張學成,雷 嘯,楊龍榮

(四川正吉油氣田工程建設檢測有限公司,成都 610021)

石油天然氣行業(yè)采用超聲檢測管道環(huán)向對接焊接接頭,通常執(zhí)行SY/T 4109—2005標準《石油天然氣鋼質管道無損檢測》。近幾年,超聲檢測管道環(huán)向對接焊接接頭執(zhí)行JB/T 4730.3—2005標準《承壓設備無損檢測 第3部分:超聲檢測》逐漸增多,實施過程中出現了這樣一個問題:管道外徑≥159 mm的管道環(huán)向對接焊接接頭在超聲檢測時應如何設計、制作和選用對比試塊。

JB/T 4730.3—2005標準中6.1條只明確設計了適用于壁厚≥4 mm,外徑為32～159 mm環(huán)向對接焊接接頭的GS系列試塊。有觀點認為,JB/T 4730.3—2005中5.1.3.4規(guī)定“檢測曲面工件時,如檢測曲率半徑R≤W2/4時(W 為探頭接觸面寬度,環(huán)縫檢測時為探頭寬度,縱縫檢測時為探頭長度),應采用與檢測面曲率相同的對比試塊”。選擇探頭尺寸,使R＞W2/4,就可以使用現成相應的平面試塊(如CSK-ⅡA)進行超聲檢測。筆者認為,這樣反向延伸標準的規(guī)定是想當然且錯誤的。又有觀點認為,那就制作與檢測面曲率相同的對比試塊。這是可以的,但試塊的人工反射體如何選擇,如何設計以使得對比試塊一塊多用,便于現場操作和降低成本,筆者嘗試進行一些探討。

1 JB/T 4730.3對試塊的要求和分析

該標準6.1條規(guī)定了壁厚4～6 mm,管道外徑≥159 mm的管道環(huán)向對接焊接頭超聲檢測要求。檢測用的距離-波幅曲線的三條曲線靈敏度是用φ 2 mm×20 mm加減分貝數表示的。顯然,所要求的對比試塊的人工反射體同GS試塊一樣,是φ 2 mm×20 mm橫通孔。標準的6.1.2.2還規(guī)定,對比試塊的曲率應與被檢管徑相同或相近,其曲率半徑之差不應大于被檢管徑的10%。

標準附錄G規(guī)定了母材厚度6～8 mm鋼制承壓設備對接焊接接頭的超聲檢測和質量分級,采用的試塊是人工反射體為φ2 mm×40 mm橫孔的CSK-ⅡAm試塊。

標準的5.1條中規(guī)定了母材厚度8 mm以上對接焊接接頭的超聲檢測和質量分級,在母材厚度≤120 mm時,采用的試塊是人工反射體為φ 2 mm×40 mm橫孔的CSK-ⅡA和人工反射體為φ 1 mm×6 mm短橫孔的CSK-ⅢA試塊。兩者都是平面型試塊,采用時必擇其一。標準在5.1.6.2曲面工件(直徑≤500 mm)對接焊接接頭的超聲檢測中規(guī)定:“環(huán)縫檢測時,對比試塊的曲率半徑應為檢測面曲率半徑的0.9～1.5倍”。這就是說,直徑500 mm以上對接環(huán)向焊接接頭的超聲檢測可用平面試塊;直徑≤500 mm時,就要按“對比試塊的曲率半徑應為檢測面曲率半徑的0.9～1.5倍”設計、制作或選用對比試塊。當然,這里隱含了一個條件,按照標準5.1.3.4的要求,所選探頭接觸面寬度W應滿足R＞W2/4(式中R為曲率半徑),否則,只能采用與檢測面曲率相同的對比試塊。

按照標準對管道外徑≥159 mm的環(huán)向對接焊接接頭超聲檢測的上述要求,不難看出,在所選探頭滿足R＞W2/4的條件下,管道母材厚度決定了對比試塊的人工反射體類型,管道外徑決定了對比試塊檢測面的曲率半徑。

2 設計對比試塊的3個考慮步驟

根據上文分析,管道外徑≥159 mm的環(huán)向對接焊接接頭超聲檢測用對比試塊的設計可分三步考慮:

(1)考慮管道的壁厚,以決定對比試塊的人工反射體類型和尺寸。根據管道壁厚,對比試塊可分為3類:①壁厚4～6 mm 的,采用φ 2 mm×20 mm的橫通孔。②壁厚6～8 mm的,采用φ2 mm×40 mm橫通孔。③壁厚8 mm以上的,采用φ 2 mm×40 mm橫孔或φ 1 mm×6 mm短橫孔。

(2)考慮管道的外徑,以決定對比試塊檢測面的曲率半徑。外徑＞500 mm時用平面對比試塊,外徑≤500 mm時用曲面對比試塊,試塊的曲率半徑應為實物檢測面曲率半徑的0.9～1.5倍。對于壁厚4～6 mm管道,要求苛刻一些,曲率半徑之差不應大于被檢管徑的10%(即對比試塊的曲率半徑應為檢測面曲率半徑的0.9～1.1倍)。顯然,兩者相等時檢測耦合誤差最小。根據標準的5.1.3.4規(guī)定,當探頭寬度W＞2R1/2時,只能選擇兩者相等。

(3)考慮檢測需要,以決定對比試塊人工反射體數量和布置、一塊多用和系列化。對于單一規(guī)格管道環(huán)向對接焊接接頭超聲檢測,設計一個對比試塊,人工反射體設置盡量少,能滿足制作距離-波幅曲線制作要求即可。對于多種規(guī)格管道環(huán)向對接焊接接頭超聲檢測就還要考慮對比試塊一塊多用,必要時系列化,覆蓋所需要的檢測對象。

下又結合各類對比試塊設計和應用加以說明。

3 各類對比試塊的設計和應用

3.1 Ⅰ類對比試塊

對于壁厚4～6 mm管道,由于壁厚小,很難運用相同管材加工對比試塊。因采用的對比試塊人工反射體為φ 2 mm×20 mm的橫通孔,這為石油天然氣管道檢測提供了方便。管道環(huán)向對接焊接接頭超聲檢測通常采用SY/T 4109—2005標準,使用SGB系列試塊,試塊的人工反射體也是φ 2 mm×20 mm橫通孔。SGB-3,4,5型試塊就可拿來所用。根據這些試塊曲率半徑和JB/T 4730.3—2005的6.1.2.2規(guī)定計算得到,SGB-3,4,5可分別用于外徑159～168.9 mm,218.2～266.7 mm,363.6～444.4 mm的鋼管環(huán)向對接焊接接頭的超聲檢測,這就大體解決了壁厚4～6 mm,外徑≥159 mm的常用管徑鋼管環(huán)向對接焊接接頭超聲檢測所需的對比試塊問題。沒有SGB系列試塊的單位,筆者建議按圖1制作對比試塊,如有必要,可參照SGB系列試塊思路結合本單位檢測實際,按標準6.1.2.2要求制作一套系列試塊。

圖1 Ⅰ類對比試塊

如圖1所示對比試塊材料選擇與被檢測對象相同或相近材質。該對比試塊可運用在管道半徑為0.9～1.1R,壁厚4～6 mm管道環(huán)向對接焊接接頭環(huán)向對接焊接接頭的超聲檢測。注:底面為平面,可用反射波擴大孔使用深度。R為受檢鋼管外半徑;L為試塊長度,由使用的聲程確定;尺寸誤差≤±0.05 mm。

3.2 Ⅱ類對比試塊

對于母材厚度6～8 mm,外徑≤159 mm的鋼制承壓設備管道環(huán)向對接焊接接頭超聲檢測,應采用φ 2 mm×40 mm的CSK-ⅡA試塊。對比試塊可作如下考慮:

鋼管外徑500 mm以上的選擇CSK-ⅡA平面試塊使用。鋼管外徑500 mm以下就要制作曲面對比試塊。

對于單一規(guī)格壁厚的鋼管環(huán)焊縫,采用的對比試塊檢測面的曲率半徑同受檢鋼管外半徑,人工反射體為φ 2 mm×40 mm 的長橫孔,屬CSK-ⅡA型試塊。由于試塊有一面是曲面,該面不能用于一次反射波,相對平面也不能作為制作距離-波幅曲線的檢測面,CSK-ⅡA試塊型式就要從兩孔設計變成三孔設計,如圖2所示。

圖2 Ⅱ類對比試塊

當然,圖 2試塊也可用于外半徑為 0.67～1.11R且相同壁厚的鋼管環(huán)焊縫超聲檢測的對比試塊。但必須選擇探頭寬度W＜2R1/2的探頭。圖2試塊還可直接用受檢焊縫母材相同鋼管截一段鉆孔制作(圖2虛線)。注:T為鋼管壁厚;R為受檢鋼管外半徑;L為試塊長度,由使用的聲程確定;尺寸誤差≤±0.05 mm。

3.3 Ⅲ類對比試塊

對于母材厚度8 mm以上對接環(huán)向焊接接頭的超聲檢測,按照母材厚度和合同要求,采用人工反射體為φ 2 mm×40 mm的長橫孔或φ 1 mm×6 mm短橫孔。同樣,鋼管外徑500 mm以上的選擇CSK-ⅡA或CSKⅢA平面試塊使用。鋼管外徑500 mm以下就要制作曲面對比試塊。

對于單一規(guī)格鋼管環(huán)焊縫檢測可按圖2設計制作對比試塊。有多種規(guī)格鋼管環(huán)焊縫檢測任務的單位(如無損檢測機構),每一種規(guī)格鋼管都要制做一塊對比試塊將增加成本,每次加工還要耽誤時間,現場檢測攜帶也不方便。筆者吸取 SY/T 4109—2005標準的SGB試塊系列化的經驗,在選擇探頭寬度W＜2R1/2的條件下,選用表1所列三種試塊參數的設計,就可包括壁厚 ＜50 mm,外徑 159～500 mm鋼管環(huán)焊縫超聲檢測所需的對比試塊。試塊型式見圖3。從表1中可看出,試塊檢測面的曲率半徑設計在常用管附近(常用管 φ168.3,273,457 mm),減少耦合誤差,有利于提高檢測的準確性。至于試塊之間適用鋼管外徑范圍有部分重疊,主要是為了擴大單個試塊的使用范圍,對有些場合,可減少現場檢測人員攜帶試塊數量。注:R見表1;尺寸誤差≤±0.05 mm。

表1 試塊參數

圖3 Ⅲ類對比試塊

Ⅱ,Ⅲ類對比試塊均采用人工反射體為φ 2 mm×40 mm的橫通孔,試塊較寬、較重,如改為φ 1 mm×6 mm的短橫孔,試塊寬度可從40 mm變?yōu)?0 mm,可減輕重量,但只能用于壁厚8 mm以上的鋼管環(huán)焊縫。還應注意,應如CSK-ⅢA試塊那樣開半徑R=10 mm的半圓槽,在槽內鉆φ1 mm×6 mm的短橫孔,以避免界面對超聲波的影響。

4 結語

鋼管外徑≥159mm的環(huán)向對接焊接接頭超聲檢測是曲面工件對接焊接接頭超聲檢測的一個重要應用。JB/T 4730.3—2005對曲面工件對接焊接接頭超聲檢測除了要求“可盡量按平板對接焊接接頭的檢測方法進行檢測”外,另一個重要要求就是對對比試塊的設計和制作要求。

根據管子的外徑決定對比試塊檢測面的曲率半徑,根據管子的壁厚決定對比試塊的人工反射體類型和尺寸,按照標準關于“環(huán)縫檢測時,對比試塊的曲率半徑應為檢測面曲率半徑的0.9～1.5倍”、檢測壁厚4～6 mm管道“對比試塊的曲率應與被檢管徑相同或相近,其曲率半徑之差不應大于被檢管徑的10%”以及“如檢測曲率半徑R≤W2/4時,應采用與檢測面曲率相同的對比試塊”等規(guī)定,正確設計人工反射體位置和數量、減少對比試塊數量,形成系列化,方便應用。應用時應注意探頭寬度 W的選擇。