油气管道环焊缝PAUT检测与RT检测的比较分析

(中国船级社质量认证公司江西分公司，江西 南昌 330038)

0 引言

中国能源行业十三五规划发布后，我国油气管网建设大规模发展。截至2018年底，我国油气长输管道总里程累计达到13.6万km，位居世界第三。但与发达国家相比我国管道密度仍有较大增长空间，管道输送能力仍有待提高。因此，管道的投入和使用也会增加。油气管道地理环境复杂，管道的质量和安全至关重要。近年来，油气管道泄露、爆炸事故频繁发生，导致了大量的经济损失、人员伤亡甚至环境污染。在管道安装过程中，管道采用环焊缝对接的形式进行焊接，而对环焊缝的检测又极为重要。最早的检测方法一般采用传统的射线检测和手工超声波检测。近年来，随着新技术的不断发展，相控阵检测技术也被应用到油气管道中。笔者以某长输管道工程作为研究对象。采用两种检测方法对同一焊缝进行检测，并对检测结果进行比较。因为PAUT和RT是两种不同的原理，所以导致结果有一定的差异。

1 PAUT和RT检测原理

1.1 PAUT检测原理

相控阵检测其基本检测原理与常规超声波检测相同，都是基于脉冲反射法。不同的是探头结构、视图显示及记录方式。常规超声探头只有1个晶片，而相控阵探头是相当于把1个普通探头晶片切割成多个小的晶片。1个晶片为一个阵元，多个晶片组成一个阵列，每个小晶片都可单独被激发。再通过控制各个阵元激励(或接收)脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射(或接收)声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系，实现波束偏转及聚焦。再利用机械扫描和电子扫描相结合的方法实现多种方式成像。相控阵系统能够同时实现A扫描、 B扫描、C扫描、S扫描和TOFD成像。TOFD检测存在上下表面盲区，使用PA检测可以弥补TOFD检测盲区的不足。

1.2 RT检测原理

射线在穿透物体的过程中会与物质发生相互作用，因吸收和散射其射线强度会减弱。强度的衰减程度取决于材料的衰减系数和射线穿过材料的厚度。如果物体(试件)局部有缺陷，且形成缺陷材料的衰减系数又与试件不同，则局部区域的透射射线强度与周围区域的透射射线强度不同。当射线透照工件后使胶片感光，胶片再经过暗室处理后得到底片。由于透射缺陷部位和其他完好部位的透射射线强度不同，底片上相应部位就会出现不同的黑度差。 底片上相邻区域之间的黑度差异被定义为“对比度”。检测人员通过对底片的观察，根据其黒度差，便能得到缺陷的具体情况。RT检测的图像是焊缝和缺陷的平面投影，不能显示缺陷本身的高度，只能得到缺陷大小及数量，通过测量缺陷大小可以评判缺陷。

2 PAUT和RT检测的特点

2.1 PAUT检测的特点

PAUT是在常规超声波检测基础上拓展的一项新技术。PAUT与常规超声波的主要区别为：常规超声波检测显示只有A扫图，显示不直观，不便于记录保存；而PAUT可以实现A扫、B扫、C扫、S扫和TOFD等多扫描图像同时显示，显示较为直观、便于判读缺陷、图谱可永久保存，是真正的可记录超声波检测技术。对于焊缝检测，常规超声是用固定角度的斜探头进行扫查的，如45°、60°、70°(或K1、K2、K3)。而相控阵检测则是以一定角度范围进行扫查的。一般扫查范围为40°～70°。相控阵检测在不需要移动探头的情况下，利用一次反射波就能覆盖整个焊缝截面。使用单个探头以多个角度检测，能极大的提高缺陷的检出率。图1表示相控阵扫查焊缝的声束覆盖图。

图1 相控阵扫查焊缝声束模拟图

2.2 RT检测的特点

在射线检测中，底片作为记录介质，可以直接得到缺陷的直观图像并可长期保存。通过观察底片能够比较准确地判断出缺陷的性质、数量、尺寸、位置。射线检测容易检出那些形成局部厚度差的缺陷。对体积型缺陷(气孔、夹渣)有很高的检出率，对面积型缺陷(裂纹、未熔合)的检出率则受到透照角度的影响。射线检测时在不同部位的射线穿透角度会因坡口角度而改变，未熔合是管道环焊缝比较容易产生的一种缺陷，它是一种面积型缺欠。射线检测焊缝未熔合缺陷如图2所示。①射线检测时，缺陷大小、缺陷位置及射线照射方向均会影响RT检出率。②当射线方向与未熔合角度在10°以下时，缺陷检出率影响不大；当大于15°时，随着角度的增大，检出率就越低，易漏检。③当透照方向与未熔合方向相同时，检出率最高，见图2中①和③。④当透照方向与未熔合方向差别较大时，检出率低。见图2中②和④。

3 PAUT与RT检测结果对比分析

以某长输管道项目作为试验依据，按照适当工艺参数对焊口分别进行PAUT检测和RT检测。本文选取了其中比较典型的5道焊口进行对比分析。检测结果如表1所示。从表1可看出，RT检测可以判断缺陷的性质，测出缺陷的长度，而对缺陷深度，缺陷自身高度无法测量。PAUT检测可以检测出缺陷的长度、埋藏深度、自身高度以及判定缺陷的性质，但是对于缺陷性质的判定，PAUT检测没有RT检测显示那么直观，要丰富的经验以及评图水平，综合来判定缺陷的性质。所以对于缺陷定性，RT检测要优于PAUT检测。而对于缺陷定量PAUT检测要优于RT检测。

图2 RT检测效果与缺陷方向关系

表1 环焊缝的PAUT和RT检测结果

3.1 裂纹

图3为编号1的射线检测底片，在底片发现1处缺陷显示。缺陷性质为裂纹，长度为20 mm。而经过PAUT检测，对数据进行分析，通道1和通道2均有缺陷显示，A扫最高波幅191%，长度为31 mm，观察波形有双峰显示，再结合TOFD通道显示，综合分析缺陷性质判定为裂纹。

3.2 根部未熔合

图4为编号2的射线检测底片，在底片发现1处缺陷显示，为根部未熔合缺陷，长度为12 mm。而经过PAUT检测，对数据进行分析，通道1有一处缺陷显示，A扫最高波幅147%。长度为11 mm。通道2该位置无明显缺陷显示，TOFD底波上有微弱的信号显示。这是由于该缺陷在TOFD下表面盲区内。最后结合S扫波形图缺陷性质判定为根部未熔合。

3.3 夹层未熔合

图5为编号3的射线检测底片，在底片发现4处显示，为断续的夹层未熔合，长度为6 mm+5 mm+4 mm+3 mm。而经过PAUT检测，对数据进行分析，通道1和通道2均有缺陷显示，TOFD信号显示明显，A扫最高波幅126%，长度为390 mm。结合S扫波形图缺陷性质判定为夹层未熔合。

图3 RT与PAUT检测结果对比图(裂纹)

图4 RT与PAUT检测结果对比图(根部未熔合)

图5 RT与PAUT检测结果对比图(夹层未熔合)

3.4 气孔

图6为编号4的射线检测底片，在底片发现1处缺陷显示，缺陷性质为密集气孔。而经过PAUT检测，对数据进行分析后，通道1显示为多个点状缺陷，A扫最高波幅59%，其余点状波幅较弱。通道2只显示1个点状缺陷。TOFD信号无明显信号显示，这是由于此缺陷在近表面，存在TOFD的上表面盲区中，图6中可以看到直通波有降低的变化。再结合C扫图，缺陷性质判定为气孔。

3.5 夹层未熔合

图7为编号5的射线检测底片，底片无明显缺陷显示。而经过PAUT检测，对数据进行分析后，该位置通道1和通道2均有缺陷显示，通道1发现为多个点状显示，而且在不同的层面上均匀分布。在相同位置通道2和TOFD通道均有缺陷显示。缺陷A扫最高波幅117%，单个点状长度最大为10 mm。结合多种扫描图，缺陷性质判定为夹层未熔合。属于焊道与焊道之间的层间未熔合。

图6 RT与PAUT检测结果对比图(气孔)

图7 RT与PAUT检测结果对比图(层间未熔合)

3.6 PAUT和RT现场检测的优劣

PAUT比RT检测安全性高。RT检测时，存在一定的电离辐射，要保持一定的安全距离。而PAUT安全，可与施工机组交替作业，不需要其他工作人员撤离现场，也不影响施工进度。射线检测出结果慢，射线检测分为现场拍片、暗室洗片、评片，耗时久。任何一个环节出错，就会导致底片质量不合格，包括底片划伤、黑度过高或过低、水迹污染等问题导致重拍。而采用PAUT检测，现场数据采集一般只需几分钟，并可初步评判有无缺陷，如果存在明显缺陷可就地画出返修位置通知返修。PAUT灵活性高，设备较轻，携带方便。而RT设备沉重，RT设备有机头、爬行器等，在现场需要好几个人配合。PAUT对人员操作要求高，PAUT仪器需要经常校准，采集的数据不应存在扫偏、丢失的现象，应保持良好的连贯性。RT检测操作简单，对人员要求低一些。

4 结语

PAUT对缺陷的检出率相对较高。对层间未熔合类缺陷，RT检测存在一定的漏检，而PAUT能够很好的检出。RT检测对体积型缺陷有很高的检出率，如气孔、夹渣等。对面积型缺陷则受透照角度、缺陷位置等因素影响，检出率较低。射线检测能确定缺陷的平面投影，能对缺陷的大小进行定量，同时能够较准确地判别缺陷的性质。但不能确定缺陷的深度及自身高度。PAUT与RT相比，PAUT对面积型缺陷检出率高，能实现缺陷的三维定量(长度、深度、高度)，但偶尔会出现漏检焊缝内部较小的体积型缺陷。两种检测方法是可以互补的，任何一种检测方法不能百分百的把缺陷检出。可以根据实际需要，选择适当的检测方法。