超聲檢測技術(shù)在油氣輸送用鋼管制造行業(yè)的應(yīng)用與展望

目前，國內(nèi)已鋪設(shè)的石油天然氣管道總里程數(shù)達(dá)13萬公里，其中天然氣管道總里程數(shù)近8萬公里。伴隨著油氣資源的大規(guī)模開發(fā)和利用，國內(nèi)油氣輸送用鋼管制造企業(yè)數(shù)量在2010年前后大幅增加。而酸性油氣、深海油氣、頁巖氣、可燃冰等資源的深度開發(fā)也促進(jìn)了國內(nèi)油氣輸送用鋼管制造技術(shù)能力的提升。油氣輸送用鋼管制造的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)為APISpec5L《管線管規(guī)范》、ISO3183《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》、GB/T9711《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》（該標(biāo)準(zhǔn)等同于ISO3183）以及DNVOS-F101《海底管線系統(tǒng)》。國外陸上油氣輸送管制造標(biāo)準(zhǔn)多采用APISpec5L或ISO3183、國內(nèi)陸上油氣輸送管制造標(biāo)準(zhǔn)多采用GB/T9711、海底油氣輸送管制造標(biāo)準(zhǔn)多采用DNV-OS-F101。另外，一些大型油氣公司在輸送管基礎(chǔ)制造標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了一些技術(shù)要求，形成了自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如中國石油天然氣集團(tuán)公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《油氣輸送管道用管材通用技術(shù)條件》、殼牌石油公司的DEP標(biāo)準(zhǔn)、道達(dá)爾公司的GS標(biāo)準(zhǔn)等。油氣輸送過程中泄漏或斷裂失效可造成無法估量的損失，尤其天然氣管道的泄漏或斷裂失效可造成毀滅性的災(zāi)難，所以各油氣輸送用鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)均要求應(yīng)用無損檢測技術(shù)對質(zhì)量進(jìn)行把控。從某天然氣工程項目直縫焊接鋼管制造工藝流程（見下圖）中可以看出，無損檢測工序數(shù)量約占總檢測工序數(shù)量的70%。同時從工藝流程圖中也可看到，在原材料復(fù)驗、過程檢驗以及最終檢驗上均可用超聲檢測。圖1某天然氣工程項目直縫焊接鋼管制造工藝流程下面將對超聲檢測技術(shù)在油氣輸送用鋼管制造行業(yè)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，并對其在行業(yè)中的應(yīng)用前景提出展望。固定布局

1超聲檢測技術(shù)在油氣輸送用鋼管制造行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展油氣輸送用鋼管制造過程屬于流水線作業(yè)，為了滿足生產(chǎn)節(jié)拍的需求，檢測工序應(yīng)具備較高的自動化程度，所以在鋼管制造過程中的超聲檢測常采用多通道自動化超聲檢測系統(tǒng)。多通道自動化超聲檢測技術(shù)是伴隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，在2000年之前其成熟度落后于當(dāng)時的X射線實時成像技術(shù)。因此APISpec5L第42版（2000年發(fā)布）中對埋弧焊鋼管焊縫的無損檢測仍要求對全長焊縫進(jìn)行X射線實時成像檢測。而隨著多通道自動化超聲檢測技術(shù)的進(jìn)步，標(biāo)準(zhǔn)對于無損檢測的要求也進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整，APISpec5L從第43版（2004年發(fā)布）到第46版（2018年發(fā)布）各版標(biāo)準(zhǔn)中對埋弧焊鋼管焊縫的無損檢測均優(yōu)先采用超聲檢測，全長焊縫X射線檢測僅作為協(xié)議條款，已不再作為硬性要求。油氣輸送用鋼管有著鋼級由低到高、壁厚由小到大的發(fā)展趨勢，較之射線檢測利用超聲檢測技術(shù)檢測高鋼級、大壁厚鋼管更具優(yōu)勢，可見標(biāo)準(zhǔn)對檢測方法進(jìn)行調(diào)整具有其合理性。另外，自動化超聲檢測系統(tǒng)可以做到自動評定、自動記錄，從而減少了過程中人的參與，目前這一優(yōu)勢也是射線檢測技術(shù)所無法比及的，亦可見標(biāo)準(zhǔn)對檢測方法進(jìn)行調(diào)整具有合理性。在很長一段時期內(nèi)，在多通道自動化超聲檢測系統(tǒng)的檢測設(shè)備制造水平方面，國內(nèi)與國外存在較大差距，而高性能的全套進(jìn)口多通道自動化超聲檢測系統(tǒng)動輒上千萬，同時還需要高額的使用和維護(hù)費用，這些情況導(dǎo)致高性能的多通道自動化超聲檢測系統(tǒng)在國內(nèi)油氣輸送用鋼管制造行業(yè)得不到廣泛配置。出于對行業(yè)水平的整體考量，國內(nèi)油氣管線項目雖要求對埋弧焊鋼管焊縫進(jìn)行超聲檢測，但截至目前仍未舍棄焊縫全長的X射線檢測。近年來，隨著多通道自動化超聲檢測技術(shù)的進(jìn)步，鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)對超聲檢測系統(tǒng)提出了更高的要求，一些技術(shù)要求已經(jīng)突破習(xí)慣做法。比如，DEP標(biāo)準(zhǔn)對檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高要求，在系統(tǒng)穩(wěn)定性測試過程中，要求滿屏高度80%（±5%）的測試回波信號進(jìn)行連續(xù)8次試驗，8次試驗測試信號波動不應(yīng)超過信號幅度均值的25%。通常認(rèn)為檢測系統(tǒng)不漏檢即可，如果回波信號波動較大，可適當(dāng)提高整體增益水平以保證不漏檢。但是，回波信號波動較大的檢測系統(tǒng)如果按照DEP標(biāo)準(zhǔn)驗收，很可能就會歸于不合格檢測設(shè)備。再比如，澳大利亞天然氣管道公司APA集團(tuán)的油氣鋼管技術(shù)規(guī)范對自動化超聲檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性提出了更高的要求，其要求最終檢測結(jié)果應(yīng)以自動化超聲檢測的結(jié)果為準(zhǔn)，不允許采用手工超聲檢測對自動化超聲檢測報警信號進(jìn)行放行。通常認(rèn)為自動檢測系統(tǒng)如果靈敏度設(shè)置偏高一些，可以在一定程度上保證不漏檢，但檢測過程中部分未超標(biāo)的缺欠可能會因此發(fā)生報警標(biāo)識。習(xí)慣做法是在自動檢測之后采用手工檢測進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)，但若按照APA的技術(shù)規(guī)范，存在被自動檢測系統(tǒng)報警標(biāo)識的鋼管將不能被直接驗收。2超聲檢測技術(shù)在油氣輸送用鋼管制造行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀油氣輸送用鋼管分為焊接鋼管和無縫鋼管，其中焊接鋼管分為直縫埋弧焊鋼管、直縫高頻焊鋼管、螺旋埋弧焊鋼管。鋼管制造過程中的超聲檢測采用自動超聲檢測輔以手工超聲檢測。其中手工超聲檢測廣泛采用數(shù)字便攜A型脈沖反射式超聲檢測儀，目前該類儀器已較為成熟，其性能滿足檢測要求。而自動化超聲檢測的應(yīng)用現(xiàn)狀較為復(fù)雜，下面從焊接鋼管用鋼板（或鋼卷）的超聲檢測、焊接鋼管焊縫的超聲檢測、無縫鋼管管體的超聲檢測等3個方面對其應(yīng)用分別進(jìn)行介紹。No.1焊接鋼管用鋼板（或鋼卷）的自動化超聲檢測焊接鋼管用鋼板（或鋼卷）超聲檢測主要用以檢測分層缺欠，特殊情況下才用以檢測裂紋缺陷。以鋼板（或鋼卷）作為檢測面較為平整，易形成良好的耦合效果，通常情況會優(yōu)先選擇成型前在鋼板（或鋼卷）上進(jìn)行均布的平行帶掃查（即列線掃查），其常用的檢測機(jī)構(gòu)形式如下圖所示。圖2鋼板（或鋼卷）的超聲檢測常用檢測機(jī)構(gòu)形式直縫埋弧焊鋼管進(jìn)行管體超聲檢測將會受到焊縫余高的影響，檢測不易實現(xiàn)，通常選擇在鋼板上進(jìn)行，如下圖所示。圖3直縫埋弧焊鋼管用鋼板的自動化超聲檢測直縫高頻焊鋼管的管徑較小，在管體上進(jìn)行超聲檢測如采用直接接觸法，則耦合效果較差；如采用液浸式耦合，檢測機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，故通常選擇在鋼卷上進(jìn)行，如下圖所示。圖4直縫高頻焊鋼管用鋼卷的自動化超聲檢測螺旋縫埋弧焊鋼管的管徑較大，而且在管體上采用螺旋方式檢測可以有效避開焊縫余高的影響，可以在成型和焊接后在管體上進(jìn)行檢測，如下圖所示。圖5螺旋縫埋弧焊鋼管的管體自動化超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)中對鋼板（或鋼卷）超聲檢測掃查覆蓋率的要求一般因鋼管服役環(huán)境不同而不同，海洋服役環(huán)境、酸性服役環(huán)境以及地質(zhì)狀況復(fù)雜的服役環(huán)境通常要求較高的掃查覆蓋率。另外，鋼板（或鋼卷）的不同部位的超聲檢測掃查覆蓋率也有所不同，邊部以及端部如存在分層，易對質(zhì)量造成不良影響（這一點筆者在《鋼板邊部分層對雙面埋弧焊鋼管的質(zhì)量影響》一文中曾進(jìn)行過專題論述，見《理化檢驗-物理分冊》2016年第52卷第3期），通常這些部位的掃查覆蓋率要求較高。高掃查覆蓋率可以通過多次掃查實現(xiàn)，也可以一次掃查實現(xiàn)。如果一次掃查實現(xiàn)高掃查覆蓋率就需要較多數(shù)量的檢測通道，比如一款國產(chǎn)新型的鋼板電磁超聲檢測系統(tǒng)配有800個檢測通道，可以同時檢測分層、裂紋以及進(jìn)行厚度測量，如下圖所示。圖6800通道鋼板電磁超聲自動化檢測系統(tǒng)雖然鋼板（或鋼卷）自動化超聲檢測機(jī)構(gòu)較為龐大，但實際結(jié)構(gòu)較為簡單，因此國內(nèi)油氣輸送用鋼管制造企業(yè)對該設(shè)備的配置較復(fù)雜，其中有進(jìn)口設(shè)備、國產(chǎn)設(shè)備，也有自制設(shè)備。這也導(dǎo)致行業(yè)內(nèi)設(shè)備性能參差不齊，高性能的設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定、檢測盲區(qū)小、檢測效率高、可以實現(xiàn)缺欠自動評定，而性能較低的設(shè)備則無法做到這些。No.2焊接鋼管焊縫的自動化超聲檢測焊接鋼管焊縫的自動化超聲檢測按照耦合方式可以分為水膜法和射流法兩種，如下圖所示。圖7水膜法和射流法耦合示意射流法檢測的優(yōu)點較多，但對耦合水的控制要求較高、聲束入射角的控制要求較高、耦合狀態(tài)自監(jiān)控較難實現(xiàn)，目前行業(yè)內(nèi)仍以水膜法檢測為主。直縫埋弧焊鋼管焊縫自動化超聲檢測系統(tǒng)和螺旋縫埋弧焊鋼管焊縫自動化超聲檢測系統(tǒng)如下圖所示。圖8直縫埋弧焊鋼管焊縫的自動化超聲檢測（a）探頭機(jī)架的結(jié)構(gòu)（b）檢測系統(tǒng)實物圖9螺旋縫埋弧焊鋼管焊縫的自動化超聲檢測焊接鋼管焊縫的自動化超聲檢測設(shè)備較為復(fù)雜，目前行業(yè)內(nèi)多由專業(yè)設(shè)備廠家制作。近年來國內(nèi)專業(yè)設(shè)備廠家也從單純模擬國外設(shè)備發(fā)展到能夠?qū)z測設(shè)備自主研發(fā)，設(shè)備的整體性能也得到了大幅度提升，進(jìn)一步拉近了國內(nèi)外的技術(shù)差距。同時，行業(yè)對自動化超聲檢測系統(tǒng)的要求也越來越高，比如焊縫自動跟蹤以及橫波斜探頭耦合監(jiān)控已成為檢測系統(tǒng)的必備功能。另外，超聲檢測新技術(shù)也逐漸步入檢測系統(tǒng)，如一款帶PAUT功能的自動化超聲檢測系統(tǒng)在螺旋縫埋弧焊鋼管焊縫檢測上得以應(yīng)用（見下圖），這將在很大程度上減小機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，也進(jìn)一步提高了檢測的可靠性。圖10螺旋縫埋弧焊鋼管焊縫帶有PAUT功能的自動化超聲檢測焊接鋼管焊縫的自動化超聲檢測需要科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臋z測工藝作為技術(shù)支持，目前在行業(yè)內(nèi)還存在一定程度的不足。比如檢測探頭的布置，很多人認(rèn)為能夠按照標(biāo)準(zhǔn)要求發(fā)現(xiàn)人工缺陷即可，那么僅僅滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求是否就可以了呢？從下圖可以看出，兩種探頭布置均能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)的靈敏度校驗要求（即發(fā)現(xiàn)焊縫中心豎通孔以及焊縫邊緣人工刻槽），但兩種布置的有效聲束覆蓋狀況迥異，按圖11（b）布置將會導(dǎo)致嚴(yán)重的漏檢。（a）一種檢測探頭布置

（b）另一種檢測探頭布置圖11自動化超聲檢測探頭的兩種不同布置方式No.3無縫鋼管管體的自動化超聲檢測油氣輸送用無縫鋼管管體自動化超聲檢測多采用局部液浸形式。探頭與鋼管之間的運動形式有兩種，一種是鋼管原地旋轉(zhuǎn)加探頭直線運動，另一種是鋼管直線運動加探頭高速旋轉(zhuǎn)，見下圖。圖12鋼管原地旋轉(zhuǎn)加探頭直線運動的無縫鋼管管體自動化超聲檢測圖13鋼管直線運動加探頭高速旋轉(zhuǎn)的無縫鋼管管體自動化超聲檢測（結(jié)合以無線通訊技術(shù)）無縫鋼管如用于海洋服役環(huán)境、酸性服役環(huán)境或地質(zhì)狀況復(fù)雜的服役環(huán)境，對其質(zhì)量要求就較高。通常要求檢測縱向缺欠和分層缺欠，同時還有壁厚測量的要求，特殊情況下還會有橫向缺欠的檢測要求。無縫鋼管管體自動化超聲檢測的機(jī)構(gòu)較為簡單，檢測效果較好，目前應(yīng)用較為成熟。隨著無線通訊的發(fā)展，結(jié)合以無線通訊技術(shù)的無縫鋼管管體自動化超聲檢測系統(tǒng)已得以應(yīng)用（見圖13）。該檢測系統(tǒng)以數(shù)字信號替代了模擬信號，既提高了信噪比，也解決了模擬信號耦合困難的問題。超聲檢測技術(shù)在油氣輸送用鋼管制造行業(yè)的應(yīng)用前景展望隨著科技的高速發(fā)展