用超声仿真技术对AUT检测工艺进行优化，设计了AUT对比试块和工艺焊缝，验证了AUT检测STT根焊的自动焊焊缝的可靠性，保证了长输管道的施工和安全运行。

1 AUT检测工艺方案及仿真

AUT将焊缝沿厚度方向分成若干个分区，故工艺仿真时也采用两种方式。每个分区用聚焦探头检测熔合线上的缺欠，体积型缺欠用非聚焦探头检测。检测结果以图像形式显示，分为A扫描、B扫描及TOFD等3种显示方式。扫查器在管道环焊缝上进行环向自动扫查，即可对整个焊缝厚度方向的分区进行全面检测，检测结果自动显示在图像上。

目前，基于非内自动焊机的自动焊焊接工艺主要采用两种坡口形式：一种为V型坡口，填充区角度在22°～25°之间；另一种为复合V型坡口，填充区角度在8°～10°之间，热焊区角度为30°(见图1)。针对两种坡口型式分别进行AUT工艺仿真，确定AUT检测方案是否可行，从而提出可行的AUT检测工艺方案。

1.1 V型坡口检测工艺仿真

由于AUT扫查采用串列和脉冲反射两种方式，故工艺仿真时也采用两种方式。针对填充区角度为22°，壁厚较薄(例如12.5 mm以下)的V型坡口，通过仿真得出，当AUT探头前沿距焊缝中心的距离为13 mm时，AUT采用脉冲反射方式扫查，可以将整个焊缝全部覆盖，并且超声波可以聚焦在坡口熔合线的位置(见图2)，可以实现对壁厚较薄的V型坡口焊缝的检测。

图2 12.5 mm壁厚V型坡口的AUT检测声场示意

针对填充区角度为22°，壁厚较厚(例如21.4 mm以上)的V型坡口焊缝，通过仿真发现,当采用脉冲反射方式进行检测时，通过调整探头的位置，超声波束均不能对焊缝实现全覆盖，会造成对焊缝上下区域的漏检(见图3)；而当采用串列方式检测上部填充区时，探头无法接收到反射回波，造成该区域漏检(见图4)。通过调整AUT探头到焊缝中心的位置，可以实现对焊缝的全覆盖，但是由于AUT探头距离坡口熔合线较远，超声波束无法聚焦到熔合线上，所以该区域检测的可靠性降低。因而AUT不能满足对壁厚较厚的V型坡口焊缝的检测。

图3 AUT脉冲反射扫查方式(V型坡口)

图4 AUT串列扫查方式(V型坡口)

1.2 复合V型坡口检测工艺仿真

通过以上仿真，对于壁厚较厚(例如21.4 mm以上)的V型坡口焊缝无法采用AUT检测，而射线对于壁厚较厚的焊缝检测又比较困难(尤其采用双壁透照时)。由于壁厚的增加，AUT检测覆盖整个焊缝的难度也随之增大，所以复合V型坡口的仿真选用壁厚为21.4 mm的焊缝。坡口型式如图2所示，填充区高度为9.4 mm，分成3个区，每个分区高度为2.8 mm；热焊区高度为10.4 mm，分成4个区，每个分区高度为2.6 mm；根部高度为1.6 mm，分成1个区，探头前沿距焊缝中心15 mm。其仿真结果如图5所示。

图5 21.4 mm壁厚复合V型坡口的AUT检测工艺

通过仿真结果显示，对于壁厚较厚(例如21.4 mm以上)的复合V型坡口焊缝，当AUT探头距离焊缝中心15 mm时，可以保证AUT对整个焊缝的全覆盖检测，并且能够将超声波束的焦点聚焦于坡口熔合线上，保证了AUT检测的可靠性。因此，基于非内自动焊机的管道自动焊，推荐采用复合V型坡口型式的AUT检测。

2 对比试块及工艺焊缝

根据非内自动焊机的管道自动焊的焊接工艺特点，环焊缝的对口间隙在2～4 mm之间，因此设计了对口间隙分别为2,3,4 mm的对比试块，坡口型式采用复合V型坡口，规格(长度×壁厚)为1 422 mm×21.4 mm的X80钢管。为了测试AUT检测非内自动焊机的管道自动焊的可靠性，在工艺焊缝中设计并加工了包括裂纹、未熔合、未焊透等不同类型的缺陷，同时保证缺陷分布在不同的分区高度。缺陷设计及分布区域如表1所示。

表1 缺陷设计及分布区域

3 基于非内自动焊机的管道自动焊AUT工艺试验

3.1 对比试块扫查试验

试验采用奥林巴斯公司的Pipe WIZARD检测系统，采用对口间隙为3 mm的对比试块的坡口参数设置检测参数，并进行聚焦法则的计算。根据计算完成的检测工艺方案，对对口间隙为3 mm的对比试块进行分区扫查调试(见图6)。按照标准GB/T 50818-2013《石油天然气管道工程全自动超声波检测技术规范》的要求优化AUT检测工艺方案，并在对口间隙为3 mm的对比试块上进行总体扫查，保证试块扫查数据满足标准要求。采用优化后的AUT检测方案对对口间隙为2，4 mm的对比试块进行扫查调试，使该AUT检测方案对对口间隙为2，4 mm的对比试块的扫查数据均能满足标准要求(见图7)。

图6 对比试块扫查试验现场

图7 对比试块部分扫查图

3.2 工艺焊缝检测试验

工艺焊缝AUT扫查试验首先采用优化后的AUT检测工艺方案在对口间隙为3 mm的对比试块上进行校准，校准数据满足标准GB/T 50818-2013《石油天然气管道工程全自动超声波检测技术规范》要求后，在工艺焊缝上进行扫查检测，得到工艺焊缝的AUT检测数据(见图8)。检测结束后采用对口间隙为3 mm的对比试块进行系统性能校验，校出数据需满足标准相关要求。

图8 工艺焊缝AUT检测部分扫查图

补充检测采用数字射线检测(DR)，DR检测采用D/P Tech公司的DR检测系统，射线机型号为YXLON EVO 300P，采用中心透照方式，焦距为726 mm，电压为300 kV，电流为2.5 mA，单帧图像曝光时间为0.8 s。数字射线检测图像质量满足标准SY/T 4109-2013《石油天然气钢质管道无损检测 第5部分：射线数字成像检测》的要求。

3.3 检测结果分析

通过对工艺焊缝的AUT检测数据进行评定，得到工艺焊缝中缺陷的类型、高度、位置和长度等信息。对比数字射线检测发现的缺陷类型、位置和长度信息，数字射线检测发现的缺陷在AUT检测数据中均有显示(见表2)。部分缺陷在AUT中显示的长度要大于数字射线检测出的长度，这是因为射线检测的图像为投影尺寸，而AUT定量时会放大小缺陷的尺寸；部分热焊附近区域的缺陷由于缺陷角度比较大，缺陷高度较小，从而使比度降低，所以数字射线会漏检。不同类型缺陷在两种检测方式下的图像如图9～13所示。

图9 密集气孔AUT与DR检测结果

图10 坡口未熔合AUT与DR检测结果

图11 裂纹AUT与DR检测结果

图12 根部未焊透AUT与DR检测结果

图13 层间未熔合AUT与DR检测结果

4 结论

通过对基于非内自动焊机的管道自动焊AUT检测工艺的研究与试验表明，AUT检测方法对采用该焊接方式的管道环焊缝中的裂纹、未熔合和未焊透等缺陷具有良好的检出能力，能够实现对缺陷的高度、位置和长度的测量，满足对山区等特殊地段管道自动焊的检测需求，并可大幅提高管道施工的生产效率，为管道工程建设的施工提供技术支撑。