摘要 本文从石化炼油装置常见的管道特定焊接方法出发,分析了CO2气保焊在炼油管道焊接中的常见缺陷及其与超声检测的适用性,然后针对该种焊接方法的焊接管道的对接接头的超声检测工艺进行了选择和优化。
关键词 对接焊接接头;CO2气体保护焊;焊接缺陷;超声检测;波幅高度;缺陷评定
中图分类号TE4文献标识码A文章编号 1674-6708(2010)26-0175-03
1 石化炼油装置管道使用超声检测的必要性
在西部大开发的过程中石油石化得到了快速的发展,压力管道是石化炼油装置中的主要运输方式。其具有介质温度压力高、易燃易爆,输送距离远近不同,管径、管壁厚薄不一,现场焊接工作量大,施工环境条件差,质量要求高的特点。射线检测在管道检测中是常用的方法,但由于射线检测和现场其他作业不能同时交叉作业,从而严重影响了工程进度。超声波检测具有检测速度快、成本低,对面状缺陷敏感,仪器轻便,对环境无污染,不需要特殊安全防护措施、可以交叉作业等诸多优点,对于保障工程进度和工期,提高现场劳动效率都有积极作用;其次,JB/T4730-2005《承压设备无损检测》及相关特种设备的制造验收标准中关于无损检测的规定,基本上都要求射线检测和超声波检测二者在无损检测时选其一即可。因此研究和推广超声波在压力管道中的使用,对保证工程工期、控制工程质量和经济成本方面具有重要的实际意义。
2 炼油管道超声检测范围要求及CO2保护焊焊接特点
2.1 炼油管道超声检测范围
根据JB/T4730-2005《承压设备无损检测》的规定和目前国内超声检测设备及我所现有设备,结合炼油装置管道的自身特点,当前我们只能检测壁厚≤4mm且管径在32mm~159mm,或是壁厚在4mm~6mm且管径≤159mm的压力管道。一般的管道的壁厚为5mm~8mm,管道焊接主要是环焊缝的组对和焊接.
2.2 炼油管道CO2保护焊焊接与超声检测的关系及常见缺陷
2.2.1 炼油管道CO2保护焊焊接特点及其和超声检测的关系
目前,大多数石化炼油装置安装和日常维修中,从焊接质量和劳动效率方面考虑,对于管道的焊接基本上采用伊萨产的CO2气体保护焊机。厂房内结合单线图软件采用全自动进行打底填充造面,外场地和施工现场结合模拟安装软件采用半自动焊接,手工焊完成打底造面。该种焊接工艺为超声波检测提供了如下条件:
1)由于自动化程度的提高,使得焊缝成型后外观光滑漂亮,不需任何外观处理即可保证超声波检测所需的检测面;
2)结合炼油管道输送距离比较短的特点采用了车床加工坡口,保证了坡口组对间隙,避免了错边和焊偏的现象,焊缝焊道比较规则,为超声波检测提供了条件,减少了上下错位回波、单面焊回波的影响;
3)焊接弧形摆动器的研发和使用,使得打底焊缝余高得到有效控制,和母材比较齐平,解决了根部未焊透缺陷和咬边的出现,避免了根部焊角回波沟槽回波等干扰波;
4)实心焊丝加气体保护,基本上避免了焊剂和药皮夹渣的出现,超声检测很少出现参差不齐的夹渣回波;
5)厂房内预制和模拟预制场地的使用,不仅为焊接提供了条件,而且为超声波检测也创造了检测的优越条件,减少了现场施工环境的影响为正确分析和评价缺陷提供了良好的条件。
2.2.2 炼油管道CO2保护焊焊接及超声常见缺陷
由于焊接工艺及焊接附属设备的研发和使用,使得各种焊接缺陷出现的几率有了变化。在上述焊接方法及工艺的焊接管道中,经过我们多次焊后超声波检测和射线检测的验证发现,由于焊接过程中采用了气体保护,再加上焊接管道表面除锈不干净等其它外部原因,使得焊接气孔出现的几率比较高;其次是由于焊接电流、速度等工艺规范的选择不合适,造成坡口未熔合的现象比较多;再者是焊接耐热钢等高强度炼油管道时易出现平行于焊道的焊缝热影响区裂纹。在上述焊接方法中很少出现夹渣和未焊透的缺陷,使得我们在超声波检测中对所发现的缺陷,在定性时提供了便利。
3 炼油管道超声检测方法和条件的选择
3.1 炼油管道超声检测方法的选择
结合上述焊接中常见的缺陷,气孔属于规则型的体积性缺陷,未熔合(特别是破口未熔合)和裂纹则属于平面状的面积性缺陷,我们在用射线检测时,对于危害特别大的未熔合和裂纹,如果透照角度不对,则是很难检测出来的,此时若采用超声波检测,在检出几率是相当高的。因此,对于炼油装置中采用上述焊接方法焊接的管道,我们选择超声波检测。
3.2 炼油管道CO2保护焊对接接头超声检测条件的选择
探伤检测面是曲面,焊接接头为单面焊,管道根部不能直接观察;由于壁厚薄,上下壁厚及焊缝表面易产生几何反射,造成假缺陷信号,引起误判,与一般容器焊缝或平板对接焊缝超声波探测相比,具有一定的难度。因此选择超声检测方法和工艺时,与普通检测方法更为严格和谨慎。
3.2.1 仪器的选择
由于炼油管道的壁厚都比较薄,因此,选择超声波检测仪是一定要选择始脉冲较窄的仪器。我们选用汉威HS610e型,该仪器始脉冲宽度在2.5mm左右,且该设备的脉冲宽度在100ns~300ns内连续可调,匹配不同频率的探头。
3.2.2 探头参数的选择
由于炼油装置中的管道预制化程度比较高且大部分管道的曲率半径都比较小,除少数装置上的高压管道外,大部分管道的壁厚都比较薄,此时若采用常规的普通探头会造成漏检误判,因此考虑到探头的与管道接触时的耦合损失、管道焊缝比较窄且壁薄、超声波在管道内壁的发散严重等特点,我们在检测时尽量选取大K值短前沿的横波斜探头。常按下表进行探头的选择。
注意事项:1)对于一定的壁厚和焊缝宽度,在选用上述探头规格后,为了保证探头和管道的耦合,在没有购买到合适曲率半径的探头时,必须把已经选择好的探头的楔块的曲率加工成与所探管道的外径相吻合的形状;2)要对加工好曲率的探头的K值进行重新测定,要保证探头的一次波至少扫查到焊接接头根部。
3.2.3 对比试块的选择和要求
根据JB/T4730-2005《承压设备无损检测》标准和相关标准的要求,对比是块选用GS-1、GS-2、GS-3 、GS-4型试块。所选择的试块材质要和被检管件的声学特性相同或相似的材料;试块的耦合面曲率要和被检管径相同或相似,其曲率半径之差不得大于被检管径的10%。各类试块适用范围见下表。
3.2.4 耦合剂的选择
由于管道的探伤面是曲面,且曲率半径比较小,若选择的耦合剂粘度过低,则会使摊上过程中流失,因此,要选用粘度比较高的耦合剂。对于管径大一点的我们选择的是机油,对于管径小的我们选择的是浆糊,以保证探伤过程流失不严重或不流失,从而保证耦合效果。
3.2.5 仪器的调整和处理工作
1)扫描线比例调整:利用试块上的Φ2横孔按声程比例1:1调整。由于中科设备均是按声程调节,而在示波屏伤显示出水平距离、深度和声程。
2)灵敏度调整:利用试块上的Φ2横孔进行实际测量绘制距离-波幅曲线。对于不同壁厚的管道按照下表进行灵敏度选择。
注意事项:在实际检测中。由于管道表面耦合损失和材质衰减,应根据实测结果对灵敏度进行补偿,补偿量应计入距离-波幅曲线。
3)探测面打磨范围:对于外观检查不合格的焊缝应进行外观处理,并对焊道两边7~9倍范围内的锈斑及其他杂物进行清理。在实际检测过程中要求为50mm~70mm。当壁厚大于15mm时,应处理的范围应大于探头移动的距离L(L=2.5Kd,d为管道的壁厚)。
3.2.6 扫查探测和缺陷判别
1)扫查探测
(1)一般情况下采用锯齿型扫查方式先在焊缝的两侧进行扫查。此时的扫查次齿距不应该大于所选用晶片宽度的一半。发现缺陷回波显示后在采用前后、左右、转动、环绕等方式对缺陷的位置、方向、形状的进行准确的定位、定量和定性。
(2)利用一次波、三次波探测焊缝下部的缺陷,利用二次波对焊缝上部的缺陷进行探测。由于炼油管道直径比较小,焊接时采用单面焊双面成型,焊道根部无法直接观察,为了保证根部缺陷的检出率和定性定量的准确性,一般要求选用探头的一次波对焊缝根部的缺陷进行探测。
2)缺陷位置的判定和测量
(1)当壁厚不大于15mm时,以缺陷水平距离的位置判别缺陷。
①若水平距离<探头到焊缝中心线,则判定缺陷在探头侧;
②若水平距离>探头到焊缝中心线,则判定缺陷在远离探头侧;
③在焊缝两侧探测,均在焊缝中心线位置,可以判定缺陷位于焊缝中心。注意:若仅在焊缝一侧探测时位于焊缝中心线,而在另一侧不能发现则可能为错边。
(2)当壁厚大于15mm时,按照常规的中厚板对接焊缝探伤方法进行缺陷位置的判定以缺陷水平距离的位置判别缺陷的位置如下。
①如果L≤LF≤L+a,则缺陷在焊缝中,此时判定是在靠近探头侧还是远离探头侧(L—入射点至焊缝边缘的距离;LF—缺陷的实际长度;a为焊缝的宽度,下同):若L≤LF≤L+a/2、则在探头侧,若L+a/2≤LF≤L+a,则在远离探头侧的焊缝中。
②若LF≤L或LF≥L+a,则缺陷不在焊缝中,有可能是热影响区的裂纹)。
(3)对于上述(2)情况要对缺陷的长度进行测量,测量方法如下:
①当缺陷反射波位于Ⅱ区或Ⅱ区以上,反射波只有一个高点时,用定量线的绝对灵敏度法测长。
②当缺陷反射波位于Ⅱ区或Ⅱ区以上,反射波只有多个高点时,用端点6dB法测长。
③当缺陷反射波位于Ⅰ区,如有必要测长,则以评定线为基准进行测长。
注意事项:上述测长的指示长度均为沿管子外圆的周长,此时所测值需要按照下述方法进行修正:LF=L×(R-H)/R。
其中:LF—缺陷的实际长度;L--探头沿管子外圆移动的距离;R—管子的外圆半径;H—缺陷离外圆表面的深度。
3)缺陷性质的判断
根据所采用的焊接方法和焊接工艺,在焊接过程中,焊接接头的五种缺陷里,气孔出现的几率最高,其次未熔合,然后是裂纹,而夹渣和未焊透在我们所焊接的炼油管道中出现的几率极低。因此在探伤时我们经常碰到气孔、未熔合和裂纹(裂纹只有在特殊管材上焊接工艺不合理时才出现)。
气孔属于体积性缺陷,它的声阻抗和管道相比极低,在探伤时往往发生全发射,回波较低,但检测时也容易发现。它属于点状反射体,回波在示波屏上显示出一个尖锐回波。当探头前后左右移动时,其回波幅度平滑的有零上升到最大值,然后又平滑的降到零,在五类缺陷是最容易识别的。
未熔合属于面积性缺陷,在焊接过程中经常为坡口未熔合。我们的焊接工艺一般采用V型坡口,其角度在600左右,在管子壁厚较大时,坡口在50~550之间,所选用的坡口型式角度,对于上述所选择的探头K值来说,其声束基本上和面积性的坡口未熔合缺陷垂直,而且这种缺陷比较平滑,其回波声压很高,极其容易发现。它的回波在示波屏上显示出一个尖锐回波。当探头前后左右移动时,其回波幅度平滑的有零上升到峰值,探头继续移动时,其波幅基本上保持不变或者只在小范围内变化,然后又平滑的降到零,这种缺陷也是很容易识别的。在检测时,靠近探头一侧坡口未熔合,常常是二次波发现的,远离探头侧的坡口未熔合是用一次波发现的,我们通过声程的差异和容易确定这种缺陷的位置和性质。
裂纹类缺陷经常出现在高强刚和焊接工艺不恰当的时候。这类缺陷的回波性质和融融和基本雷同,我们在判定它的性质时往往结合材料的焊接性和根据它所出现的位置,以区别它和未熔合。
根部未焊透尽管出现的几率比较小,但在生产中也碰到过,它有端角反射的特征,回波较高。在焊缝的两侧均可以探测到,位于焊缝的中间且有一定的宽度,在测量水平距离时,往往有1mm~2mm的偏差,主要是由未焊透宽度造成好的。
夹渣出现的几率极低。
4 炼油管道CO2保护焊薄壁管环焊缝超声波探伤注意事项
压力管道焊缝超声波检测人员不仅要掌握超声波检测的基础理论、具备管道材料、焊接、组对等方面的知识,还应具有管道焊缝的探伤检测经验。在压力管道薄壁管环焊缝超声波探伤检测中,除与一般平板焊缝探伤具有的相同之处外,应特别注意以下几点:
1)对于厚度不大于8mm的薄壁管,应尽量选用高频大K值短前沿小径管探头,因为对于薄壁管,为减少探测时上下管壁的几何反射波,要求超声波指向性好,扩散角小。而只有提高超声波频率,使波长减小,增大晶片尺寸,并选用方晶片,才有利于提高超声波指向性。
2)在薄壁管管道探伤中,为了减少薄壁几何形状对超声波的影响,减少对缺陷的定位误差,提高管道焊缝中根部检出率,是一次波能够扫查到焊缝截面下1/4壁厚区域,要求探头前沿距离小,K值应适当取大些。
3)应采用单面双侧一、二次波及三次波
单侧双面指的是管道外壁被检焊缝的两侧探伤面。在对管道焊缝做超声时应分别在焊缝两侧各做一次检测。用一、三次波探测焊缝下部缺陷,用二次波探测中部缺陷,以利于有效的发现和检出缺陷。
4)根据回波信号的位置来判断有无缺陷
由于压力管道薄壁检测时超声波多在近场区,一般采用水平法定位。因而可根据回波信号的位置来判断有无缺陷波。如回波信号峰值出现在示波屏一次标记点前,则为缺陷信号。又如,在焊缝两侧探伤,二次水平定位反射信号都在焊缝中间,则为缺陷。
5 结论
超声波检测随着仪器设备及技术的不断发展,在无损检测工作中占有越来越重要的地位,在压力管道安装、定期检验工作中,也得到了广泛的应用,并有效的缩短了工期,确保了安全生产,给油田生产带了可观的经济效益。
参考文献
[1]郑晖,林树青.超声检测.中国特种设备检验协会组织编写.
[2]承压设备无损检测.国家发展和改革委员会.