大尺寸海底管道AUT 校準試塊輕量化設計與應用

張天江 陳亮 吳員 張永波 陳強 張衛東(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

0 引言

隨著海底管道施工船舶作業能力的提高、焊接技術的發展，對檢驗技術也提出了更高要求。全自動超聲波檢測(Automatic Ultrasonic Testing，簡稱AUT)技術自2002年引入國內以后，因其對危害較大的面積性缺陷檢出率高、定位準確、定量精度高、檢測速度快、安全環保等諸多優勢，得到廣泛應用，受到業主和施工人員的青睞，已經成為海底管道對接環焊縫無損檢驗的首選方法。其中，AUT 校準試塊用于AUT 系統靈敏度設置和動態校準，是AUT 檢測技術應用的關鍵部件。

1 海底管道AUT校準試塊使用現狀

根據DNV-OS-F101 標準中要求，AUT 校準試塊使用的材料應取自與要檢查的制造商，直徑，厚度和接縫類型相同的管道。用于校準塊的管子的壁厚應最好與所用管道的標稱壁厚相對應，除非有多個校準塊需要覆蓋壁厚超出限制的變化。

此前，海底管道AUT 校準試塊使用項目管料的一部分，為滿足AUT 掃查器的安裝和行走，長度通常為700mm。近年來，國內外大尺寸海底管道項目不斷增多。對于大管徑大壁厚海底管道的檢測，采用常規方法制作的AUT 校準試塊體積和重量都很大，十分笨重。以管徑1118mm、壁厚23.8mm 為例，700mm長的碳鋼管料重量達450kg，校準試塊的制作、運輸和現場使用都十分不便。而且，在海上施工期間，由于淡水資源寶貴，而相控陣校準試塊調試采用淡水作為耦合劑，大尺寸的相控陣試塊調試時間長，淡水消耗量大。因此，大尺寸海底管道AUT 校準試塊的輕量化和節水設計是AUT 團隊需要解決的重要問題。

2 大管徑海底管道AUT校準試塊輕量化設計

2.1 反射體加工區域

反射體加工區域是AUT 校準試塊的核心區域，是AUT 系統校準和靈敏度設計的基礎，必須使用項目管料的一部分。參照ASTM E1961 標準要求，試塊中的人工反射體設計根據壁厚的破口參數來確定。分區法將焊縫從厚度方向上進行區域劃分，根據焊接坡口參數和填充次數確定目標區域。反射體的布置應當滿足焊縫兩側分區掃查及填充區數目的要求。填充區的基礎反射體應當采用直徑為2～3mm 的平底孔(FBH)。在設計的融合線處，采用機加工方式加工一個長10mm、寬1mm、深1mm 的矩形槽，來顯示管線外徑上產生的表面裂紋、未融合和咬邊等缺陷的位置。矩形槽也用于根部融合區。根部槽應當是1mm 深、10mm 長，它們的外形角度應當和所檢查的焊縫根部坡口形狀一致。中心通孔或槽用于保證探測性能。反射體在橫向上的定位應當保證信號的相互獨立，每一個探頭發出的聲束應該在掃過基礎反射體的時候不會遇到臨近的反射體。為便于機加工，反射體加工區域是從AUT 校準試塊管料上截取一個Z 字形。長度方向上滿足各分區反射體的排布，寬度方向上滿足AUT 探頭和楔塊的掃查需求。反射體加工區域缺陷分布如圖1 所示。

圖1 分區法AUT校準試塊反射體布局圖示例

2.2 試塊支撐區域

傳統的AUT 校準試塊制作方法是將Z 字形的反射體加工區域鑲入原始管料，焊接固定就形成完整的AUT 校準試塊。通常情況下，管徑越大，AUT 校準試塊中支撐區域的重量占比越大。因此，縮減試塊支撐區域是大尺寸AUT 校準試塊輕量化設計的關鍵。試塊支撐區域的作用是固定反射體加工區域，并提供AUT 軌道安裝和AUT 探頭楔塊行走的支撐，需要與反射體加工區域外徑相同，而壁厚可以減薄。本設計中選擇8mm 厚度的鋼板，卷制形成外徑與被檢焊縫相同，弧長和寬度滿足AUT 掃查器行走的一段弧面，并根據反射體加工區域的尺寸和形狀切除一個Z字形，再將反射體加工區域鑲入固定。安裝效果如圖2 所示。

圖2 反射體加工區域和支撐區域安裝效果示意圖

圖2 中，橫向支撐桿3 和縱向支撐桿4 用于固定和支撐同管徑薄壁厚固定支撐區2 的形狀，防止變形；在同管徑薄壁厚固定支撐區2 上選擇合適的位置開孔用于放置反射體加工區1，緊固螺釘5 從內到外將反射體加工區1 和同管徑薄壁厚固定支撐區2 連接固定在一起，超出鋼板外表面的緊固螺釘5 切割打磨平整；把手6 焊接在橫向支撐桿3 上，用于試塊搬運；耦合水收集槽7 焊接在同管徑薄壁厚固定支撐區2 圓弧兩端，攔截和收集耦合用水，耦合水收集槽7 中部設有耦合水回流孔8，可連接水管實現耦合水回收利用。

3 試塊軌道改造

海底管道全尺寸AUT 校準試塊采用圓周式相控陣檢測軌道，在整個圓周方向上包圍相控陣檢測校準試塊，采用彈簧卡扣螺紋緊固。對于輕量化設計后的非全尺寸AUT 校準試塊，圓周式相控陣檢測軌道無法安裝固定在相控陣檢測校準試塊上。通過設計制作一種分段式海底管道AUT 校準試塊的軌道，不僅能夠使相控陣檢測掃查器行走，還能夠保持軌道位置恒定，避免了軌道移動造成的AUT 系統校準失效的問題。分段式軌道示意圖如圖3 所示。

圖3 一種分段式海底管道相控陣檢測校準試塊的軌道的示意圖

圖3 中，軌道1 長度與AUT 校準試塊弧長相同，滿足AUT掃查器行走；螺栓2 用于連接固定試塊和軌道；空心支撐管3 用于調節軌道與AUT 校準試塊之間的高度，滿足不同間隙的需求；螺釘4 連接螺紋支撐管5，固定軌道與AUT 校準試塊之間的高度；限位器6 長度大于軌道1 寬度，可有效防止AUT 掃查器在行走過程中滑落損傷。

4 結語

通過對大管徑海底管道AUT 校準試塊的小型化、輕量化設計，大大減輕了AUT 校準試塊的體積和重量，大幅節約試塊加工、運輸、吊裝費用；對優化施工船舶作業線空間和安全隱患的排除作出了積極貢獻；耦合水的回收利用為施工船舶節省了大量的淡水資源；為大管徑的海底管道項目AUT 檢驗提供經驗借鑒和技術基礎。