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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。

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。

國(guó)內(nèi)開展了一系列針對(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。

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。 

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，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。

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)。 

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。

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)21.4mm與25.7mm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-5MHz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.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)21.4mm 與25.7mm 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)21.4mm 壁厚開展檢測(cè)方案設(shè)置，采用 ZETEC LM-5MHz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。

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8.7mm的坡口面未熔合(聲束中心通過(guò)深度為8.7mm、距焊縫中心5.17mm 的坡口面)，實(shí)際超聲波傳播路徑如圖4所示。 

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)榉瓷浣铅?，且?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21.4mm 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5.22mm，BC段長(zhǎng)度為18.06mm，兩段合計(jì)23.28mm。 

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23.28mm 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8.70mm變化為7.07mm。 

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。 

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0mm 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??；當(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。 

由圖7可知，錐孔長(zhǎng)度為0mm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5mm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10mm 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20mm 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25mm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35mm 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。 

1.測(cè)試試塊設(shè)計(jì)加工 

針對(duì)21.4mm與25.7mm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 0，20，25,35mm，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。 

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30mm，按照序號(hào)順序加工布置反射體； ②1#，5#，7#，11# 為矩形槽，尺寸(長(zhǎng)×寬×高，下同)為10mm×1mm×1mm；③2# ，3#，4#，8#，9#，10# 均為?2mm的平底孔，其中，2#，10# 從上表面開始，3# ，9# 的中心距上表面1/3t2，4# ，8# 從鈍邊以上沿坡口面向上；④6# 為內(nèi)表面根部矩形槽，尺寸為10mm×1mm×1mm；⑤12# 為外表面中心開口槽，尺寸為10mm×1mm×1mm；⑥13# 為?2mm的長(zhǎng)通孔(長(zhǎng)度為40mm)，距上表面1/2 t2。 

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)21.4mm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。 

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。

通過(guò)0，20，25，35mm4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21.4mm與25.7mm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35mm。 

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，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21.4mm與25.7mm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35mm 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。