海底管线用高频焊管焊缝常见缺陷及超声波检测辨识方法

李虎昌， 李靖龙， 王海峰， 焦振峰， 冯清振

（海油发展珠海管道工程有限公司， 广东 珠海519000）

0 前 言

随着海上石油天然气的开发利用， HFW 焊管已普遍应用于海底石油天然气输送管道。 目前， 小直径 （Φ219～610 mm） 海底管线大部分使用HFW 焊管， 壁厚为11.1～19.1 mm， 材质一般为X65MO。 由于HFW 焊管的成型及焊接方式， 焊缝中易存在裂纹、 未熔合、 组织不均匀（氧化物夹杂、 焊缝条状物分布过多） 等缺陷。另外， 在HFW 成型焊接过程中， 局部焊缝热影响区偏析等缺欠可能导致裂纹萌生。

通过超声波检测方法可以基本辨识HFW 焊管焊缝的缺陷性质、 分布状态， 进而判断缺陷产生的原因， 以此指导生产。 鉴于HFW 焊管的特点， 焊管生产企业在检测过程中不能仅局限于相关标准 （如API SPEC 5L、 DNV-OS-F101） 的基本要求， 应提高超声波检测验收标准， 以确保产品质量， 保障海底管线安全稳定运行。

1 焊缝超声波检测标准要求及其局限性

API SPEC 5L 和DNV-OS-F101 标准中， 海底管线用HFW 焊管焊缝超声波检测的要求为N5 刻槽或Φ1.6 mm 通孔为验收标准， 回波高度100%为基准灵敏度， HFW 焊管生产线一般配置在线及离线超声波检测系统。 检测用超声波探头一般为K1， 此探头对根部未焊透及开口型裂纹检测灵敏度高， 对于HFW 焊管焊缝熔合线未开口型微裂纹、 氧化物夹杂等壁厚中间部位的缺陷灵敏度偏低， 此类缺陷往往选择K2 探头。

在实际的超声波检测中会遇到小于基准灵敏度的缺陷反射波， 如基准灵敏度30%或者50%波高的缺陷反射波。 由于HFW 焊管的特点， 这部分低于基准灵敏度的缺陷性质可能比较严重，这类缺陷大多数是氧化物夹杂类缺陷， 即沿焊缝熔合线的氧化物没有被挤出， 或是壁厚中间部位熔合线上的微裂纹， 这种微裂纹两端延伸处往往伴随着断续的氧化物夹杂。 这类缺陷导致焊缝脆性增加， 降低焊缝的韧性。 但由于检测过程中超声反射回波没有超标， 往往容易被忽视， 导致缺陷漏检。 具有该缺陷的管道在实际使用过程中由于焊缝韧性较低， 微小裂纹会快速生长， 导致焊缝开裂。 因此， API SPEC 5L 及DNV-OS-F101标准在HFW 焊管焊缝检测方面的要求具有一定的局限性。

2 HFW 焊管焊缝缺陷类型及检测辨识方法

2.1 HFW 焊管焊缝缺陷类型

HFW 焊管焊缝缺陷一般为焊缝熔合线裂纹、母材偏析分层、 表面翘边及熔合线组织不均匀等， 缺陷类型如图1 所示。

图1 HFW 焊管焊缝缺陷类型

2.2 手工超声波检测灵敏度调整及缺陷定位简易方法

手工超声波检测探头选择K1 和K2 两种，厚壁小直径焊管一般选择用K1 探头， 薄壁大直径焊管选择K2 探头。 自动超声波检测均采用K1 探头， 如美国GE、 加拿大InspecTech 自动超声波检测系统等。 同时， 探头采用不同规格的探头靴或耐磨层提高检测时的耦合效果。 手工超声波检测用探头与钢管接触部位始终和钢管的弧度保持一致。 自动超声波检测系统发现缺陷后， 应用手工超声波检测进行复检确认。

HFW 焊管焊缝手工超声波检测时， 回波位置如图2 所示。 在检测前应对手探仪检测灵敏度进行调校， 以N5 刻槽检测灵敏度为基准。 探头对准对比试块的内刻槽， 将N5 刻槽回波高度增益到100%， 调整水平移位将回波调整到适当位置（见图2 （a））， 此时位置为内表面缺陷回波位置。在增益不变的情况下， 将探头对准外刻槽， 记录外刻槽回波高度， 即为外刻槽灵敏度， 此时的回波位置即是钢管检测过程中外表面缺陷回波位置（见图2 （b））。 在检测过程中， 水平位置50～70 即为壁厚方向的扫查范围（见图2 （c））， 可根据缺陷回波的位置判断缺陷在壁厚方向的分布， 但在检测过程中应考虑到部分HFW 焊管焊缝增厚、错边和残余内毛刺现象。

图2 手工超声波检测回波位置示意图

在实际的检测过程中， 扫查灵敏度应提高6 dB， 以防止缺陷漏检。 当发现缺陷回波时， 应针对缺陷回波位置两侧分别进行检测， 两探头的水平中间位置即为缺陷的水平位置， 这种方法比较直观， 可在外表面直接定位缺陷的水平位置。

2.3 焊缝缺陷性质辨识方法

（1） 熔合线延伸至焊缝表面及近表面裂纹（见图1 （a））。 超声波检测焊缝两侧回波高度基本一致， 通过水平定位， 可确定缺陷位于焊缝中心线上， 该类缺陷如果在外表面或近外表面， 通过超声波定位后可用磁粉探伤方法进一步确认，此类缺陷磁痕是一条连续或断续平齐的直线。

（2） 熔合线未开口裂纹， 即壁厚中间部位裂纹类缺陷 （见图1 （b））。 此类缺陷超声回波一致， 通过金相检测发现此类裂纹两端沿着熔合线有明显的氧化夹杂物， 将导致焊缝脆性提高， 韧性下降， 存在较大的安全隐患。 部分此类缺陷回波较小， 如熔合线上的微裂纹， 往往没有达到N5 刻槽的报警极限， 在实际检测工作中对于此类缺陷应判为不合格。

（3） 氧化物夹杂类缺陷（见图1 （c））。 此类缺陷超声回波灵敏度很低， 往往只有基准灵敏度的20%～30%左右， 极易被忽略， 但此类缺陷危害程度与裂纹类缺陷一样严重。 在钢管外表面做磁粉检测时， 会发现沿着焊缝有一条较浅且平齐的直线磁痕。 对于此类缺陷， 可先通过在线超声波检测位置， 再用手工超声波检测， 适当提高检测灵敏度， 在批量生产前进行检测排除， 避免出现批量不合格， 必要时可通过金相检测进一步确认。

（4） 热影响区母材分层类缺陷（见图1 （d） ～图1 （h））。 钢带壁厚中心部位存在着不同程度的偏析现象， 在钢带成型焊接过程中， 部分较严重的偏析就会沿着焊缝两侧的流线裂开形成裂纹， 或者形成部分没有裂开的较严重的偏析缺陷。 超声波检测会有很明显的检测回波， 但焊缝两侧的缺陷回波高度不一致。 由于该类缺陷位于焊缝热影响区附近， 很容易与焊缝缺陷相混淆。当采用斜探头发现此类缺陷时， 可通过单晶直探头或双晶直探头检测缺陷回波相应位置， 会有明显的分层回波， 且该分层有一定的面积特征。

3 结束语

HFW 钢管焊接质量与原料质量、 焊接工艺、成型设备均有关， 为了确保海底管线用HFW 焊管的质量， 在超声波自动检测过程中， 扫查灵敏度应提高6 dB， 对可疑缺陷再用手工探伤方式进行定位和定性， 确认缺陷的性质。 首批钢管生产过程中， 应在热处理工序之前， 用手工超声波检测方法对焊缝进行检测， 同时用磁粉检测方法相配合， 对焊缝裂纹、 氧化物夹杂等缺陷进行检测。 尤其应重视低于基准灵敏度的缺陷回波， 如有必要可取金相试样做进一步的分析确认， 不能仅局限于API SPEC 5L 及DNV-OS-F101 标准要求的基准灵敏度。 同时， 应对原材料边部重点部位进行裂纹、 偏析等缺陷检测。