羅華權(quán),巨西民,呂鄭,王樹人4

摘要:常用油氣輸送管道對接環(huán)焊縫的檢測方法有射線檢測和超聲檢測兩種。介紹了國內(nèi) 外射線檢測和超聲檢測的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢。分析了兩種檢測方法各自的優(yōu)缺點:射線檢測 對體積型缺陷(如氣孔、夾雜)的檢測非常有效,而超聲檢測可用于平面和立體兩類缺陷的檢 測,且檢測靈敏度比射線檢測高。最后對我國油氣輸送管道對接環(huán)焊縫檢測的發(fā)展提出了幾 點建議。
關(guān)鍵詞:油氣輸送管道;環(huán)焊縫;超聲檢測;射線檢測
前言
油氣輸送管道都面臨著安全問題,管道運(yùn)行 的安全狀況與管道材質(zhì)及其焊縫狀態(tài)有很大的關(guān) 系。因此,嚴(yán)格控制焊縫質(zhì)量,對避免災(zāi)難性事故 的發(fā)生具有重要意義。通常油氣輸送管道對接環(huán) 焊縫存在的缺陷有未焊透、夾雜物、未熔合、內(nèi)部 氣孔、內(nèi)部裂紋等。對表面缺陷可用磁粉法、渦流 檢測法或滲透檢測法來檢測,而對內(nèi)部缺陷則可 用X射線檢測法或超聲波檢測法進(jìn)行檢測。
1油氣輸送管道對接環(huán)焊縫檢測現(xiàn)狀
1.1射線檢測
在超聲檢測出現(xiàn)之前,射線檢測是管道環(huán)焊 縫檢測的一種主要于段,發(fā)展較早,技術(shù)較成熟。 射線檢測原理是由于缺陷及其周圍金屬對射線的 吸收率不同而引起X射線或γ射線的透射強(qiáng)度 發(fā)生變化,從而據(jù)此探測出缺陷及其所在位置。 X射線與γ射線除了放射源不同外,其檢測原理 基本相同。X射線產(chǎn)生的方式有多種,例如玻璃 殼或陶瓷殼的真空管型低能X射線發(fā)生器、直線加速器與電子回旋加速器等高能射線發(fā)生器。而 大多數(shù)γ射線檢測使用ωCo(適用50 -100 mm厚 度)或192 Ir (適用10 -75 mm厚度)作射線源。γ 射線機(jī)和X射線機(jī)相比,其主要優(yōu)點是輔助設(shè)備 較便宜,攜帶方便,且不要求電和水的供應(yīng)。但是 γ射線檢測照片的質(zhì)量通常比X射線差[l]O射線 檢測的優(yōu)點是在探測體積型缺陷(如氣孔、夾雜) 時非常有效,但對任一方向上的平面缺陷(如裂 紋、未焊透、未熔合)則不是很有效。管道對接環(huán) 焊縫的射線檢測,國內(nèi)過去普遍采用雙壁單影法 (見圖1 ) ,即在管道外面照相,該方法檢測速度 慢,成本高,質(zhì)量一般。目前,已改進(jìn)為采用工業(yè) 管道爬行器的中心透照法(見圖2) ,其主要優(yōu)點是靈敏度高,工作效率高,一次曝光就可以完成一 條對接環(huán)焊縫的檢測工作。中心透照法的原理 是:爬行器在管道內(nèi)運(yùn)動時,接到指令源的信息 后,通過CPU處理,確定前進(jìn)、后退、停止、曝光, 通過指令源的控制完成各種操作[2)。
我國環(huán)焊縫管內(nèi)射線檢測機(jī)器人研究開始于 20世紀(jì)80年代,在國家"863計劃"的支持下,取得 了一系列的進(jìn)展。1987年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制 了螺旋驅(qū)動式管內(nèi)移動機(jī)器人和平面四點支撐 RIP-R型管內(nèi)機(jī)器人樣機(jī),此后又研制了直徑為 89 mm和660mm野外大直徑管內(nèi)X射線探傷機(jī)器 人。1997年,中國石油天然氣管道第一工程公司 成功研制了首臺γ射線管道內(nèi)部爬行器,該爬行器 在外部遙控裝置的配合下可以實現(xiàn)前進(jìn)、后退、休 息、定位和射線曝光等一系列的檢測過程,經(jīng)技術(shù) 鑒定,達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。1998年,盤錦北方無 損檢測公司成功研制了Z凹型X射線管內(nèi)爬行 器,并在蘇丹管道建設(shè)中得到了應(yīng)用。試驗證明, 該爬行器操作維護(hù)簡單,工作穩(wěn)定可靠,定位精度 滿足要求,照相質(zhì)量符合API 1104一1994標(biāo)準(zhǔn),是 我國西氣東輸部分管段的主要檢測設(shè)備。但是我 國對管道機(jī)器人的研究尚處于試驗性階段,主要還 是從國外進(jìn)口X射線機(jī)和檢測設(shè)備。射線檢測的 主要局限性在于裂紋探測和裂紋尺寸方面,對于裂 紋(特別是厚焊縫裂紋)的檢測,沒有超聲可靠(3)。
在西氣東輸工程之前,射線檢測采用的標(biāo)準(zhǔn) 為SY 4056-1993 {石油天然氣鋼質(zhì)管道對接焊 縫射線照相及質(zhì)量分級》和GB/T 3323-1987{鋼 熔化焊對接接頭射線照相和質(zhì)量分級》。在西氣 東輸工程中對接環(huán)焊縫射線檢測采用的標(biāo)準(zhǔn)為 Q/SY XQ6-2001,它是在SY 4056一1993 {石油 天然氣管道對接焊縫射線照相及分級》的基礎(chǔ) 上,參照GB 3323-1987和18 4730一1994制定
的,焊縫缺陷性質(zhì)和長度參考API STD 1104?1999{管道及有關(guān)設(shè)施焊接》標(biāo)準(zhǔn)。缺陷自身高 度參考?xì)W共體EN 25817-1992{鋼電弧焊接接頭 缺陷質(zhì)量分級指南HD級)標(biāo)準(zhǔn)。
1.2超聲檢測
20世紀(jì)60年代,超聲檢測開始應(yīng)用于焊縫 檢測。超聲波可用于平面和立體兩類缺陷的檢 測,并能測量缺陷尺寸[ 4)。超聲檢測的靈敏度比 射線檢測的靈敏度高得多,如果檢測方法得當(dāng),超 聲檢測甚至能探測出閉合的裂紋。
20世紀(jì)80年代以前,超聲檢測主要采用A 型脈沖反射式超聲波探傷儀進(jìn)行手工探傷。進(jìn)入 80年代,出現(xiàn)了數(shù)字型A型脈沖反射式探傷儀, 從技術(shù)上講前進(jìn)了一步,實現(xiàn)了數(shù)字化脈沖顯示, 可以對反射波進(jìn)行存儲和打印。目前,它已改進(jìn) 為全自動超聲波探傷儀,并逐漸采用相控陣技術(shù), 可實時檢測、存儲探傷數(shù)據(jù),打印完整的彩色掃查 圖,可刻寫光盤對數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。全自動超聲波 探傷儀采用A掃描、B掃描和TOFD ( time of flight diffraction,衍射時差法)3種方式,實現(xiàn)了缺陷圖 像的彩色顯示。
隨著管道環(huán)焊縫無損檢測技術(shù)的發(fā)展,基于 爬行器和機(jī)器人的焊縫檢測技術(shù)均有了長足的發(fā) 展。特別是大直徑、厚壁管道的大量使用,對管道 內(nèi)檢測機(jī)器人的研制和開發(fā)起了很大的推動作 用。荷蘭RTD BV公司是應(yīng)用超聲自動檢測管道 環(huán)焊縫的先驅(qū),1959年成功研制了用于管道行業(yè) 的Rotoscan檢測系統(tǒng)(爬行器)0 20世紀(jì)60年 代,超聲檢測技術(shù)主要用于鋼管成型焊縫檢測,當(dāng) 時已出現(xiàn)了B掃描、C掃描及混合掃描的檢測方 式,但僅限于對于工焊縫的檢測。1971年, Tony Richardson首次設(shè)計出多探頭的超聲檢測系統(tǒng), 用于檢測由CRC ( crutcher resource co甲. )自動焊 接系統(tǒng)完成的焊縫。進(jìn)入80年代后,由于聚焦探 頭、數(shù)字化超聲技術(shù)的發(fā)展,檢測的信噪比得到了 很大的提高,而且和計算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合,方便了 對缺陷的識別和評價。1992年, SGS公司的 F. H. Gottfeld等開發(fā)的MIPA (multiple immersion probe array)檢測系統(tǒng)是一種典型的快速檢測手 工焊縫或自動焊接焊縫的自動超聲檢測系統(tǒng)。
加拿大是應(yīng)用自動超聲檢測技術(shù)較早的一個 國家,20世紀(jì)80年代就在管道敷設(shè)過程中應(yīng)用超聲檢測方法,并將其作為射線檢測的替代方法。1993年,加拿大最大的管道公司Transcanada Pipelines Ltd. (TCPL)把自動超聲檢測作為主要的檢測方法用于管道敷設(shè)過程中的自動焊縫檢測,利用TOFD技術(shù),系統(tǒng)檢測精度可以達(dá)到O. 1到 O. 2 mm 0 1997年改進(jìn)的TCPL檢測系統(tǒng)被用于大直徑管道的焊縫檢測。目前,國外一些公司 開發(fā)了焊縫自動超聲檢測系統(tǒng) 。
隨著管道焊縫超聲檢測技術(shù)和檢測設(shè)備的不 斷發(fā)展,其標(biāo)準(zhǔn)也不斷更新。在西氣東輸工程之 前,我國對接環(huán)焊縫超聲檢測采用的標(biāo)準(zhǔn)為CB/T 15830-1995{鋼制管道對接環(huán)焊縫超聲波探傷方 法和檢驗結(jié)果的分級》和SY物65一1993{石油天 然氣鋼質(zhì)管道對接焊縫超聲波探傷及質(zhì)量分級~, 而在西氣東輸工程中管道對接環(huán)焊縫全自動超聲 檢測采用的標(biāo)準(zhǔn)為Q/SY XQ7-2∞IT巧,它是在參 考ASTM E 1961-1998{配備聚焦裝置分區(qū)掃查的 環(huán)焊縫全自動超聲波檢測標(biāo)準(zhǔn)》的基礎(chǔ)上制定的。 缺陷長度參考API STD 1104-1999{管道及有關(guān)設(shè) 施焊接~,缺陷自身高度參考美同Alliance管線驗 收標(biāo)準(zhǔn)和歐共體EN 25817-1992{鋼電弧焊焊接 接頭缺陷質(zhì)量分級指南}CD級)。
2油氣輸送管道對接環(huán)焊縫檢測技術(shù)研 究進(jìn)展
2. 1管道環(huán)焊縫射線檢測的發(fā)展趨勢
管道環(huán)焊縫射線檢測的發(fā)展趨勢是:檢測信 息采集數(shù)據(jù)化、設(shè)備自動化和檢測信息實時顯示。 多年來,射線檢測的重大發(fā)展在于實時射線成像 方面,記錄焊縫成像時,采用熒光屏或X射線罔 像放大器將X射線轉(zhuǎn)化為可見光,并將其輸出端 連接到電視攝像機(jī)上。該方法易于實現(xiàn)自動化, 可直接獲得焊縫圖像,而不會因底片曝光和處理 延誤時間。圖像是以數(shù)字形式提供的,因此容易 將圖像處理和自動缺陷分析軟件連入檢測系統(tǒng),
如果選擇顯微聚焦源和大幾何尺寸放大率,則使 用實時射線照相法可獲得高質(zhì)量的圖像。非膠片 數(shù)字化射線成像技術(shù)的應(yīng)用,降低了檢測戚本,有 效保護(hù)了環(huán)境。
工業(yè)CT技術(shù)即計算機(jī)輔助層析成像技術(shù), 采用面狀射線束來透射焊縫的一個層面,檢測器 陣列與射線柬處于同一平面,通過機(jī)械驅(qū)動裝置 對焊縫形成一定的掃描透射,采集射線束通過該 層面的大量數(shù)據(jù),通過(Randan)變換和逆變換, 重建層面的圖像,賣現(xiàn)對這一層面的檢測。工業(yè) CT技術(shù)能夠給出焊件的斷層掃描圖,從圖像上可 以看到目標(biāo)的空間位置、形狀、大小,目標(biāo)不受周 圍細(xì)節(jié)的遮擋,圖像容易識別和理解,具有突出的 密度分辨率。但是檢測成本高,檢測效率低,有待 于進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展[6J。
同外管道檢測機(jī)器人的研究與開發(fā)主要集中 在以下方面:①自動定位與跟蹤缺陷技術(shù);②在非 結(jié)構(gòu)環(huán)境下的移動技術(shù);③檢測數(shù)據(jù)壓縮、存儲技 術(shù)及檢測信號傳送、判斷技術(shù);④信號的識別與缺 陷自動評定技術(shù)。
管道檢測機(jī)器人是一種融合了多種先進(jìn)技術(shù) 的自動檢測設(shè)備,其發(fā)展依賴于其它前沿學(xué)科和 先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。隨著電子、計算機(jī)、信號處理、 模式識別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的不斷進(jìn)步以及 各種新型傳感器的開發(fā),管道檢測機(jī)器人技術(shù)將 會有很大的發(fā)展。
2.2超聲檢測技術(shù)的研究進(jìn)展
在過去幾十年里,超聲檢測技術(shù)有了很大發(fā) 展。首先是聚焦聲場的發(fā)展給新型檢測探頭和檢 測技術(shù)的開發(fā)提供了可能。由于水平探頭的聲場 是擴(kuò)散的,使缺陷的測量誤差較大,聚焦聲場和聚 焦探頭的開發(fā)彌補(bǔ)了這個缺陷。目前聚焦聲波的 獲取有兩種方式,一種是聲透鏡聚焦法,另一種是 相控陣聚焦法。對接環(huán)焊縫自動相控陣超聲波檢 測技術(shù)的應(yīng)用,代表了超聲波檢測的發(fā)展方向。 在西氣東輸工程及海底管道建設(shè)中,使用了全自 動相控陣超聲波檢測( AUT)設(shè)備Pipe Wizard系 統(tǒng),大大提高了焊縫的檢測效率和檢測質(zhì)量,保證 了工程的順利完工。
超聲檢測從一種單純的人工檢測技術(shù),經(jīng)過計 算機(jī)處理的人工檢測技術(shù)到自動掃描儀器的使用, 最近發(fā)展為焊縫評估用連接多個壓電傳感器的全 自動系統(tǒng),相控陣技術(shù)就是其代表。相控陣是換能 器晶片的組合,利用脈沖定時產(chǎn)生的相位延遲來實 現(xiàn)波束方向和聚焦位置的控制。相控陣探頭與常 規(guī)探頭相比,其人射角度、入射點及聚焦點都是可 調(diào)的,可方便地掃描出焊縫的危害性缺陷。主要采 用方法有由分區(qū)掃查法(區(qū)域劃分如圖3所 示[7J )、線形掃查法、衍射時差法(TOFD)等O
TOFD技術(shù)是一種依靠從待檢試件內(nèi)部結(jié)構(gòu) (主要指缺陷)的端角和端點處得到衍射能量來 檢測缺陷的方法,也叫裂紋端點衍射法和尖端反 射法。衍射波能量在很大的角度范圍內(nèi)傳播至接 收探頭,可測量缺陷自身高度(原理如圖4所 示) ,缺陷分析如圖5所示。為了更好地檢測缺 陷尺寸,許多設(shè)備制造商增加了振幅一距離差示 技術(shù)ADDT(如圖6所示) ,試驗表明它對缺陷的 定量檢測比常規(guī)超聲A掃描方式更加準(zhǔn)確。
在測量缺陷大小方面,根據(jù)合成的小孔聚焦 (SAFf)及派生方法Super - SAFf技術(shù)進(jìn)行超聲
自動成像的自動超聲系統(tǒng)已經(jīng)取得重要進(jìn)展。在 超聲成像系統(tǒng)方面目前已經(jīng)使用和正在開發(fā)的新 技術(shù)有:①超聲顯微技術(shù);②A掃描及B,C和D 掃描成像技術(shù);③F掃描成像顯示系統(tǒng);④P掃描 成像顯示系統(tǒng);⑤Alok超聲成像技術(shù);⑥合成孔 徑聚焦成像技術(shù)(SAFf) ,等。其中SAFf是20 世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種高級成像技術(shù)。 SAFf成像分辨率高,能在近場區(qū)工作,并能實現(xiàn) 三維成像,現(xiàn)在正處于試驗研究階段。定量化技 術(shù)是數(shù)字信號處理與模式識別用于超聲檢測的主 要目的之一,可對缺陷大小、形狀位置和性質(zhì)(空 穴或夾雜等)進(jìn)行量化檢驗;另一個目的是分離 和識別一些復(fù)雜的檢測信號。把數(shù)字信號處理與 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于超聲檢測系統(tǒng)中,可以探 測出各類奧氏體鋼中的缺陷。此外,還出現(xiàn)了一 系列新技術(shù),如不接觸超聲波技術(shù)和多探頭渦流 檢測技術(shù)。導(dǎo)波技術(shù)、激光和紅外檢測技術(shù)等正 在研究和開發(fā)之中。
3發(fā)展我國焊縫檢測技術(shù)的建議
由于我國現(xiàn)階段對接環(huán)焊縫檢測主要采用于 工探傷方式,檢測效率低,精度也不高,因此,提出 以下幾點發(fā)展建議:
(1)因?qū)崟r射線照相技術(shù)和工業(yè)CT技術(shù)對 缺陷的空間位置、形狀、大小反映直觀,并可降低 成本,因此須研究開發(fā)出更方便、實用的設(shè)備以滿 足實際檢測工作的需要。
(2)目前,對接環(huán)焊縫檢測過程中可以用當(dāng) 量法確定缺陷的大小,但是對缺陷的定性分析較 難,目前還沒有得到很好的解決。焊縫探測時會 產(chǎn)生各種復(fù)雜的信號,對這些復(fù)雜的信號可以采 用信號處理技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模式識別技術(shù)等 來提取各種缺陷信號的特征,建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫,進(jìn) 而對缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確的判定。
(3)超聲檢測人員除了對缺陷波了解之外, 還需要對其他一些信號波,如探頭雜波、工件輪廓 回波、藕合劑反射波以及其他原因引起的非缺陷 波有一定的了解,以便對缺陷波進(jìn)行正確的判斷。
(4)焊縫中的缺陷主要是在焊接過程中產(chǎn)生 的,因此,焊縫檢測人員必須對焊接工藝有一定的
了解,以便對缺陷類型和位置做出更加準(zhǔn)確的判 斷。在焊縫檢測過程中,使用各類標(biāo)準(zhǔn)試塊來調(diào) 節(jié)掃查靈敏度和確定相關(guān)參數(shù),但是由于管道有 一定的曲率,這樣會產(chǎn)生很大的誤差。所以要盡 量使用對比試樣,以便對缺陷準(zhǔn)確地進(jìn)行定性和 定量分析。
(5)增加新技術(shù)的研究、開發(fā)和使用,如 TOFD技術(shù)、相控陣技術(shù)、導(dǎo)波技術(shù)等,可有效提 高焊縫檢測效率。
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作者簡介:羅華權(quán)(1983 - ) ,男,西安石油大學(xué)在讀碩士 研究生,主要研究方向為油氣儲運(yùn)工程和油氣管道無損 檢測。

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