基于漏磁内检测的管道焊缝缺陷识别及应对策略研究

2023-09-08武要峰史冠男孟祥吉陈金忠

中国特种设备安全 2023年8期

武要峰史冠男国滨孟祥吉陈金忠

（中国特种设备检测研究院北京 100029）

近年来油气长输管道事故频发，焊缝失效作为主要原因之一，易对周边人身财产安全和环境造成重大威胁，因此受到社会高度关注[1]。直接开挖检测和焊缝射线底片复评是传统的焊缝缺陷排查方法。由于长输管道距离长、焊缝多、施工质量参差不齐，采用直接开挖检测排查焊缝异常隐患不仅工作量大、不易实施，还不能完全反映整条管道的所有焊缝情况。另外，部分管道存在射线底片造假或无射线底片，且射线底片复审只能反映安装阶段管道焊缝的情况。因此，上述2 种方法都存在一定的局限性。随着高清、超高清漏磁内检测技术的出现，焊缝缺陷检出率和尺寸精度得到大幅度提高，采用漏磁内检测对管道焊缝缺陷进行识别、定位开挖及评价，逐渐成为油气管道焊缝缺陷排查最直接有效的方法[2-5]。

目前，对于焊缝异常，国内外内检测单位通常是对漏磁数据分析后，按照轻度、中度及重度进行简单分级，再对焊缝异常选择性地进行开挖验证和无损检测，最后根据检测结果参照安装验收规范进行评价和指导修复。明显地，在役管道采用验收规范进行评价过于严苛。目前国内针对管体腐蚀缺陷的评价与修复的报道较多，而关于焊缝缺陷分类、评价及修复的报道较少。鉴于此，本文基于钢管焊接类型和漏磁内检测原理，系统地介绍不同类型焊缝漏磁信号特征和工程应用，并总结不同焊缝异常类型典型信号，然后梳理不同焊缝异常的评价方法、响应准则、修复方法，并提出相关建议，以期为焊缝缺陷识别、评价、响应及修复提供参考和技术支持。

1 油气管道的焊缝类型

油气管道的焊缝类型根据焊接特点可分为直焊缝、螺旋焊缝和环焊缝，其中直焊缝与螺旋焊缝为制管焊缝，环焊缝为现场施工焊缝。

1）直焊缝。直缝管直径跨度比较大，在油气管道应用中一般以中小管径为主。直焊缝一般在制造厂进行焊接，焊接方法主要为自动埋弧焊、组合焊和电（阻）焊。埋弧焊一般采用自动埋弧焊接；组合焊主要采用熔化极气体保护焊和埋弧焊，其中熔化极气体用来保护焊缝不完全被埋弧焊道熔化；电（阻）焊是让待焊板材边缘通过机械加压焊接在一起，再由感应电流或传导电流流动的阻力产生焊接热量完成焊接[6]。

2）螺旋焊缝。螺旋焊管直径跨度较直缝管大，在油气管道中一般以较大口径为主。其制造方式是将钢带按一定的螺旋线角度（成型角）卷成管坯，然后将管缝焊接起来制成，它可以用较窄的钢带生产大直径的钢管。螺旋焊缝可选择的焊接方法与直焊缝相似，钢管制造厂一般以自动埋弧焊为主。

3）环焊缝。除了部分管件需要在工厂提前焊接外，大部分在施工现场焊接完成。因受到现场施工条件限制，口径相对较小的管道环焊缝焊接形式为单面焊双面成型，即采用氩弧焊打底与手工电弧焊盖面的组合方式。较大口径管道采取双面焊双面成型，焊接方法包含氩弧焊、埋弧焊及手工电弧焊。此外，部分老旧管道只采用手工电弧焊，焊接质量较差。环焊缝焊接质量影响因素较多，如焊接环境（温度、湿度、风）、焊接工艺、焊缝接头设计、质量控制等，因此油气管道环焊缝施工质量参差不齐。

2 焊缝与焊缝缺陷的漏磁信号分析

2.1 焊缝典型信号分析及工程应用

●2.1.1 焊缝特征信号形成原理

油气管道管壁具有高导磁性，管壁被磁化后其表面及近表面形成规律的漏磁场，漏磁检测可利用传感器检测铁磁性不连续处的磁场，对信号进行处理和分析，从而得出管道缺陷的尺寸信息[7]。焊缝的剖面图如图1 所示，管道焊缝区域存在余高、焊缝金属成分及热处理工艺与管道本体不同，导致焊缝与两侧母材的导磁性不连续，所以漏磁检测时焊缝具有明显的特征信号。

图1 焊缝示意图

图2 为螺旋焊缝与环焊缝的漏磁信号图。由图2可知，环焊缝与螺旋焊缝因存在余高和材质不连续，信号特征明显。图2 中螺旋焊缝管管端150 mm 区域内无焊缝余高时，仍有明显的信号，可证明焊缝与母材的材质不连续。

图2 环焊缝与螺旋焊缝的漏磁信号图

●2.1.2 不同焊缝类型的漏磁信号及工程应用

图3 为不同类型焊缝的漏磁信号图，其信号曲线是正弦（先增后减）还是余弦（先减后增）与漏磁检测器磁钢N 极与S 极的顺序有关[8]。直焊缝漏磁信号如图3（a）所示，信号分布与环焊缝垂直。基于漏磁检测原理，周向采样间距取决于传感器物理间距，因此直焊缝清晰度较环焊缝与螺旋焊缝差。螺旋焊缝漏磁信号如图3（b）所示，可看出该信号与环焊缝呈一定夹角。螺旋焊缝按其旋进方向可分为左螺旋和右螺旋。环焊缝漏磁信号如图3（c）所示，该信号垂直于管道中心线。另外，环焊缝漏磁信号呈现单峰信号时，表示管壁增厚或者减薄，信号如图4 所示。

图3 焊缝漏磁信号图

图4 变壁厚漏磁信号图

焊缝信号不仅可辅助金属损失及其他特征信号识别，还能定位缺陷及估算金属损失程度。首先，焊缝为金属增加信号极性与金属损失相反，因此可用于金属损失信号识别，也可用于判定其他管道特征；其次，可用于判定管道壁厚是否变化，从而可对管道按壁厚进行分段评估及剩余寿命预测；最后，可对比焊缝和金属损失的峰峰值，通过牵拉数据、开挖数据创建和优化评价模型，精准地评价金属损失深度。

2.2 焊缝缺陷分类及漏磁信号分析

●2.2.1 焊缝异常原因及分类

油气管道焊缝异常根据生成的时间不同可分为3个阶段：制造过程、安装过程和使用过程。钢管制造过程受制管厂质量管理体系、焊接工艺、无损检测质量及是否进行制造监督检验等因素影响，可能会产生焊缝异常缺陷；管道安装过程因受焊接条件、焊接方式、质量管理、无损检测质量控制及是否进行安装监督检验等因素影响，出现焊接异常的概率最大；管道服役过程中焊缝受输送介质、阴保系统、外防腐层质量、土壤环境及第三方施工等影响，也可能形成焊缝异常及相关缺陷。

焊缝异常按缺陷的形状与尺寸可分为体积型缺陷、面积型缺陷及外形不规则缺陷。体积型缺陷包括气孔、夹渣、过度打磨、焊缝上的腐蚀及未焊满等；平面型缺陷包括未焊透、未熔合、裂纹等；外形不规则缺陷包括错边、咬边等[1]。

焊接缺陷按信号特点还可分为如下3 类：焊缝异常、焊缝附近的母材异常、不合理的焊接接头及其他情况。

●2.2.2 焊缝缺陷典型信号

1）焊缝异常

焊缝异常是指焊接缺陷主要分布在焊缝、熔合区及热影响区的焊缝缺陷。按焊缝类型可分为直焊缝异常、螺旋焊缝异常及环焊缝异常。

（1）直焊缝异常。直焊缝异常的主要缺陷形式为点状焊缝缺陷[9]。受漏磁检测技术清晰度的制约，直焊缝异常之前报道较少。现阶段，高清及超高清漏磁检测技术的出现可识别大量直焊缝异常。直焊缝异常缺陷如图5（a）所示，分别为漏磁场信号垂直分量曲线图和伪彩图，图中缺陷为点状缺陷。

图5 焊缝异常漏磁信号图

图5 焊缝异常漏磁信号图（续）

（2）螺旋焊缝异常。大部分螺旋焊管出厂前需进行数字射线无损检测，因此漏磁检测过程中发现的焊缝异常主要为服役阶段生成[10]。螺旋焊缝异常缺陷如图5（b）所示，图中缺陷为点状缺陷。

（3）环焊缝异常。环焊缝因为大部分是现场焊接完成，焊缝质量与施工质量及服役环境息息相关。环焊缝异常缺陷如图5（c）所示，图中为坡口未熔合缺陷。

2）焊缝附近母材异常

焊缝附近母材异常主要可分为过度打磨和补口处腐蚀2 种。过度打磨一般发生在管道焊接前开坡口时，尤其是不同壁厚管道之间的焊接。图6 为典型的过度打磨缺陷信号图，图中为异种壁厚钢管焊接，右侧弯头比左侧直管的壁厚大。补口处腐蚀的原因是管道环焊缝附近的补口位置防腐质量不合格，焊缝附近发生腐蚀。图7 为典型的补口处腐蚀信号图。

图6 过度打磨缺陷漏磁信号图

图7 补口处缺陷漏磁信号图

3）不合理的焊接接头及其他情况

不合理的焊接接头主要分为错边、斜接等，主要原因是施工设计不合理和现场施工质量不规范。图8为焊缝斜接的漏磁信号图。

图8 焊缝斜接的漏磁信号图

焊缝若受到应力集中，也会增加焊缝失效的风险，如强组对（碰死口）、返修口及焊缝上存在较大变形等。图9 为螺旋焊缝附近存在凹陷的情况。

图9 与焊缝相关的凹陷漏磁信号图

3 焊缝缺陷评价与修复建议

3.1 油气管道设计及验收规范相关规定

关于新建长输油气管道，GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》[11]、GB 50253—2014《输油管道工程设计规范》[12]中焊缝质量均要求应符合现行行业标准SY／T 4109—2020《石油天然气钢质管道无损检测》[13]的有关规定，合格等级应为Ⅱ级或以上等级。另外，GB 50369—2014 《油气长输管道工程施工及验收规范》[14]中规定，斜接角度不得大于3°，错边应小于等于壁厚的1／8，且连续50 mm 范围内局部最大不应大于3 mm，且错边沿周长应均匀分布。

3.2 焊缝缺陷失效评价方法及响应准则

●3.2.1 工业管道含焊缝缺陷的评定

工业管道按照TSG D7005—2018《压力管道定期检验规则——工业管道》对裂纹缺陷和焊接缺陷（咬边、圆形缺陷、条形缺陷、未焊透、未熔合及错边）按照1～4级进行评定，最终根据管道的综合情况进行安全状况等级综合评定[15]。

●3.2.2 国内外标准中焊缝缺陷失效评价方法

对于油气管道焊缝缺陷，国内惯用的方法是参照设计及验收规范进行评判，不合格的建议修复，显然过于保守。国内外存在较多对焊缝缺陷进行失效评估的标准，国外标准有ASME B31G、BS 7910 和API 579-1／ASME FFS-1，国内标准有SY／T 6151、SY／T 6477 和GB／T 19624。根据焊缝缺陷类型不同，可参照表1 选择标准进行失效评估，评价中涉及的缺陷尺寸可采用超声技术测量[16-18]。