相控陣超聲檢測技術(shù)在海洋工程小徑管對接焊縫檢驗中的實踐研究

韋 迪

（湛江中海石油檢測工程有限公司 廣東 湛江 524057）

1 引言

在當前社會與經(jīng)濟快速發(fā)展的背景下，海洋工程建設質(zhì)量要求越來越高，并且工程建設的施工環(huán)節(jié)也越來越多。這就導致在進行小口徑管道對接焊縫檢驗時，傳統(tǒng)檢測技術(shù)應用無法發(fā)揮自身作用價值，并且部分檢測技術(shù)應用還會對人體帶來傷害。所以有關(guān)部門為了提高工作合理性與有效性，就開始結(jié)合實際情況利用現(xiàn)代化技術(shù)進行檢驗，即相控陣超聲檢測技術(shù)。

2 小徑管檢驗特點及傳統(tǒng)檢測技術(shù)缺點

2.1 小徑管檢驗特點

通過對小徑管檢驗工作的總結(jié)分析可以了解到，這一檢驗方式存在以下特點，首先是在檢驗過程中需要對多條焊接縫進行檢驗，其次就是在檢驗過程中由于管材排布較為密集，所以檢驗空間十分有限，同時很多管件都無法移動。檢驗過程中大部分被檢測對象采用的都是管對管焊接方式，部分管件在焊接時會出現(xiàn)彎曲部位焊接的情況。最后就是不同管材的壁厚、材質(zhì)、管徑等存在明顯差異[1]。

2.2 傳統(tǒng)檢測技術(shù)的缺點

當前小徑管檢驗所應用的檢測技術(shù)為相控陣超聲檢測技術(shù)，但是在這一檢測技術(shù)尚未推行前，小徑管檢驗所應用的檢測技術(shù)主要是射線技術(shù)以及常規(guī)超聲技術(shù)，本段就對這兩種檢驗技術(shù)進行總結(jié)分析。首先是射線技術(shù)，這一技術(shù)在應用過程中會出現(xiàn)以下3點問題：（1）在檢測過程中因為部分檢測位置平行于照射方向，所以就會出現(xiàn)無法檢測的情況，并且在檢測過程中還無法測量垂直方向的缺陷尺寸。（2）在檢測過程中，最終結(jié)果準確度會受到底片評定人員的主觀意識影響。（3）在技術(shù)應用過程中由于射線與環(huán)境的問題，操作人員會受到輻射照射的傷害，在躲避傷害的同時檢測效率會大大降低。常規(guī)超聲檢測技術(shù)應用過程中會出現(xiàn)以下4點問題：（1）在應用過程中會受到檢測空間限制；（2）檢測方式的檢測效率無法保障；（3）檢測結(jié)果無法得到有效儲存；（4）檢測結(jié)果受人為因素影響會出現(xiàn)準確度偏差。

3 相控陣超聲波小徑管檢測的難點

3.1 材料壁厚的影響

一般情況下小徑管的管壁比較薄并且焊縫很寬，在實際檢測過程中經(jīng)常會出現(xiàn)因為壁厚在8 mm以下時對聲束到達小徑管炸根部分后由于角度偏大使得聲束嚴重散射的情況，同時也會導致回撥游動范圍變大。不僅如此，在檢測過程中因為一次聲波的波程較短，所以就會給近場區(qū)內(nèi)檢測的定量與定位帶來影響，最終直接影響到檢測工作的可靠性。

3.2 曲率半徑影響

在實際檢測過程中，曲率半徑的大小會直接影響到技術(shù)應用合理性，若是曲率半徑過小，就會導致探頭檢測接觸面受到限制，最終造成曲面耦合盛能損失加大的問題。與此同時，在檢測過程中還會出現(xiàn)超聲橫波在小徑管內(nèi)表面反射后出現(xiàn)發(fā)散問題，同時檢測靈敏度也會隨之降低，最終給檢測工作帶來影響[2]。

3.3 現(xiàn)場工況復雜

由于工程建設過程中管材的排布十分密集，再加上不同管材的材質(zhì)與規(guī)格存在明顯差異，所以很多焊接處所利用的焊接工藝也各不相同，這也為控陣超聲檢測工作帶來了影響。

4 工藝設計及仿真

在當前海洋工程建設過程中，有關(guān)部門在對小徑管對接接頭進行檢測時，經(jīng)常會利用聚焦換能器進行檢測，以通過這樣的方式來保證信噪比，同時還可以在一定程度上提高檢測信號質(zhì)量。其實際應用就是通過超聲換能器將聚焦點放置在需要進行檢測的區(qū)域與深度，進而有效提高該檢測點的超聲信號質(zhì)量。相控陣超聲檢測技術(shù)的應用目的就是通過對陣列探頭不同單元的發(fā)射與接收聲波給予不同發(fā)射電壓幅度的過程，在運行過程中可以對聲波束進行移動、偏轉(zhuǎn)、聚焦等操作。并且在應用過程中還可以有效利用儀器對參數(shù)進行設置，通過這樣的方式來調(diào)整焦點深度，同時還可以通過單探頭進行多角度檢測，這樣就可以保證在檢測過程中盡可能多地覆蓋需要檢測的焊縫。在技術(shù)應用過程中一定要對工程實際情況進行總結(jié)分析，因為海洋工程所應用的小徑管材壁很薄，再加上管材的管徑小，所以在利用相控陣超聲檢測技術(shù)進行檢驗前就需要對實際情況進行總結(jié)分析。為了提高檢驗結(jié)果準確性，就需要利用高頻探頭，仿真時應用的探頭模型為10L32-A1型探頭。為了保證耦合度得到提升，在楔塊選擇時一定要盡可能選擇曲率半徑與檢測管件曲率半徑一致的楔塊，避免出現(xiàn)應用平面楔塊的問題，通過這樣的方式來降低耦合損失。與此同時，在檢測過程中探頭前沿長度也會直接對聲束以及檢測覆蓋面帶來影響，所以若要有效提高檢測合理性，就需要應用短前沿楔塊。

4.1 聲束覆蓋設計

在進行聲束覆蓋設計前一定要對所要檢測的管材數(shù)據(jù)進行總結(jié)分析，那么本段就距離某海洋工程建設管材數(shù)據(jù)進行聲束覆蓋設計。該管材的壁厚為6.5 mm、管徑為141 mm，其焊縫外表面的寬度為20 mm，管材坡口為單V型，坡口的間隙為6 mm[3]。在仿真檢測過程中需要在楔塊前沿距焊縫中心12 mm的位置利用相控陣超聲檢測技術(shù)開展扇形掃描。在掃描時的大角度波束覆蓋焊縫區(qū)，波束角度為40°～73°，以保證焊縫根部能夠一次完成檢測，該焊縫的上部屬于二次檢測區(qū)域。在利用仿真檢測后可以清楚地了解到焊縫單側(cè)掃查過程中，因為焊縫上部屬于二次覆蓋區(qū)域，所以在檢測過程中若是出現(xiàn)地面余高的情況，就會導致余高部門出現(xiàn)二次波方向控制問題，使得二次波的覆蓋區(qū)域被壓縮。在該檢測過程中，有關(guān)部門為了保證焊接接頭能夠降低檢測盲區(qū)出現(xiàn)的問題，就利用雙側(cè)掃查的方式進行全面覆蓋。

4.2 缺陷仿真計算

通過對管材焊接接頭結(jié)構(gòu)與聲束覆蓋設計的總體可以了解到，管道模型共出現(xiàn)了10個人工缺陷，并且在模擬過程中還了解到缺陷的類型，通過對表1進行分析就可以了解到詳細缺陷問題。因為在檢測過程中應用的是兩側(cè)對稱掃查方式，所以一般情況下的缺陷設置都是以焊接右側(cè)掃查結(jié)果為準[4]，見表2、表3。

表1 模擬缺陷列表

表2 焊接右側(cè)掃查模擬缺陷計算結(jié)果 單位：dB

表3 焊縫左側(cè)掃查模擬缺陷計算結(jié)果 單位：dB

通過以上數(shù)據(jù)圖表可以了解到，因為焊接上部需要利用二次波進行檢測，所以就可以有效檢測出同側(cè)坡口位置的未熔合缺陷，但是對策坡口位置存在的未熔合缺陷就會因為在檢測過程中應用平面矩形模型以及焊接縫角度走向問題，使得其反射回波的波幅過低[5]。雖然在檢測過程中探頭能夠?qū)?cè)裂縫檢測出來，但是因為仿真計算過程中沒有對管件表面反射信號進行計算，所以才會導致反射回波波幅低的問題，因此就需要利用實驗進行驗證。通過最終總結(jié)分析可以了解到，利用雙側(cè)掃查的方式可以將整個焊縫檢測區(qū)域覆蓋，并且在檢測過程中還可以檢出焊縫各方向缺陷。

5 檢測實驗

為了保證數(shù)據(jù)的準確性，并將相控陣超聲檢測技術(shù)作用價值充分展現(xiàn)出來，本段就對某海洋工程深水鉆井船管道式樣進行總結(jié)分析。該工程所應用管材直徑141 mm，壁厚6.5 mm，材質(zhì)為4106 B，坡口為單V型，應用的焊接方式為鎢極惰性氣體保護焊。在檢測過程中應用了OLYMPUS相控陣超聲主機：配備的檢測系統(tǒng)是FocusLT（64/128）。應用這一系統(tǒng)的主要原因是因為該系統(tǒng)具備64個獨立通道以供發(fā)射與接收。在楔塊選擇前還專門進行了仿真設計，通過設計結(jié)果設計出了短前沿楔塊，通過這樣的方式將波束合理利用起來，同時保證焊接檢測能夠完全覆蓋。與此同時，在檢測設計過程中還定制了小徑管專用掃查架，掃查架應用后可以保證整個檢測過程平穩(wěn)運行，同時還可以使探頭與焊接中心線保持固定距離[6]。為了保證設備能夠滿足檢查需求，還專門設計了可以調(diào)動的磁輪、探頭、編碼器。通過實際檢測可以了解到，相控陣超聲檢測可以有效對缺陷進行定位，同時缺陷檢出長度要大于射線檢測。相控陣超聲檢測還可以有效檢測出缺陷的埋藏深度，還可以對根部缺陷進行判斷。

6 結(jié)語

綜上所述，可知相控陣超聲檢測技術(shù)在海洋工程小徑管對接焊縫檢驗中應用的優(yōu)勢。那么在發(fā)展過程中，就需要加大對這一技術(shù)的應用，通過這樣的方式來提高檢驗工作合理性與有效性，進而有效提高海洋工程建設合理性與有效性。