海底管道不銹鋼復合管焊縫的全自動超聲檢測工藝認證

陳 亮

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

復合材料(CRA)管由基體管(如碳鋼)及內襯不銹鋼層(如鎳基625)組成，內襯層厚度約3 mm，內襯層與基體管采用冶金結合方式，典型復合材料管結構示意如圖1所示。

圖1 典型復合材料管結構示意

海底管道施工在鋪管船上采用連續作業，焊縫檢驗完成后立即進行節點防腐處理，因此確保檢測工藝的可靠實施至關重要。筆者結合海底管道焊縫的AUT檢測特點，對不銹鋼復合管焊縫AUT檢測工藝的關鍵環節進行了認證。

1 不銹鋼復合材料管焊縫的AUT檢測工藝

不銹鋼復合材料管焊縫的AUT檢測工藝采用分區法，即在焊縫厚度方向分為若干個檢測區域，每個區域設計獨立的反射體，采用上下游對側布置，每個分區使用獨立的超聲波束掃描，實現對焊縫檢測區域的全覆蓋。由于不銹鋼復合材料焊縫存在界面回波，且晶粒粗大，對其實施超聲檢測有困難，傳統碳鋼AUT工藝采用橫波一發一收的配置方式(傳統碳鋼AUT檢測波束掃描方式見圖2)不再適用，相控陣只能采用一次縱波掃描方式(不銹鋼復合材料管焊縫分區法AUT波束掃描方式見圖3)，同時采用爬波、TRL(雙晶縱波探頭)及超聲衍射時差法(TOFD)等波束掃描，獲得不銹鋼復合材料管焊縫可靠的AUT檢測工藝。

圖2 傳統碳鋼AUT檢測波束掃描方式示意

圖3 不銹鋼復合材料分區法波束掃描方式示意

2 缺陷制作

缺陷制作所用焊縫材料規格有3種，即公稱直徑為508 mm，壁厚為31.6 mm(內襯CRA層厚3 mm)，公稱直徑為323 mm，壁厚為22 mm(內襯CRA層厚3 mm)及公稱直徑為219 mm，壁厚為11.1 mm(內襯CRA層厚3 mm)。基管材料均為API X65，復合材料層材料為鎳基625，填充坡口角度均為10O，熱焊半徑均為4.6 mm，根部高度均為1.8 mm。共制作160個焊接缺陷，選取128個缺陷進行宏觀切片,測量其實際尺寸(宏觀切片照片見圖4)，缺陷尺寸分布如圖5所示。

圖4 焊縫宏觀切片照片

圖5 缺陷尺寸分布

3 AUT檢測工藝認證

3.1 重復性試驗

重復性試驗的目的是驗證AUT檢測工藝的穩定性及重復性,試驗包括校準試塊的重復性試驗和缺陷焊縫的偏移重復性試驗。

將校準試塊放置于水平位置，完成一次起始掃查，分別將試塊反射體區域置于12點和6點位置，連續進行10次掃查，記錄每次掃查各反射體的最大波幅，與起始掃查最大波幅偏差不超過±2 dB，重復性試驗數據如圖6所示。從圖6可以看出，12點和6點位置處10次連續掃查每個反射體最大波幅與起始掃查偏差為0.58 dB，數據滿足標準要求。軌道偏移重復性試驗在缺陷焊縫上進行，試驗焊縫至少包括6個缺陷，分布于根部、表面、埋藏及熱焊等不同位置。以管徑323 mm，壁厚22 mm焊縫試驗為例，先完成一次0偏移焊縫掃查，軌道偏移±1 mm，分別完成3次連續掃查，分別記錄每次掃查缺陷高度定量最大及最小偏差值，要求最大及最小偏差值不超過±1 mm，軌道偏移重復性試驗數據分析如表1所示。

圖6 重復性試驗數據

表1 軌道偏移重復性試驗數據分析 mm

從表1可知，在軌道偏移±1 mm的情況下，記錄的所有位置焊接缺陷評定高度與0偏移情況下的最大偏差為0.7 mm，最小偏差為-0.2 mm，達到標準要求。軌道安裝在±1 mm精度范圍內，AUT檢測工藝可獲得可靠的檢測精度。

3.2 AUT工藝對稱性試驗

AUT工藝對稱性試驗用于驗證上下游檢測通道對于同一缺陷的檢測靈敏度偏差，在具有缺陷的焊縫上進行試驗，缺陷分布于焊縫中的不同位置，覆蓋焊縫所有區域。以管徑323 mm，壁厚22 mm焊縫為例，分別沿順時針和逆時針掃查測試焊縫，記錄缺陷的高度、深度及最大波幅，要求順時針和逆時針最大高度偏差不超過±1 mm。對稱性測試數據如圖7所示。由圖7可知，采用順時針和逆時針掃查，各個位置缺陷定量偏差最大為0.6 mm，滿足標準要求。檢測工藝上下游各通道的檢測靈敏度一致，可獲得可靠的檢測結果。

圖7 對稱性測試數據

3.3 可靠性試驗

AUT檢測工藝可靠性試驗包括：獲得缺陷焊縫的AUT檢測數據、焊縫附加RT(射線檢測)或PAUT/TOFD(相控陣超聲檢測/超聲衍射時差法)檢測數據，以及缺陷的宏觀試驗。通過分析所有試驗數據，獲得95%置信水平90%POD(95%|90%POD)條件下的缺陷高度，標準規定缺陷高度1 mm 為95%|90%POD的評定合格標準。

可靠性試驗通過掃查所有缺陷焊縫，一一記錄缺陷的高度、長度、深度、橫向位置、波幅等信息，選擇128個缺陷進行宏觀切片，記錄缺陷的實際高度和深度。對選取的128個缺陷AUT檢測數據及宏觀金相數據進行統計學分析，評定95%置信水平90%POD條件下可靠檢測出的缺陷高度，評定結果如圖8所示。

圖8 AUT檢測系統總體POD值

由圖8可知，基于128個焊接缺陷的分析結果，在95%置信水平90%POD條件下，總體POD值為0.9 mm；在50%置信水平90%條件下，總體POD值為0.8 mm，評定結果滿足標準要求。

4 結語

復合材料AUT檢測工藝認證是一項系統、可靠的評定過程，涵蓋工藝穩定性、可重復性及缺陷檢出率等方面的內容，對檢測工藝的準確實施進行了全面的試驗驗證，獲得了掃查軌道安裝精度及95%|90%POD值，實現了對AUT檢測工藝的定量評價，為AUT檢測工藝的準確實施提供了可靠保證，也為今后海底管道不銹鋼材料的焊縫檢測工藝評定提供參考。