目前，國(guó)內(nèi)已鋪設(shè)的石油天然氣管道總里程數(shù)已達(dá)13萬(wàn)公里，其中天然氣管道總里程數(shù)近8萬(wàn)公里。伴隨著油氣資源的大規(guī)模開發(fā)和利用，國(guó)內(nèi)油氣輸送用鋼管制造企業(yè)數(shù)量在2010年前后大幅增加。而酸性油氣、深海油氣、頁(yè)巖氣、可燃冰等資源的深度開發(fā)也促進(jìn)了國(guó)內(nèi)油氣輸送用鋼管制造技術(shù)能力的提升。

油氣輸送用鋼管制造的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)為API Spec 5L《管線管規(guī)范》、ISO 3183《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》、GB/T 9711《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》（該標(biāo)準(zhǔn)等同于ISO 3183）以及DNVOS-F101《海底管線系統(tǒng)》。國(guó)外陸上油氣輸送管制造標(biāo)準(zhǔn)多采用API Spec 5L 或ISO 3183、國(guó)內(nèi)陸上油氣輸送管制造標(biāo)準(zhǔn)多采用GB/T 9711、海底油氣輸送管制造標(biāo)準(zhǔn)多采用DNV-OS-F101。另外，一些大型油氣公司在輸送管基礎(chǔ)制造標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了一些技術(shù)要求，形成了自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《油氣輸送管道用管材通用技術(shù)條件》、殼牌石油公司的DEP標(biāo)準(zhǔn)、道達(dá)爾公司的GS標(biāo)準(zhǔn)等。

油氣輸送過(guò)程中泄漏或斷裂失效可造成無(wú)法估量的損失，尤其天然氣管道的泄漏或斷裂失效可造成毀滅性的災(zāi)難，所以各油氣輸送用鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)均要求應(yīng)用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)質(zhì)量進(jìn)行把控。從某天然氣工程項(xiàng)目直縫焊接鋼管制造工藝流程（見下圖）中可以看出，無(wú)損檢測(cè)工序數(shù)量約占總檢測(cè)工序數(shù)量的70%。同時(shí)從工藝流程圖中也可看到，在原材料復(fù)驗(yàn)、過(guò)程檢驗(yàn)以及最終檢驗(yàn)上均可用超聲檢測(cè)。

圖1 某天然氣工程項(xiàng)目直縫焊接鋼管制造工藝流程

下面將對(duì)超聲檢測(cè)技術(shù)在油氣輸送用鋼管制造行業(yè)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，并對(duì)其在行業(yè)中的應(yīng)用前景提出展望。

1 超聲檢測(cè)技術(shù)在油氣輸送 用鋼管制造行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展

油氣輸送用鋼管制造過(guò)程屬于流水線作業(yè)，為了滿足生產(chǎn)節(jié)拍的需求，檢測(cè)工序應(yīng)具備較高的自動(dòng)化程度，所以在鋼管制造過(guò)程中的超聲檢測(cè)常采用多通道自動(dòng)化超聲檢測(cè)系統(tǒng)。多通道自動(dòng)化超聲檢測(cè)技術(shù)是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，在2000年之前其成熟度落后于當(dāng)時(shí)的X射線實(shí)時(shí)成像技術(shù)。因此API Spec 5L第42版（2000年發(fā)布）中對(duì)埋弧焊鋼管焊縫的無(wú)損檢測(cè)仍要求對(duì)全長(zhǎng)焊縫進(jìn)行X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)。而隨著多通道自動(dòng)化超聲檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于無(wú)損檢測(cè)的要求也進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整，API Spec 5L從第43版（2004 年發(fā)布）到第46版（2018年發(fā)布）各版標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)埋弧焊鋼管焊縫的無(wú)損檢測(cè)均優(yōu)先采用超聲檢測(cè)，全長(zhǎng)焊縫X射線檢測(cè)僅作為協(xié)議條款，已不再作為硬性要求。油氣輸送用鋼管有著鋼級(jí)由低到高、壁厚由小到大的發(fā)展趨勢(shì)，較之射線檢測(cè)利用超聲檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)高鋼級(jí)、大壁厚鋼管更具優(yōu)勢(shì)，可見標(biāo)準(zhǔn)對(duì)檢測(cè)方法進(jìn)行調(diào)整具有其合理性。另外，自動(dòng)化超聲檢測(cè)系統(tǒng)可以做到自動(dòng)評(píng)定、自動(dòng)記錄，從而減少了過(guò)程中人的參與，目前這一優(yōu)勢(shì)也是射線檢測(cè)技術(shù)所無(wú)法比及的，亦可見標(biāo)準(zhǔn)對(duì)檢測(cè)方法進(jìn)行調(diào)整具有合理性。

在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，在多通道自動(dòng)化超聲檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備制造水平方面，國(guó)內(nèi)與國(guó)外存在較大差距，而高性能的全套進(jìn)口多通道自動(dòng)化超聲檢測(cè)系統(tǒng)動(dòng)輒上千萬(wàn)，同時(shí)還需要高額的使用和維護(hù)費(fèi)用，這些情況導(dǎo)致高性能的多通道自動(dòng)化超聲檢測(cè)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)油氣輸送用鋼管制造行業(yè)得不到廣泛配置。出于對(duì)行業(yè)水平的整體考量，國(guó)內(nèi)油氣管線項(xiàng)目雖要求對(duì)埋弧焊鋼管焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)，但截至目前仍未舍棄焊縫全長(zhǎng)的X 射線檢測(cè)。

近年來(lái)，隨著多通道自動(dòng)化超聲檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)對(duì)超聲檢測(cè)系統(tǒng)提出了更高的要求，一些技術(shù)要求已經(jīng)突破習(xí)慣做法。比如，DEP標(biāo)準(zhǔn)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高要求，在系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試過(guò)程中，要求滿屏高度80%（±5%）的測(cè)試回波信號(hào)進(jìn)行連續(xù)8次試驗(yàn)，8次試驗(yàn)測(cè)試信號(hào)波動(dòng)不應(yīng)超過(guò)信號(hào)幅度均值的25%。通常認(rèn)為檢測(cè)系統(tǒng)不漏檢即可，如果回波信號(hào)波動(dòng)較大，可適當(dāng)提高整體增益水平以保證不漏檢。但是，回波信號(hào)波動(dòng)較大的檢測(cè)系統(tǒng)如果按照DEP標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收，很可能就會(huì)歸于不合格檢測(cè)設(shè)備。再比如，澳大利亞天然氣管道公司APA集團(tuán)的油氣鋼管技術(shù)規(guī)范對(duì)自動(dòng)化超聲檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性提出了更高的要求，其要求最終檢測(cè)結(jié)果應(yīng)以自動(dòng)化超聲檢測(cè)的結(jié)果為準(zhǔn)，不允許采用手工超聲檢測(cè)對(duì)自動(dòng)化超聲檢測(cè)報(bào)警信號(hào)進(jìn)行放行。通常認(rèn)為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)如果靈敏度設(shè)置偏高一些，可以在一定程度上保證不漏檢，但檢測(cè)過(guò)程中部分未超標(biāo)的缺欠可能會(huì)因此發(fā)生報(bào)警標(biāo)識(shí)。習(xí)慣做法是在自動(dòng)檢測(cè)之后采用手工檢測(cè)進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)，但若按照APA的技術(shù)規(guī)范，存在被自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)警標(biāo)識(shí)的鋼管將不能被直接驗(yàn)收。

2 超聲檢測(cè)技術(shù)在油氣輸送 用鋼管制造行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

油氣輸送用鋼管分為焊接鋼管和無(wú)縫鋼管，其中焊接鋼管分為直縫埋弧焊鋼管、直縫高頻焊鋼管、螺旋埋弧焊鋼管。鋼管制造過(guò)程中的超聲檢測(cè)采用自動(dòng)超聲檢測(cè)輔以手工超聲檢測(cè)。其中手工超聲檢測(cè)廣泛采用數(shù)字便攜A型脈沖反射式超聲檢測(cè)儀，目前該類儀器已較為成熟，其性能滿足檢測(cè)要求。而自動(dòng)化超聲檢測(cè)的應(yīng)用現(xiàn)狀較為復(fù)雜，下面從焊接鋼管用鋼板（或鋼卷）的超聲檢測(cè)、焊接鋼管焊縫的超聲檢測(cè)、無(wú)縫鋼管管體的超聲檢測(cè)等3個(gè)方面對(duì)其應(yīng)用分別進(jìn)行介紹。

No.1焊接鋼管用鋼板（或鋼卷）的自動(dòng)化超聲檢測(cè)

焊接鋼管用鋼板（或鋼卷）超聲檢測(cè)主要用以檢測(cè)分層缺欠，特殊情況下才用以檢測(cè)裂紋缺陷。以鋼板（或鋼卷）作為檢測(cè)面較為平整，易形成良好的耦合效果，通常情況會(huì)優(yōu)先選擇成型前在鋼板（或鋼卷）上進(jìn)行均布的平行帶掃查（即列線掃查），其常用的檢測(cè)機(jī)構(gòu)形式如下圖所示。

圖2 鋼板（或鋼卷）的超聲檢測(cè)常用檢測(cè)機(jī)構(gòu)形式

直縫埋弧焊鋼管進(jìn)行管體超聲檢測(cè)將會(huì)受到焊縫余高的影響，檢測(cè)不易實(shí)現(xiàn)，通常選擇在鋼板上進(jìn)行，如下圖所示。

圖3 直縫埋弧焊鋼管用鋼板的自動(dòng)化超聲檢測(cè)

直縫高頻焊鋼管的管徑較小，在管體上進(jìn)行超聲檢測(cè)如采用直接接觸法，則耦合效果較差；如采用液浸式耦合，檢測(cè)機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，故通常選擇在鋼卷上進(jìn)行，如下圖所示。

圖4 直縫高頻焊鋼管用鋼卷的 自動(dòng)化超聲檢測(cè)

螺旋縫埋弧焊鋼管的管徑較大，而且在管體上采用螺旋方式檢測(cè)可以有效避開焊縫余高的影響，可以在成型和焊接后在管體上進(jìn)行檢測(cè)，如下圖所示。

圖5 螺旋縫埋弧焊鋼管的管體 自動(dòng)化超聲檢測(cè)

標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)鋼板（或鋼卷）超聲檢測(cè)掃查覆蓋率的要求一般因鋼管服役環(huán)境不同而不同，海洋服役環(huán)境、酸性服役環(huán)境以及地質(zhì)狀況復(fù)雜的服役環(huán)境通常要求較高的掃查覆蓋率。另外，鋼板（或鋼卷）的不同部位的超聲檢測(cè)掃查覆蓋率也有所不同，邊部以及端部如存在分層，易對(duì)質(zhì)量造成不良影響（這一點(diǎn)筆者在《鋼板邊部分層對(duì)雙面埋弧焊鋼管的質(zhì)量影響》一文中曾進(jìn)行過(guò)專題論述，見《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2016年第52卷第3期），通常這些部位的掃查覆蓋率要求較高。高掃查覆蓋率可以通過(guò)多次掃查實(shí)現(xiàn)，也可以一次掃查實(shí)現(xiàn)。如果一次掃查實(shí)現(xiàn)高掃查覆蓋率就需要較多數(shù)量的檢測(cè)通道，比如一款國(guó)產(chǎn)新型的鋼板電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)配有800個(gè)檢測(cè)通道，可以同時(shí)檢測(cè)分層、裂紋以及進(jìn)行厚度測(cè)量，如下圖所示。

圖6 800通道鋼板電磁超聲自動(dòng)化 檢測(cè)系統(tǒng)

雖然鋼板（或鋼卷）自動(dòng)化超聲檢測(cè)機(jī)構(gòu)較為龐大，但實(shí)際結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，因此國(guó)內(nèi)油氣輸送用鋼管制造企業(yè)對(duì)該設(shè)備的配置較復(fù)雜，其中有進(jìn)口設(shè)備、國(guó)產(chǎn)設(shè)備，也有自制設(shè)備。這也導(dǎo)致行業(yè)內(nèi)設(shè)備性能參差不齊，高性能的設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定、檢測(cè)盲區(qū)小、檢測(cè)效率高、可以實(shí)現(xiàn)缺欠自動(dòng)評(píng)定，而性能較低的設(shè)備則無(wú)法做到這些。

No.2 焊接鋼管焊縫的自動(dòng)化超聲檢測(cè)

焊接鋼管焊縫的自動(dòng)化超聲檢測(cè)按照耦合方式可以分為水膜法和射流法兩種，如下圖所示。

圖7 水膜法和射流法耦合示意

射流法檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)較多，但對(duì)耦合水的控制要求較高、聲束入射角的控制要求較高、耦合狀態(tài)自監(jiān)控較難實(shí)現(xiàn)，目前行業(yè)內(nèi)仍以水膜法檢測(cè)為主。直縫埋弧焊鋼管焊縫自動(dòng)化超聲檢測(cè)系統(tǒng)和螺旋縫埋弧焊鋼管焊縫自動(dòng)化超聲檢測(cè)系統(tǒng)如下圖所示。

圖8 直縫埋弧焊鋼管焊縫的自動(dòng)化超聲檢測(cè)

（a）探頭機(jī)架的結(jié)構(gòu)

（b）檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物

圖9 螺旋縫埋弧焊鋼管焊縫的自動(dòng)化 超聲檢測(cè)

焊接鋼管焊縫的自動(dòng)化超聲檢測(cè)設(shè)備較為復(fù)雜，目前行業(yè)內(nèi)多由專業(yè)設(shè)備廠家制作。近年來(lái)國(guó)內(nèi)專業(yè)設(shè)備廠家也從單純模擬國(guó)外設(shè)備發(fā)展到能夠?qū)z測(cè)設(shè)備自主研發(fā)，設(shè)備的整體性能也得到了大幅度提升，進(jìn)一步拉近了國(guó)內(nèi)外的技術(shù)差距。同時(shí)，行業(yè)對(duì)自動(dòng)化超聲檢測(cè)系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高，比如焊縫自動(dòng)跟蹤以及橫波斜探頭耦合監(jiān)控已成為檢測(cè)系統(tǒng)的必備功能。另外，超聲檢測(cè)新技術(shù)也逐漸步入檢測(cè)系統(tǒng)，如一款帶PAUT功能的自動(dòng)化超聲檢測(cè)系統(tǒng)在螺旋縫埋弧焊鋼管焊縫檢測(cè)上得以應(yīng)用（見下圖），這將在很大程度上減小機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，也進(jìn)一步提高了檢測(cè)的可靠性。

圖10 螺旋縫埋弧焊鋼管焊縫 帶有PAUT功能的自動(dòng)化超聲檢測(cè)

焊接鋼管焊縫的自動(dòng)化超聲檢測(cè)需要科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臋z測(cè)工藝作為技術(shù)支持，目前在行業(yè)內(nèi)還存在一定程度的不足。比如檢測(cè)探頭的布置，很多人認(rèn)為能夠按照標(biāo)準(zhǔn)要求發(fā)現(xiàn)人工缺陷即可，那么僅僅滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求是否就可以了呢？從下圖可以看出，兩種探頭布置均能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)的靈敏度校驗(yàn)要求（即發(fā)現(xiàn)焊縫中心豎通孔以及焊縫邊緣人工刻槽），但兩種布置的有效聲束覆蓋狀況迥異，按圖11（b）布置將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的漏檢。

（a）一種檢測(cè)探頭布置

 （b）另一種檢測(cè)探頭布置

圖11 自動(dòng)化超聲檢測(cè)探頭的兩種不同 布置方式

No.3 無(wú)縫鋼管管體的自動(dòng)化超聲檢測(cè)

油氣輸送用無(wú)縫鋼管管體自動(dòng)化超聲檢測(cè)多采用局部液浸形式。探頭與鋼管之間的運(yùn)動(dòng)形式有兩種，一種是鋼管原地旋轉(zhuǎn)加探頭直線運(yùn)動(dòng)，另一種是鋼管直線運(yùn)動(dòng)加探頭高速旋轉(zhuǎn)，見下圖。

圖12 鋼管原地旋轉(zhuǎn)加探頭直線運(yùn)動(dòng)的無(wú)縫鋼管管體自動(dòng)化超聲檢測(cè)

圖13 鋼管直線運(yùn)動(dòng)加探頭高速旋轉(zhuǎn)的無(wú)縫鋼管管體自動(dòng)化超聲檢測(cè)（結(jié)合以無(wú)線通訊技術(shù)）

無(wú)縫鋼管如用于海洋服役環(huán)境、酸性服役環(huán)境或地質(zhì)狀況復(fù)雜的服役環(huán)境，對(duì)其質(zhì)量要求就較高。通常要求檢測(cè)縱向缺欠和分層缺欠，同時(shí)還有壁厚測(cè)量的要求，特殊情況下還會(huì)有橫向缺欠的檢測(cè)要求。

無(wú)縫鋼管管體自動(dòng)化超聲檢測(cè)的機(jī)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，檢測(cè)效果較好，目前應(yīng)用較為成熟。隨著無(wú)線通訊的發(fā)展，結(jié)合以無(wú)線通訊技術(shù)的無(wú)縫鋼管管體自動(dòng)化超聲檢測(cè)系統(tǒng)已得以應(yīng)用（見圖13）。該檢測(cè)系統(tǒng)以數(shù)字信號(hào)替代了模擬信號(hào)，既提高了信噪比，也解決了模擬信號(hào)耦合困難的問(wèn)題。

超聲檢測(cè)技術(shù)在油氣輸送用鋼管制造行業(yè)的應(yīng)用前景展望

隨著科技的高速發(fā)展，超聲檢測(cè)技術(shù)本身將會(huì)向著超聲成像的方向發(fā)展，檢測(cè)系統(tǒng)中輔助技術(shù)將會(huì)變革升級(jí)，這些將使得超聲檢測(cè)系統(tǒng)不斷更新迭代。

自動(dòng)化超聲檢測(cè)系統(tǒng)也將向著智能化超聲檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)展。首先是超聲檢測(cè)技術(shù)本身的智能化，工藝的選擇、制定和執(zhí)行等工作將不再過(guò)多地依賴于人。另外，超聲檢測(cè)技術(shù)將與其他檢測(cè)技術(shù)之間、與制造工序之間建立良好的智能互聯(lián)互通。

超聲檢測(cè)技術(shù)在油氣輸送用鋼管制造行業(yè)的應(yīng)用將隨著工業(yè)體系的進(jìn)步而進(jìn)步，先進(jìn)的超聲檢測(cè)技術(shù)也將為國(guó)家能源事業(yè)提供更加有力的保障。