在建設(shè)長(zhǎng)距離油氣輸送管道時(shí),不同的地區(qū)等級(jí)或穿跨越地段會(huì)采用不同的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù),且不同管段選用不同壁厚規(guī)格的鋼管,考慮到熱煨彎管制造過(guò)程中的壁厚減薄,熱煨彎管的設(shè)計(jì)壁厚一般要大于直管段壁厚。由于管道沿線鋼管和管件壁厚的變化,在管道現(xiàn)場(chǎng)焊接過(guò)程中,不等壁厚鋼管的焊接較為常見(jiàn),在復(fù)雜山區(qū)尤為突出[1]。 

不等壁厚焊接普遍采用倒角式內(nèi)坡口,研究發(fā)現(xiàn),倒角式內(nèi)坡口是造成環(huán)焊縫失效的一個(gè)重要因素,主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：變壁厚處焊接結(jié)構(gòu)不連續(xù),存在較大的應(yīng)力集中；不等壁厚焊接時(shí),根焊縫質(zhì)量不易控制,容易出現(xiàn)焊接缺陷；外形尺寸不規(guī)則,無(wú)損檢測(cè)時(shí)容易出現(xiàn)缺陷漏檢情況[2-3]。 

國(guó)內(nèi)開(kāi)展了一系列針對(duì)孔錐形內(nèi)坡口改進(jìn)的研究工作。無(wú)損檢測(cè)作為長(zhǎng)距離油氣輸送管道施工的一個(gè)關(guān)鍵工序,對(duì)于保證焊接質(zhì)量以及后續(xù)的安全運(yùn)營(yíng)有著至關(guān)重要的作用。其中,相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）方法已基本取代常規(guī)超聲檢測(cè),廣泛應(yīng)用于油氣管道組合自動(dòng)焊、半自動(dòng)焊和返修焊接的檢測(cè)中。文章圍繞油氣管道常用的PAUT檢測(cè),針對(duì)孔錐形內(nèi)坡口引起的檢測(cè)質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了理論（仿真）分析和對(duì)比試驗(yàn),提出了不同壁厚組合適宜的最小錐孔長(zhǎng)度,為工程應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。 

1.   焊縫內(nèi)坡口形式變化

陸上油氣管道建設(shè)采用的鋼管均為等外徑設(shè)計(jì),不等壁厚鋼管焊接需要在內(nèi)徑位置進(jìn)行坡口處理,目前國(guó)內(nèi)外不等壁厚環(huán)焊縫處一般采用倒角式內(nèi)坡口,即將厚壁管機(jī)械加工成斜坡口,使其壁厚等于薄壁管,如圖1所示。 

圖  1  倒角式內(nèi)坡口結(jié)構(gòu)示意

針對(duì)不等壁厚環(huán)焊縫的倒角式內(nèi)坡口存在的問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了孔錐形內(nèi)坡口的改進(jìn)研究,將壁厚過(guò)渡從環(huán)焊縫區(qū)域移開(kāi),在不等壁厚處實(shí)現(xiàn)等壁厚焊接,如圖2所示。該坡口可以使不等壁厚環(huán)焊縫實(shí)現(xiàn)等壁厚焊接,減少了不等壁厚環(huán)焊縫處的形狀突變,有助于改善變壁厚環(huán)焊縫處的應(yīng)力集中現(xiàn)象,且可以有效減少根部未融合、未焊透等缺陷,有利于提高焊接質(zhì)量和效率、保證焊縫缺陷檢測(cè)的質(zhì)量和可靠性,具有顯著的工程應(yīng)用價(jià)值[4-5]。 

圖  2  孔錐形內(nèi)坡口結(jié)構(gòu)示意

由圖1,2可知,兩種坡口形式中都存在倒角。對(duì)于相控陣超聲檢測(cè)來(lái)說(shuō),這會(huì)改變正常的聲束傳播路徑,嚴(yán)重影響環(huán)焊縫的檢測(cè)結(jié)果,導(dǎo)致檢測(cè)區(qū)域的缺陷漏檢、缺陷評(píng)判錯(cuò)誤、缺陷位置偏差等。因此,孔錐形內(nèi)坡口需要對(duì)最小錐孔長(zhǎng)度進(jìn)行限制,不同的壁厚組合要求的最小錐孔長(zhǎng)度也有差異,以避免超聲波傳播路徑經(jīng)過(guò)倒角,從而實(shí)現(xiàn)等壁厚檢測(cè)。 

2.   倒角對(duì)相控陣超聲檢測(cè)的影響分析

目前常用的相控陣設(shè)備沒(méi)有復(fù)雜工件坡口建模功能,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)只能按照等壁厚對(duì)接進(jìn)行設(shè)置、掃查和分析,得到的掃查結(jié)果與實(shí)際焊接情況不符,給缺陷分析及評(píng)價(jià)帶來(lái)困難,容易導(dǎo)致缺陷的漏檢或誤判,不利于保證管道的焊接質(zhì)量。 

2.1   倒角式內(nèi)坡口的檢測(cè)區(qū)域波束覆蓋分析

利用BEAMTOOL軟件進(jìn)行波束仿真分析。針對(duì)21.4 mm與25.7 mm的壁厚組合、V形倒角式內(nèi)坡口進(jìn)行建模仿真,采用ZETEC LM-5 MHz探頭、LM-55SW型楔塊進(jìn)行仿真分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)探頭置于厚壁側(cè)時(shí),無(wú)論如何調(diào)整檢測(cè)方案,波束覆蓋范圍明顯不足,在探頭側(cè)的焊縫外表面或探頭另一側(cè)的焊縫中心部分區(qū)域總會(huì)出現(xiàn)漏檢區(qū)。漏檢區(qū)是超聲聲束在倒角斜邊上反射造成的,無(wú)法通過(guò)調(diào)整檢測(cè)方案消除。 

2.2   倒角對(duì)波束傳播路徑的影響分析

管道環(huán)焊縫PAUT檢測(cè)采用二次波通過(guò)底面反射實(shí)現(xiàn)對(duì)上部檢測(cè)區(qū)域的檢測(cè)。倒角的存在導(dǎo)致超聲聲束的發(fā)射、接收路徑與等壁厚檢測(cè)時(shí)的有明顯差異,而PAUT設(shè)備不具備智能分析功能,只能根據(jù)聲束角度和聲程顯示反射信號(hào)的位置,從而導(dǎo)致缺陷顯示位置與實(shí)際位置不符。 

針對(duì)21.4 mm與25.7 mm的壁厚組合、V形（坡口角度為23°）的倒角式內(nèi)坡口（倒角為12°）進(jìn)行建模仿真,依據(jù)21.4 mm壁厚開(kāi)展檢測(cè)方案設(shè)置,采用ZETEC LM-5 MHz型探頭和LM-55SW型楔塊,激發(fā)晶片數(shù)為16,起始晶片號(hào)為30,波束角度為35°~70°,仿真結(jié)果如圖3所示。 

圖  3  21.4 mm與25.7 mm的壁厚組合倒角式內(nèi)坡口PAUT整體波束仿真圖

選擇檢測(cè)填充區(qū)域的一個(gè)聲束進(jìn)行分析,如發(fā)射聲束52°,其波束經(jīng)過(guò)錐形孔斜邊反射后,二次波與豎直線的實(shí)際夾角為28°,這樣能夠檢測(cè)出距上表面8.7 mm的坡口面未熔合（聲束中心通過(guò)深度為8.7 mm、距焊縫中心5.17 mm的坡口面）,實(shí)際超聲波傳播路徑如圖4所示。 

圖  4  52°聲束通過(guò)坡口面某一點(diǎn)的實(shí)際傳播路徑

根據(jù)上述波束傳播路徑,可以分析得出：波束經(jīng)過(guò)倒角θ后,波束角度發(fā)生變化,由原來(lái)的入射角α轉(zhuǎn)變?yōu)榉瓷浣?/span>β,且β=α-2θ。 

由于設(shè)備沒(méi)有復(fù)雜工件的建模功能,其波束傳播路徑不會(huì)像圖4那樣進(jìn)行轉(zhuǎn)變角度計(jì)算,二次波仍然按照設(shè)置的52°傳播參數(shù)計(jì)算并顯示,這樣就導(dǎo)致掃查結(jié)果中,設(shè)備還是以薄壁、原入射角顯示,從而使得缺陷顯示的角度較實(shí)際所處的角度大。 

在圖4厚壁側(cè)繪制21.4 mm薄壁底板,其與一次波相交于A點(diǎn),一次波在錐形孔斜邊B點(diǎn)發(fā)生反射,角度改變后繼續(xù)傳播,在C點(diǎn)與坡口面相交,如圖5所示,該路徑為實(shí)際聲束的傳播路徑。測(cè)量AB段長(zhǎng)度為5.22 mm,BC段長(zhǎng)度為18.06 mm,兩段合計(jì)23.28 mm。 

圖  5  52°聲束通過(guò)坡口面某一點(diǎn)的實(shí)際傳播路徑

52°聲束通過(guò)坡口面某一點(diǎn)缺陷的顯示如圖6所示。二次波傳播23.28 mm后,原C點(diǎn)缺陷顯示在水平方向位于焊縫中心附近處（52°聲束,向大角度方向偏離）,深度基本不變,沿高度方向略微向上表面靠近,從8.70 mm變化為7.07 mm。 

圖  6  52°聲束通過(guò)坡口面某一點(diǎn)缺陷的顯示圖

通過(guò)以上分析可以看出,在非漏檢區(qū)域可以檢測(cè)出缺陷,但顯示的缺陷位置與實(shí)際位置存在差異,深度偏差基本可以忽略。 

2.3   孔錐形內(nèi)坡口錐孔長(zhǎng)度的影響分析

孔錐形內(nèi)坡口的錐孔長(zhǎng)度為0 mm時(shí),其檢測(cè)結(jié)果與倒角式內(nèi)坡口相似。隨著錐孔長(zhǎng)度的增加,中、小角度聲束經(jīng)過(guò)壁厚過(guò)渡角和厚壁底面的長(zhǎng)度越來(lái)越?。划?dāng)錐孔長(zhǎng)度達(dá)到一定程度后,聲束全部在與薄壁厚度一致的底面反射,此時(shí)已實(shí)現(xiàn)等壁厚檢測(cè)。只要超聲聲束經(jīng)過(guò)壁厚過(guò)渡角產(chǎn)生反射,其路徑傳播過(guò)程和缺陷顯示結(jié)果就與倒角式內(nèi)坡口的分析一致。 不同錐孔長(zhǎng)度的聲束仿真結(jié)果如圖7所示。 

圖  7  不同錐孔長(zhǎng)度的波束覆蓋仿真結(jié)果

由圖7可知,錐孔長(zhǎng)度為0 mm時(shí),聲束在倒角和厚壁底板反射,存在檢測(cè)區(qū)域漏檢；錐孔長(zhǎng)度為5 mm時(shí),聲束在薄壁底板、倒角和厚壁底板反射,存在檢測(cè)區(qū)域漏檢；錐孔長(zhǎng)度為10 mm時(shí),聲束在薄壁底板、倒角和厚壁底板反射,存在檢測(cè)區(qū)域漏檢；錐孔長(zhǎng)度為20 mm時(shí),波束在薄壁底板和倒角反射,存在檢測(cè)區(qū)域漏檢；錐孔長(zhǎng)度為25 mm時(shí),聲束在薄壁底板和倒角反射,存在檢測(cè)區(qū)域漏檢；錐孔長(zhǎng)度為35 mm時(shí),聲束在薄壁底板和部分倒角反射,檢測(cè)區(qū)域聲束覆蓋正常,能夠正確顯示出檢測(cè)區(qū)域缺陷。 

波束在倒角發(fā)生反射時(shí),由薄壁過(guò)渡到倒角,引起二次波束角度突變,從而產(chǎn)生局部檢測(cè)區(qū)域的漏檢,且漏檢一直存在,只是錐形孔長(zhǎng)度較小時(shí),漏檢現(xiàn)象不明顯；隨著錐形孔長(zhǎng)度增加,漏檢現(xiàn)象開(kāi)始明顯,直至檢測(cè)區(qū)域的波束不再利用倒角反射（此長(zhǎng)度即是最小錐孔長(zhǎng)度）。因此,相控陣檢測(cè)應(yīng)避免利用倒角反射,不同壁厚組合需要確定合理的最小錐孔長(zhǎng)度。 

3.   不等壁厚焊縫檢測(cè)模擬和檢測(cè)試驗(yàn)

3.1   測(cè)試試塊設(shè)計(jì)加工

針對(duì)21.4 mm與25.7 mm的不等壁厚焊口,加工測(cè)試試塊4個(gè),錐形孔長(zhǎng)度分別為0,20,25,35 mm,其中,每個(gè)試塊上設(shè)計(jì)加工的反射體類型和分布如圖8所示。 

圖  8  測(cè)試試塊結(jié)構(gòu)及其反射體分布示意

設(shè)計(jì)說(shuō)明：① 反射體總計(jì)13個(gè),每個(gè)反射體之間的距離為30 mm,按照序號(hào)順序加工布置反射體；② 1#,5#,7#,11#為矩形槽,尺寸（長(zhǎng)×寬×高,下同）為10 mm×1 mm×1 mm；③ 2#,3#,4#,8#,9#,10#均為?2 mm的平底孔,其中,2#,10#從上表面開(kāi)始,3#,9#的中心距上表面1/3t2, 4#,8#從鈍邊以上沿坡口面向上；④ 6#為內(nèi)表面根部矩形槽,尺寸為10 mm×1 mm×1 mm；⑤ 12#為外表面中心開(kāi)口槽,尺寸為10 mm×1 mm×1 mm；⑥ 13#為?2 mm的長(zhǎng)通孔（長(zhǎng)度為40 mm）,距上表面1/2t2。 

3.2   試驗(yàn)測(cè)試掃查方案

試驗(yàn)驗(yàn)證采用Zircon型相控陣設(shè)備,根據(jù)21.4 mm壁厚焊縫波束仿真的結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)方案設(shè)置和校準(zhǔn),具體設(shè)備裝置和掃查參數(shù)如表1所示。不等壁厚試塊PAUT實(shí)際檢測(cè)時(shí)采用手推掃查架,如圖9所示。 

圖  9  測(cè)試試塊實(shí)物與PAUT掃查示意

3.3   仿真模擬和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

仿真模擬和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析如表2所示,其中左側(cè)對(duì)應(yīng)為薄壁,右側(cè)對(duì)應(yīng)為厚壁。 

Table  2.  21.4 mm與25.7 mm不等壁厚焊縫的仿真模擬和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

序號(hào)	錐孔長(zhǎng)度/mm	模擬仿真圖	掃查結(jié)果圖	對(duì)比分析結(jié)論
1	0			薄壁側(cè)探頭檢測(cè)出厚壁側(cè)的上表面刻槽（HAZ區(qū)）,但是厚壁側(cè)探頭對(duì)該HAZ刻槽漏檢。實(shí)際試驗(yàn)與模擬仿真結(jié)果一致
2	20			模擬顯示靠近上表面的填充區(qū)域及表面漏檢；HAZ槽在波束覆蓋范圍內(nèi),但是壁厚過(guò)渡角導(dǎo)致二次波反射角度發(fā)生變化,缺陷顯示的位置與實(shí)際出現(xiàn)偏差。實(shí)際試驗(yàn)顯示了HAZ槽缺陷,但是刻槽顯示位置向大角度偏移,深度位置基本一致。與前述理論分析、模擬仿真結(jié)果一致
3	25			模擬顯示上表面（含HAZ槽）漏檢。實(shí)際試驗(yàn)顯示HAZ槽缺陷漏檢（信號(hào)幅值較低）,與模擬仿真結(jié)果一致
4	35			模擬仿真和實(shí)際試驗(yàn)都顯示檢測(cè)正常,兩者結(jié)果一致

通過(guò)0,20,25,35 mm 4個(gè)測(cè)試試塊的模擬仿真和試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果分析,可知：① 兩者的結(jié)果一致,說(shuō)明可以利用有效的模擬仿真代替實(shí)際的試驗(yàn)驗(yàn)證,減少由實(shí)際測(cè)試引起的成本；② 建議21.4 mm與25.7 mm壁厚、孔錐形內(nèi)坡口+V形坡口的環(huán)焊縫,錐形孔最小長(zhǎng)度不低于35 mm。 

4.   結(jié)語(yǔ)

（1）倒角式內(nèi)坡口環(huán)焊縫相控陣檢測(cè)不可避免地存在局部檢測(cè)區(qū)域漏檢。同時(shí),超聲聲束在倒角發(fā)生反射時(shí),即使能夠檢測(cè)出缺陷,但顯示的缺陷位置與實(shí)際位置存在差異：缺陷顯示在偏大的角度波束方向上,缺陷的實(shí)際位置所處的二次波角度應(yīng)為顯示的一次波入射角減去2倍倒角；缺陷顯示的深度偏差基本可以忽略。 

（2）孔錐形內(nèi)坡口對(duì)最小錐孔長(zhǎng)度進(jìn)行限制后,能夠?qū)⒈诤襁^(guò)渡從環(huán)焊縫區(qū)域移開(kāi),在不等壁厚處實(shí)現(xiàn)等壁厚焊接和檢測(cè),有利于提高環(huán)焊縫檢測(cè)的檢出效果。 

（3）針對(duì)油氣管道常用的21.4 mm與25.7 mm的壁厚組合,通過(guò)模擬仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法,證明了兩者檢測(cè)結(jié)果的一致性,提出了最小錐孔長(zhǎng)度不低于35 mm的限制要求。這對(duì)于確定其他不同壁厚組合的最小錐孔長(zhǎng)度,推動(dòng)孔錐形內(nèi)坡口在管道工程的應(yīng)用等方面具有指導(dǎo)意義。

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