（石油与天然气工程专业论文）大口径、大壁厚对接环焊缝超声波检测技术研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 大口径、大壁厚对接环焊缝超声波检测技术研究 石油与天然气工 赵事( 签名) 高惠临( 签名) 摘要 本文以我国目前在大口径、大壁厚对接焊缝缺陷无损检测中存在的从检测方法、缺 陷识别、设备、执行标准等方面存在的不足之处出发，对大口径、大壁厚对接环焊缝中 所存在焊接缺陷形态了分析；超声波进行焊接缺陷定性定量检测评定的方法；大口径、 大壁厚对接环焊缝专用的超声检测方法；缺陷定量用对比试块和对所检测的各种缺陷大 小进行对比的试块；专用探头、探头架及探伤仪的设计及选择等方面进行了研究，确定 了以超声波衍射时差法( t o f d ) 为主的检测方法及相关的工艺和设备。并在对大口径、 大壁厚对接环焊缝缺陷检测的国内外验收标准进行详细比较的基础上，编制了大口径、 大厚壁对接环焊缝无损检测的标准( 推荐做法) 。 最后，应用研究中所确定的检测方法和检测标准，经过实验室和现场实验，对大口 径、大壁厚对接环焊缝进行了检测。在实验室环境下，对 1 0 1 6 m m x 2 5 m m 和 1 0 1 6 2 0 m m 试板上不同深度内外刻槽进行量化评定。实验验证，用t o f d 结合脉冲回波法 对裂纹位置及尺寸进行定征，缺陷深度测量精确度可达1 5 m m 。现场检测的中1 0 1 6 x 2 6 2 m m 、中1 0 1 6 2 1 m m 和中1 0 1 6 1 7 5 m m 环焊缝共3 5 道。在检测过程中发现了一 些常规x 射线难以发现的未超标缺陷。结果表明t o f d 技术检测灵敏度高，效果良好， 可对缺陷的大小及深度进行准确的评判。 关键词：超声波检测，大壁厚，环焊缝，超声波衍射时差法、推荐做法 论文类型：应用基础 ( 本文得到中国石油天然气集团公司项目“大1 ：3 径、大壁厚对接环焊缝检测评定技术研 究”研究资金的资助) l i 英文摘要 s u b j e c t ：s t u d ya b o u tu l t r a s o n i ce x a m i n a t i o no fl a r g ed i m e n s i o na n db i g t h i c k n e s s b u t tc i r c u m f e r e n c ew e l d i n g s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s n n c t o r ： o i l g a se n g i n e e r i n g z h 。s h i ( 。i g n 。t u ，。) i ；垒丝 g a o h u i l i n ( s i g n a t u r e ) 丛：! ：鱼竺 a b s t r a c t a tt h eb a s eo fd e f i c i e n c yi nn o n d e s t r u c t i v ee x a m i n a t i o no fl a r g ed i m e n s i o na n db i g t h i c k n e s sb u t tc i r c u m f e r e n c ew e l d i n gd e f e c t si no u rc o u n t r y , a b o u te x a m i n a t i o nm e i s ，d e f e c t r e c o g n i t i o n ，e q u i p m e n t s ，e x e c u t i v ec r i t e r i o na n ds oo n ，t h ef o r m so fw e l d i n gd e f e c tt h a te x i s t i nl a r g ed i m e n s i o na n db i gt h i c k n e s sb u t tc i r c u m f e r e n c ew e l d i n ga r ea n a l y z e d ，t h eq u a l i m t i v e a n dq u a n t i t a t i v ee x a m i n a t i o nm e t h o d so fw e l d i n gd e f e c t sb yu l t r a s o n i ci si n t r o d u c e d ， u l t r a s o n i ce x a m i n a t i o nm e t h o d sp a r t i c u l a r l yf o rl a r g ed i m e n s i o na n db i gt h i c k n e s sb u t t c i r c u m f e r e n c ew e l d i n gi ss t u d i e d ，ap a s s e lo fc o m p a r a t i v et e s tb l o c k sf o rd e f e c tq u a n t i t a t i v e e x a m i n a t i o na n dd e f e c t ss i z ec o m p a r i s o na r cd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ，s p e c i a lp r o b e ，p r o b e f r a m ea n df l a wd e t e c t o ra r ea l s od e v i s e da n ds t u d i e di nt h i sp a p e r t h e nt h et i m eo ff l i g h t d i f f r a c t i o nt e c h n o l o g y ( t o f d ) i sf i n a l l yd e f i n e da st h em a i nm e t h o d a n da f t e rac o m p a r i s o n b e t w e e nd o m e s t i ca n de x t e r n a la c c e p t a n c ec r i t e r i o na b o u tt h ee x a m i n a t i o nt e c h n o l o g yo fl a r g e d i m e n s i o na n d b i gt h i c k n e s s b u t tc i r c u m f e r e n c ew e l d i n gd e f e c t s ，t h e nt h ec r i t e r i o no f n o n d e s t r u c t i v ee x a m i n a t i o n ( r e c o m m e n d e dp r a c t i c e s ) f o rl a r g ed i m e n s i o na n db i gt h i c k n e s s b u t tc i r c u m f e r e n c ew e l d i n gd e f e c t si sd r a w nu p f i n a l l y , a f t e rl a b o r a t o r ya n d f i e l dt e s t i n g ，l a r g ed i m e n s i o na n db i gt h i c k n e s sb u t t c i r c u m f e r e n c ew e l d i n gi se x a m i n e db ye s t a b l i s h e de x a m i n a t i o nt e c h n o l o g ya n dc r i t e r i o n a t l a b o r a t o r ye n v i r o n m e n t , d i f f e r e n td e e p n e s sn o t c hi n s i d ea n do u t s i d eo na p l 0 1 6 m m x 2 5 m m a n d0 1 0 1 6 x 2 0 m mt e s tp l a t ei sq u a n t i t a t i v e l ye v a l u a t e d 1 1 1 er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a td e f e c t d e e p n e s sa c c u r a c yt e s t e db yt o f dc o m b i n i n gw i t hp u l s e e c h om e t h o dc o u l dr e a c h1 5 m m a b o u tf i e l de x a m i n a t i o n ，3 5w e l db e a dt h a ti n c l u d e s 中1 0 1 6 2 6 2 m m ，g ) 1 0 1 6 x 2 1 m ma n d g ) 1 0 1 6 x1 7 5 m mc i r c u l a rs e a mw e l d i n g a n ds o m ed e f e c t st h a ta r ed i f f i c u l tt od i s c o v e rb y r o u t i n ex r a ya r ed i s c o v e r e db yt h i se x a m i n a t i o np r o c e s s n 忙r e s u l ts h o w st h a tt o f d e x a m i n a t i o nt e c h n o l o g yi sf a v o r a b l ef o rs e n s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s sa n di tc a na c c u r a t e l y e v a l u a t et h es i z ea n dd e p t ho f d e f e c t k e yw o r d s ：u l t r a s o n i ce x a m i n a t i o n ，b i gt h i c k n e s s ，c i r c u m f e r e n c ew e l d i n g ，t o f d ， r e c o m m e n d e dp r a c t i c e s t h e s i s ：a p p l ic a t i o ns t u d y ( t h i sp a p e ri ss u p p o s e db yp r o j e c to f s t u d ya b o u te x a m i n a t i o na n de v a l u a t i o nt e c h n o l o g yo f l a r g ed i m e n s i o na n db i gt h i c k n e s sb u t tc i r c u m f e r e n c ew e l d i n g f r o mc n p c ) i l i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：主金日期：苎颦! ：! 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法 发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位 论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：二墨l 复 导师签名：0 勤乞 日期：幽竺竺 日期：型2 ：! ! ： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究的意义 1 1 1 项目背景 油气输送管线是保证我国油气输送的重点工程，一般工程规模宏大，线路有时穿越 沙漠、戈壁、黄土高原和河流，有时穿越地震断裂带和高强度地震活动区。通常在恶劣 的外部环境下运行，服役条件十分苛刻。 油气输送管线焊接施工现场的地理环境和气候环境比较复杂，工艺过程有时难以 控制，部分管段对接环焊缝特别是连头对接环焊缝质量很难保证；大口径大壁厚管子现 场焊接时，通常采用吊管机牵拉组对方法，在此情况下，焊缝极易出现焊接裂纹、未焊 透、未熔合、错边等缺陷。 如果管线由于缺陷发生泄漏或断裂破坏，将直接引发火灾、爆炸等恶性事故，造成 国家和人民生命财产的巨大损失。一般焊接结构件都是巨大工业财富的组成部分，并兼 有环保对象的特点。按照美国的估算，因焊接接头失效引起的经济损失高达国民生产总 值的5 。因此，如何提高管线建设中无损检测评定技术，通过早期检测来发现管线焊 缝中存在的危害性缺陷，保证含有焊接构件装置的运行安全就成为一个极富有挑战性的 课题。 当今的现代化管道工业，从管道的可靠性和经济性以及运行后的使用性能出发，要 求管道有较高的输送压力和较大的管线直径并保证其安全运行。因此，现代化管道工业 提出了管线钢的高强化、高韧化、管径的大型化和管壁的厚壁化。 国外在大口径大壁厚油气输气管线焊缝缺陷评定方法和技术方面已开发出一系列新 技术并在管线建设工程中得到了成功应用【l 。】，有效地提高了管线环焊缝焊接缺陷的检测 可靠性，减少了管线环焊缝失效事故。这些新技术包括诸如t o f d 技术、端角定时技术 等等【1 。 1 1 2 项目的意义 大1 2 1 径、大壁厚对接环焊缝缺陷检测评定方法和技术的研究成功和推广应用【n 】，将 完善我国油气输送管对接环焊缝检测评定技术、验收标准和检测装置，使得我国大口径 大壁厚油气输送管线对接环焊缝缺陷检测准确性有效提高，能够使油气输送管线更安全 可靠、长期、稳定地运行，可减少因缺陷引起的重大事故，使得我国油气输送管线工程能 更好地为国家社会创造更大的社会效益和经济效益。 一1 2 相关技术的文献综述 1 2 1 大口径、大壁厚管道对接环焊缝检测的现状及各种检测技术分析 1 2 1 1 管道对接环焊缝无损检测的主要方法 ( 1 ) 方法简述 国内长输管道的无损检测方法主要有射线、超声波、磁粉和液体渗透四种【州o 】。射 西安石油大学硕士学位论文 线和超声波检测是最为常用的管道环焊缝检测方法；磁粉和液体渗透检测法主要适用于 焊缝表面或近表面缺陷的检查，在长输管道中主要用于异型管件的连接焊缝探伤，在现场 环焊缝检测上使用较少。主要使用射线和超声波两种探伤方法。 a ，射线探伤1 射线探伤是利用射线检查焊缝阿部缺陷的一种无损检测方法。按使用的射线源划分， 又分为x 射线探伤和y 射线探伤两种。x 射线探伤是利用探伤仪在管道外侧采用双壁单影 法或双壁双影法进行透照，分段曝光，其优点是显示缺陷的灵敏度较t 射线高，不受地形限 制，平原地段、大坡度山区段以及对死口连头段均可适用；缺点是设备复杂、操作不便、效 率低、费用高。y 射线探伤是利用爬行器在管道内部进行内透照全周向一次性曝光，优点 是透视时不需电源，在野外条件下使用方便，设备轻巧、操作简单、效率高；缺点是显示缺 陷的灵敏度较x 射线小，不适用于大坡度山区段和对死口连头段环焊缝检测。 b 、超声波探伤 超声波探伤是利用超声波探测材料内部缺陷的一种无损检测方法。按操作模式具体 又分为手工超声波探伤和全自动超声波探伤两种。手工超声波探伤是一种传统的探伤方 式，国内长输管道无损检测方法中的超声波探伤一般就是指的手工超声波探伤。管道全自 动超声波探伤是国内刚刚兴起的一种探伤方法，比传统的手工超声波探伤具有些明显 的优点和适用条件。 ( 2 ) 两种无损检测方法的技术和优缺点比较 射线与超声波检测技术比较见表1 1 ，射线与超声波的优缺点比较见表l - 2 。从表中 可以看出，由于射线探伤和超声波探伤的机理不同，在探伤上各具特点。理论上超声波 探伤同样不失为一种理想的探伤方式，但在实际应用中超声波存在以下严重缺点：受 人为因素( 包括操作因素和经验判定因素) 影响较大；原始记录无法保存，不可追溯。 这两大不足之处使超声波探伤的可信度和使用受到很大影响。笔者在陕京管线期间，曾 作过简单调查，对一机组前2 0 0 道口的“双百”探伤中，超声波的检测结果一次合格率在 9 0 以上，而x 射线的复检结果一次合格率甚至连7 0 都不到，两者结果差距甚大。事后 分析原因发现，负责无损检测的第三方在采用超声波检查时，一是现场检测未能严格按 照程序要求去做，这其中包括探伤前的焊口除锈、打磨，涂刷耦合剂，探头行走方式、 速度以及仪器的调校等问题，二是对缺陷的判定也受无损检测人员的经验和能力影响很 大，可以说对一焊口的检查判定是否合格很大程度上决定于检测人员，主观因素占的比 重较大。 第一章绪论 表卜1 射线与超声波检测方法的技术比较 对比项 射线探伤超声波探伤 方法原理穿透法脉冲发射法 物理能量电磁波弹性波 缺陷部位完好部位与缺陷部位的穿透剂量有差在完好部位没有反射波，而在缺陷 的表现形异。其差异程度与这两部分的材质、部位发生发射波。其反射程度与这 式 射线透过的方向以及缺陷的尺寸有关 两部分的材质及缺陷的尺寸有关 信息显示 射线底片 荧光屏 原 显示的内 理 容 完好部位与缺陷部位的底片黑度差缺陷反射波的位置和缺陷 易于检测 的缺陷方与射线入射方向平行的缺陷与超声波入射方向垂直的缺陷 向 易于检测 与超声波入射方向垂直方向扩展的 的缺陷形与射线入射方向有深度的缺陷 缺陷 状 分层不适合很适合 气孔很适合适合 缺未焊透适合适合 陷未熔合适合适合 裂纹有附加条件时适合有附加条件时适合 夹渣 很适合适合 表1 - 2 射线与超声波检测优缺点比较 对比项射线探伤超声波探伤 对缺陷的适用性对有些缺陷不适用，如夹层对内部缺陷均能够适用 缺陷定位不能能推断出缺陷位置和深度 缺陷定性能不能 探伤速度慢快，对有无缺陷能及时判定 费用高设备简单、费用低 对人体的影响有害无害 缺陷观察 直观不直观 原始记录可保留不能保存 人为影响因素 小大 3 两安石油大学硕上学位论文 通过工程实践证明射线探伤是一种理想的探伤方式，其结果直观、准确，并具有可追 溯性。尤其是管道射线爬行器探伤方法的应用，在大大提高探伤速度的同时，也大幅度降低 了探伤成本。这种方法在近几年建成的涩宁兰、兰成渝等多条管线中都得到了大量应用， 并获得良好的经济技术效果。就射线探伤不太适用的分层缺陷来讲，这一缺陷一般是产生 于钢板的轧制过程中，现场环焊逢中这一缺陷基本是不存在的。但是在管道现场焊口傲割 口处理时，用坡口机( 或砂轮机) 加工坡口后，由于机械应力的作用，可能会使管道坡口端面 的母材产生分层缺陷。在陕京管线中，笔者曾与德国p l e 监理的一位焊接工程师探讨过此 问题，国外监理的意见基本也是如此，处理意见是先用超声波或液体渗透等对加工后的坡 口表面进行探伤，确保没有分层缺陷后方可进行焊接施工。 1 2 1 2 国外焊缝检测技术的发展概况 从2 0 世纪2 0 年代，澳大利亚研制出纤维型焊条的手工电弧焊并以此来进行管道对 接焊缝的焊接开始，管道对接焊缝质量检测的研究就开始了。无损检测手册( 美国无 损检测学会编，第一版第二卷) 介绍了一种2 0 世纪四五十年代用于检测飞机构件、钢轨 的机械超声装置，电机带动三个独立安装在导轨上的探头进行扫描。荷兰的r t d 是自动 超声检测工业应用的先驱。1 9 5 9 年，他们研制的“r o t o s c a n ”系统工业应用，三个探头可 以同时对焊缝中的纵、横各种裂纹进行检测。但是由于手工操作难以排除焊角假发射的 干扰，缺陷波反射不易分辨的限制，加上手工焊缝的本身缺陷的不可控因素，如焊接状 况以及现场检测环境等成为阻碍手工焊缝的自动化检测的关键。2 0 世纪6 0 年代管道对 接焊缝的超声检测发展缓慢。管道自动焊接技术的研究与应用大大推动了焊缝检测自动 化的进程，当时有名的自动焊接系统如美国的c r c ，荷兰的v e r r n a t ，法国的s e r i m e 民加拿大的r m s 等。1 9 7 1 年t o n y r i c h a r d s o n 设计出首台针对c r c 系统自动焊缝的超声 检测系统。2 0 世纪7 0 年代衡量自动检测系统主要有两条：信息的采集量和手动扫描方式 的模仿程度。2 0 世纪8 0 年代中期，聚焦探头、数字化超声波探伤仪等方面迅速发展， 提高了信噪比。同时e c a ( e n g i n e e r i n gc r i t i a la s s e s s m e n t ) 一一种把超声结果和裂纹力学 性能联系起来的观点得到重视。这种在管道对接焊缝自动超声检测中把焊缝分成数个区 域的观念，不仅可以定出裂纹的尺寸，而且便于计算机显示中识别不同的区域。 德国s g s 公司的r h g o t t f e l d 和h e i n e 两人于1 9 9 2 年承接开发的m i p ac ( m u l t i p l e l m m e r s i o np r o b ea r r a y ) 是一种典型的快速自动检测手工或自动焊接的管道对 接焊缝自动超声检测系统。设计初期，通过系统的项目论证，与客户、设备供应商多方 商讨以及对管道焊缝的法规和标准的研究，他们为m i p a 确定以下的设计目标参数：手工 或自动焊缝的自动超声检测：检测4 5 英寸管径时间小于5 m i n ；自动数据采集；评价软件能 够消除和减少主观因素；简单、易懂的超声图像表达检测数据；检测横方向和纵向焊缝缺 陷：检测数据与手工检测和检测标准相符合；良好的现场适应性、可移动性、可靠性；在 成本费用上与射线或( 和) 手工超声检测的竞争性等。由于采用水浸探头，m i p a 不但消除 了与被检管道相关的难题，而且特殊设计的m i p a 探头夹持器有效地减小了管道表面状 4 第一章绪论 态对入射角的影响，也增强了检测薄壁管道时的i 丘区”限制。这种探头夹持器在德国、 欧洲和美国等地方拥有专利。最新一代的探头夹持器是一种可以小角度范围调整的单探 头座，现场使用时，可以针对被检管道的变化进行补偿或者通过调整获得最大回波信号。 m i p a 的传动系统是两半环式设计，探头夹持器由安装在一个悬挂于管道上的环形齿轮 传动装置驱动。环轨由对称分布的四个调整螺钉定心，水平位置偏转的调节通过用一个 简单的模板检查和调整与焊缝中心线之间距离实现。检测时大约1 分钟就可以安装、调 整好。1 9 9 4 年m i p a 系统被采用检测7 5 公里的手工焊缝，这个工程后来被认为是欧洲 管道检测的里程碑，每一个焊缝进行了3 0 0 的检测，即先后用射线、手工超声和m i p a 系统检测，对比的结果证明m i p a 系统也是一种检测手工焊缝的可靠方法。 加拿大是现今世界上实际使用自动超声检测控制管道焊缝建设质量较成熟的国家。 加拿大2 0 世纪8 0 年代就在管道工程建设中广泛使用超声无损检测方法，并且已经把自 动超声检测作为射线检测替代方法使用。1 9 9 3 年，t r a n s c a n a d a p i p e l i n e sl t d ( t c p l ) 加拿大最大的管道公司把自动超声检测作为主要的无损检测方法用于管道建设中的自动 焊缝检测。利用t o f d ( t i m e o f f l i g h t d i f f r a c t i o n ) 技术，系统的检测精度可以达到0 1m m - 0 2 m m 。同年，t c p l 针对管道对接焊缝的检测制订了相关的企业标准。在t c p l 的推 动下，超声检测系统的可靠性、检测速度和系统的评价能力得到了很大提高。1 9 9 7 年， 改进的t c p l 检测系统用于大口径管道( 4 2 ”) 手工对接焊缝的检测。 1 2 1 3 国内长输管道无损检测技术的现状及发展趋势 ( 1 ) 无损检测技术的应用现状 2 0 0 0 年以前，国内的长输油气管道一般口径都不是太大，压力也不是太高，最高压力 6 4 m p a 。同时由于管道检测手段的限制，射线成本较高等因素，管道的无损检测一般是以 超声波探伤为主，射线探伤为辅。射线探伤只是在重要地段进行1 0 0 探伤，一般地段视具 体情况进行抽检。2 0 0 0 年以后，随着一批大口径、高压力管道的陆续上马，同时射线爬行器 探伤方法的研制成功，部为国内管道向以射线探伤为主和超声波探伤为辅的检测方法转 变提供了可能。输气管线相比输油管线，更加危险，破坏性更大，输气管线的射线抽检比例 一般大于输油管线。现在的输油气管道一般都在向大口径、高压力方面发展，特别是输气 管线，现在国内压力最高为i o m p a , 已建成的西气东输和陕京二线工程的设计压力均为1 0 m p a ，在建的广东l n g 输气管线，兰一郑一长成品油管道和中缅原油管道等大能源干线， 设计压力也都将在i o m p a 左右。为确保这些高压力输油气管道的安全，借鉴国外在这方面 的先进做法和经验。同时射线探伤的成本降低也是一个重要因素，近几年的大型输油气管 道基本都采用了1 0 0 射线探伤，在一些重要地段，根据工程情况还辅以超声波探伤检验。 表1 3 为近几年国内有代表性的管道在无损探伤方面的情况。 西安石油大学硕士学位论文 表1 3 国内新建主要管线的焊接检查要求 管径设计压管道长 工程名称焊缝探伤方式 m i l l 力m p a度k i n 涩北西宁 兰州输气管6 6 06 2 79 4 01 0 0 射线探伤 线 1 0 0 射线探伤，对以下地段还应进行1 0 0 的超声波探 伤： 兰州成都 ( 1 ) 穿跨越大中型河流、铁路、二级以上公路、活动断层 重庆成品油 5 0 8l o1 2 0 0 以及9 级以上地震区： 管道 ( 2 ) 成县分输站前1 4 k i n 的高压段； ( 3 ) 管道碰死口或与阀门，三通连接处的环向焊缝； ( 4 ) 人口密集区。如康县县城等。 忠县武汉 输气管道工 5 0 81 01 2 0 0 1 0 0 射线探伤 程 1 0 0 射线探伤( 非自动焊地段) 、1 0 0 自动超声波探伤。 西气东输工 对于以下地段进行双百探伤： l o l 61 03 8 0 0 ( 1 ) 每个焊接机组前3 5 k m 焊接段； 程 ( 2 ) 大中型河流、冲沟穿跨越、隧道穿越、二级及以上公 路穿越、铁路穿越、断裂带穿越段。 ( 2 ) 国内管道无损检测的发展趋势 1 9 世纪8 0 年代，第一代机械化超声波检测系统开发出来，主要应用在加拿大市场，这种 系统是为特殊坡口的机械化焊接开发的。1 9 9 2 年，机械化超声波探测系统发展势头强劲， 聚焦探头的引入提高了检测的准确性。尤其是1 9 9 3 年r d t r o t o s c a n 系统引入映像设备和 t o f d 技术以后，超声波检测在管道焊缝检测中才有了突破性的进展。该技术使用的检测 方法是脉冲反射法和射程衍射时间法( t o f d ) 相结合。脉冲发射技术确保高的检出概率， 而t o f d 技术可精确地确定临界尺寸的大小。自动超声波探伤技术相比射线探伤优点在 于： a 、检测速度快，每道口扫描只需几分钟，最快每天能达到1 0 0 道焊口； b 、自动超声波技术可以测出裂纹穿透管壁的径向尺寸，而射线探伤只能测出缺陷长 度： c ，自动化焊接工艺一般要求特殊坡口设计，具有斜交面特征，射线探伤很难检查出取 向错误区的未熔合缺陷； 6 第一章绪论 d 、自动化超声波技术能够快速检测并得到结果，并有利于缺陷分析和临界缺陷尺寸 的判定评估。近十年在北美地区，自动超声波探伤技术在管道工程中得到了广泛的应用， 是一种比较成熟的技术，如穿越加拿大管线工程和a l l i a n c e 自动焊接环焊缝都采用了这种 探伤技术。国内西气东输工程的自动焊地段也采用全自动超声波探伤技术，效果良好。随 着国内大口径、高压力管道的陆续上马以及全自动焊技术在这些管道上的普及应用，全自 动超声波探伤技术必将是未来的发展趋势。 在大口径长输管线建设中，钢管对接环焊缝检测是一道必不可少的重要工序。目前 国内普遍都使用x 射线胶片照相等方法。众所周知，x 射线胶片照相法由于具有影象直 观、有档可查、等优点，一直被认为是一种最可靠的检测方法。但是，这种方法的缺陷 也是非常地明显，如：胶片和药液消耗大、工序复杂、检测周期长等。为了克服这些缺 陷，保证施工质量和提高工程施工进度，国际上普遍应用相控阵超声波检测设备。它是 集相控阵扫描发射与接收、数学模型、阵列快速运算、数字滤波、图象建立、爬行器控 制等功能于一体的高新技术产品。 目前，自动焊和手工焊均被用于管线施工中的环焊缝接。有争议的射线技术虽然曾 一度在检测中处于支配地位，但现在正在迅速被超声波技术所取代。在欧洲，g a s u n i e ( n e t h e r l a n d s ) 大约于1 9 9 0 年开始在1 0 0 超声和射线检测的管线上进行试验，到了1 9 9 3 年末，他们就已经降低了射线的比例而对主体管线进行1 0 0 全自动超声波检测。现在， g a s u n i e 在除了几何条件不允许的位置外，对所有焊缝均采用超声波检测，并且允许在根 部和盖帽区域使用t o f d 以及附加的脉冲反射进行检测。在德国，r u h r g a s 在于工焊缝上 用手工超声波检测，在自动焊缝上用用自动超声波检测。w i n t e r s h a l l 在它的项目中进行 射线检测的仅占3 0 而剩下的7 0 用超声波检测，在必要时还可以全部用超卢波检测。 1 9 9 4 年s t a t o i l 和m c d e r m o t t 在工程开始时均使用1 0 0 射线和1 0 0 全自动超声波检测， 但两家公司都不约而同地逐渐削减射线而保持了1 0 0 全自动超声波检测。 超声无损检测技术在焊缝检测中的应用增多是由超声检测诸多优点及超声自动检 测相关技术日益成熟决定的。超声检测适合于整体缺陷的检测，同时对裂纹的检出灵敏 度比射线检测高的多。对于焊缝中的危险缺陷，如裂纹、未焊透( 尤其是微裂纹和轻微 未焊透) ，用超声波探伤比其他几种常规无损检测方法更容易，而且超声波仪器简单、 检查速度快，因此近年来为各国所广泛采用。 1 2 2 大口径、大壁厚管道对接环焊缝检测目前所存在的主要问题 对管道焊缝，国内目前还是以射线照相检验为主。但对大口径，大壁厚的对接焊缝， 国内目前也趋向采用超声检测，这在西气东输管道工程中得到充分体现 1 2 j 。 国内目前已引进一些国外焊缝检测新技术，由于这些技术本身固有的一些缺点及局 限性，都迫切需要改进这些技术，寻找适合于大口径、大壁厚油气输气管线焊缝缺陷检 测的专用技术。 目前我国采用的无损检测方法和技术尚存在以下不足之处： 7 西安石油大学硕士学位论文 ( 1 ) 对大壁厚连头环焊缝而言，x 射线检测已接近现有设备能力的上限，裂纹漏检 率高； ( 2 ) 超声检测人员对环焊缝缺陷反射波有效识别不准确； ( 3 ) 对大口径、大壁厚焊缝的裂纹、错边、未熔合等缺陷回波反射规律不甚了解； ( 4 ) 有效的超声检测仪器设备配置欠完备； ( 5 ) 专用的超声检测评定方法技术和判废标准不完善； 因此，必须进行对接环焊缝危害性缺陷的检测技术工艺评定方法研究，优选有效的 无损检测仪器和装置，提高大口径、大壁厚油气输气管线焊缝检测的可靠性。 1 3 本论文的主要研究内容 ( 1 ) 大口径、大壁厚、连头对接环焊缝焊接缺陷类型研究 大口径、大壁厚管线焊接的地理环境和气候环境复杂，部分管段对接环焊缝特别是 连头对接环焊缝质量不易保证，焊缝常出现焊接裂纹、延迟裂纹、未焊透、未熔合、错 边等类型缺陷。为确定不同的检测评定方法，首先对焊缝焊接缺陷类型进行分析研究。 ( 2 ) 大口径大壁厚对接环焊缝缺陷专用超声检测方法技术研究 对专用超声检测原理、专用超声检测试块、专用检测探头、检测记录系统、及探伤 仪调节和扫查技术等内容进行研究。 ( 3 ) 超声定性与定量评定技术研究 对超声评定方法原理、对接环焊缝内外表面裂纹的判定、体积型缺陷显示的判定、 单面焊根部开口缺陷的判定、累计缺陷长度的判定等内容进行研究。 ( 4 ) 超声射线检测方法和判废标准的研究 分析研究国内外对接环焊缝无损检测验收标准和检验装置的优点和局限性，研究适 用于现场推广使用的检测方法技术和检测判废评定标准。 ( 5 ) 超声专用检测装置研究 研究适合于现场检测评定用的专用超声检测评定装置。 8 第二章大口径、大擘厚对接环焊缝的焊接缺陷研究 第二章大口径、大壁厚对接环焊缝的焊接缺陷研究 2 1 前言 焊接是一个特殊的物理冶金过程，影响焊接构件质量的因素很多，如焊接工艺与设 备的偏差、残余应力和冶金因素的影响以及接头组织与性能的不均匀等都可能在焊接构 件中产生不同程度，不同类型的缺陷，对其使用性能以至寿命产生不利的影响。 2 2 环焊缝焊接缺陷形态分析 焊接结构在焊制过程中因焊接工艺与设备条件的偏差、残余应力状态和冶金因素变 化的影响以及结构材料与尺寸的差异等，往往会在焊缝中产生不同程度与数量的气孔、 夹渣、未熔合与未焊透以及裂纹等缺陷。缺陷产生的机率与焊接的方法、熔池大小、工 件形状和施工场地等有关。 大口径大壁厚管线焊接的地理环境和气候环境比较复杂，工艺过程难控制，部分管 段对接环焊缝特别是连头对接环焊缝质量很难保证，为有效检测不同焊接条件下的焊接 缺陷，须对焊接中出现的缺陷进行分析研究，确定不同的检测评定方法。 常见焊接缺陷有气孔、夹渣、裂纹、未熔合和未焊透等【1 0 】，按其形状不同可分为平 面型缺陷和体积型缺陷，其中裂纹、未熔合和未焊透属于平面型缺陷；气7 l 和夹渣属于 体积型缺陷。图2 1 是一些常见的焊接缺陷。缺陷的类型是判断缺陷对构件危害程度的 重要因素。 图2 - 1 常见的焊接缺陷 9 两安石油大学硕士学位论文 ( 1 ) 未熔合是由于电弧未能直接在母材上燃烧，焊丝熔化的铁水只是堆积在上一层 焊道或坡口表面上而形成的。是种几乎没有厚度的面状缺陷，其直接危害是减少截面， 增大应力，对承受疲劳，冲击、应力腐蚀或低温下工作都非常不利。主要形式有层间未 熔合和单侧点状未熔合，并出现在平、立焊位置，长度不一。未熔合和未焊透等缺陷的 端部和缺口是应力集中的地方，在交变载荷作用下很可能生成裂纹。如图2 2 。 埠缝 j 母材鲞戢接缺骗吩表藤榭联 翱犯蛘遁之删豹冷搭接挥缝母辩之鲥的狰崭接 图2 2 未熔合缺陷示意图 ( 2 ) 气孔是焊接现场出现的主要焊接缺陷之一，是焊缝金属凝固过程中由于侵入气 体而形成的气囊或空穴，造成结构的不连续性。气孔、夹渣等体积性缺陷的危害性主要 表现为降低焊接接头的承载能力。如果气孔穿透焊缝表面，介质积存在孔穴内，当介质 有腐蚀性时，将形成集中腐蚀。孔穴逐渐变深、变大，以至腐蚀穿孔而泄漏。夹渣边缘 如果有尖锐形状，还会在该处形成应力集中。 ( 3 ) 焊缝余高超标是指焊缝表面上的金属超过了规定的需要量。余高超标不仅造 成经济上的浪费、外形不美观，而且还是一个应力增值源。主要影响焊缝的疲劳寿命， 随着余高高度的增加，焊缝的疲劳强度会急剧下降。 ( 4 ) 咬边属焊缝成形缺陷之一，是由母材金属损耗引起的、沿焊缝焊趾产生的沟槽 或凹缝，是电弧冲刷或熔化了近缝区母材金属后，又未能填充的结果。咬边严重影响焊 接接头质量及外观成型，使得该焊缝处的截面减小，容易形成尖角，造成应力集中，该 处断裂的可能性最大。咬边是一种危险性较大的外观缺陷。它不但减少焊缝的承压面积， 而且在咬边根部往往形成较尖锐的缺口，造成应力集中，很容易形成应力腐蚀裂纹和应 力集中裂纹。因此，对咬边有严格的限制。 ( 5 ) 未焊透是指焊接时接头根部未完全焊透的现象。可能产生在单面或双面焊的跟 部、坡口表面、多层焊焊道之间或重新引弧处。它相当于一条裂纹，当构件受到外力作 用时刻能扩展成更大的裂纹，使构件破坏。产生未焊透的原因是：焊接电流小、焊接速 度大、破口角度和间隙小、操作不当、焊接接头表面有油污、漆、铁锈等。见图2 3 。 第一章大口径、大擘厚对接环焊缝的焊接缺陷研究 l 蝴粼群边榭 ( a ) 错边引起的未焊透 l 戡雄蝴满 ( b ) 非错边引起的未焊透 ( c ) 双面焊根部未焊透 图2 - 3 未焊透缺陷示意图 ( 6 ) 裂纹在焊缝和热影响区都会出现，分为宏观裂纹和显微裂纹，危害非常大。其 原因是焊接过程中产生了较大的内应力，同时焊缝中含有低熔点杂质，如f e s 、f e p ，当 外界应力较大时就会从结合力较弱的这些低熔点杂质处裂开，形成裂纹；或者由于过热 区和熔合区的塑性和韧性很低、焊缝金属中含有较多的氢，当结构应力较大时，容易产 生冷裂纹。裂纹是最尖锐的一种缺口，它的缺口根部曲率半径接近于零，尖锐根部有明 显的应力集中，当应力水平超过尖锐根部的强度极限时，裂纹就会扩展，以至贯穿整个 截面而造成结构失效。特别是当焊接接头处于脆性状态时，裂纹的扩展速度极快，造成 脆性破裂事故。裂纹还会加剧疲劳破坏和应力腐蚀破坏。 ( 7 ) 条状夹渣是指存在于焊缝内部的长宽比较大的夹渣，条状夹渣的危害性比点状 夹渣严重得多。造成原因很多，主要有焊件表面焊接前清理不良( 如油、锈等) 、焊层问 清理不彻底( 如残留熔渣) 、焊接电流太小或熔化金属凝固太快及焊速太快使熔渣没有充 足的时间上浮、操作不当、焊条药皮受潮及焊接材料选择不合适等。 2 3 厚壁对接焊缝焊接工艺特点及缺陷危害状况调查 在大多数焊接缺陷上，手工焊和自动焊没有太大的差异。自动焊中最主要的缺陷是 侧壁未熔合。在手工焊中也可能出现未熔合，但体积型缺陷更常见，如夹渣、空心焊道 和气孔等。 通过调查研究，我们对国内外目前大口径、大壁厚、连头对接环焊缝采用的焊接工 艺进行了初步的调查，对各种焊接工艺的特点进行了对比( 见表2 一1 ) 。 表2 - 1 各种焊接工艺对比 焊接工艺药芯焊丝自 对比项i 、 焊条电弧焊气体保护焊管口感应焊闪光对焊 保护自动焊 效率低较高较高高高 环境适应能力不好不好好好好 综合成本较高较低低低高 接头一次合格率 7 0 8 0 9 9 高高9 9 西安石油大学硕士学位论文 通过资料调研，我们对不同焊接缺陷工艺容易产生的缺陷类型( 见表2 2 ) 、产生因 素及其危害性进行了分类汇总，并对各种工艺的各种类型缺陷的产生因素有了初步的分 析。 表2 2 各种焊接工艺易产生缺陷分析 、焊接工艺 焊条电弧焊气体保护焊管口感应焊闪光对焊 药芯焊丝自 缺陷、保护自动焊 咬边 气孔 未焊透 1 ， 夹渣 、， 裂纹 、， 、， 焊瘤 烧穿 、f 飞溅 v 错边 疏松 通过资料调研，我们对各种焊接工艺容易产生的1 9 种缺陷的危害性进行了详细的分 类评价，各种类型缺陷的具体危害性评价结果见下表2 3 。 表2 - 3 各种缺陷的危害性评价 序号缺陷类型危害性评价 l焊缝- p 心纵向裂纹对焊缝及结构件有极强的破坏性 2横向裂纹对焊缝有极强的破坏性 3弧坑裂纹易扩展导致结构破坏 4根部未焊透接头强度减弱，根部易成为裂纹 5坡口边缘局部未焊透降低接头强度 6焊层间未融合焊缝有效截面积减少，强度降低 7外表面咬边表面易应力集中造成裂纹 8根部咬边 根部易应力集中成为裂纹 9根部单边未焊透未焊透处应力集中易成为裂纹源 1 0内凹 焊缝胄效截面积减少 1 1 接头处夹渣减少接头处焊缝有效截面积，易生弧坑裂纹 1 2 条形气孔减少焊缝有效截面，易成为泄露点 1 3烧穿减少焊缝有效截面 1 4 密集气孔一般在引熄弧处降低焊缝强度 1 5单独气孔焊缝强度肯所降低 1 6根部透度过大在管道中减少通流截面，影响流速，根部应力也过大 1 7余高过高 表面应力较大，浪赞材料 1 8 夹钨焊缝强度有所降低 1 9 条形夹渣降低焊缝有效截面 第二章大口径、大壁厚对接环焊缝的焊接缺陷研究 2 4 对接环焊缝缺陷位置概率统计 对一般输送管，环焊缝和纵焊缝是较为典型的焊接形式。焊缝方向不同，采用的焊 接工艺可能不一致，受力方向不一样，焊缝中缺陷尺寸、数目及危害程度也不一样。试 验研究表明，在既有环焊缝又有纵焊缝的高压管道，无损检测发现的缺陷几乎多数位于 环向手工焊缝中，不到半数的缺陷是沿轴向的，而且所有缺陷都是表面或近表面破裂， 因此对于管道或圆筒容器，应着重考虑手工焊环焊缝上的缺陷参数不确定性。 利用高精度的无损检测方法可知晓缺陷类型、大小及数目，但要全部考虑裂纹可能 出现的形状、位置和方向是十分困难的，通常将裂纹假定成全部是相同形式的模型( 如假 定它们全部是垂直于所在位置的主应力方向的表面裂纹) ，或最多将其分成两种或三种形 式。因此，对于中薄板焊缝可简化为表面裂纹，取其深度方向尺寸作随机变量进行统计 分析。对于厚板，由于表面和内部缺陷可能同时存在，则分别简化为表面裂纹和埋藏裂 纹，对表面裂纹取其深度尺寸作随机变量，进行统计分析；对埋藏裂纹，取缺陷深度尺 寸或长径比及裂纹中心线到壁厚表面距离作随机变量进行统计分析。 2 5 缺陷类型识别和性质估判0 3 1 7 l 2 5 1 缺陷类型识别 2 5 1 1 缺陷类型识别的一般方法 宜采用一种或一种以上声束方向做多种扫查，包括前后、左右、转动和环绕扫查等， 通过对各种超声信息综合评定，来进行缺陷类型识别。 2 5 1 2 点状缺陷 ( 1 ) 概述 点状缺陷是指气孔和小夹渣等小缺陷，大多属体积性缺陷。 ( 2 ) 点状缺陷回波特征 回波幅度较小，探头左右、前后扫查时，均显示动态波形i ，转动扫查时情况相同。 对缺陷作环绕