淺談鋼懸鏈立管環焊縫無損檢驗方法的適用性

何 星* 趙煥霆 張天江 張永波 徐 振

（海洋石油工程股份有限公司）

0 引言

淺水海洋石油平臺通常包括導管架和組塊兩大部分。導管架立于水中，采用鋼樁插入海底來實現固定。組塊安裝在導管架上，用于油氣開采、處理和存儲，以及工人的日常生活。一般來說，平臺與平臺之間、平臺與陸地終端之間由海底管道連接。立管則是海洋石油平臺管道和海底管道的過渡部分，一般固定在導管架的樁腿上。然而，用于深水油氣田開發的半潛式海洋石油平臺的立管懸掛在水中，因此稱為鋼懸鏈立管。鋼懸鏈立管的預鋪設方式和常規海底管道相同，再回接固定在半潛平臺上。受海水和風浪的影響，鋼懸鏈立管會隨半潛平臺移動，受到循環載荷作用。循環載荷可能導致焊縫中的缺陷不斷擴展，因此鋼懸鏈立管的焊縫質量要求十分嚴格。選用合適的無損檢驗方法，做好鋼懸鏈立管鋪設中的環焊縫質量把控工作顯得尤為重要。通過對比射線檢驗、超聲波檢驗和相控陣超聲波檢驗三種方法的基本原理和優缺點，分析鋼懸鏈立管環焊縫無損檢驗方法的適用性。

1 射線檢驗

工業探傷中，常用的射線設備為x-射線機和r-源。其中，x-射線機只在通電的情況下才會產生射線。受作業位置和空間的限制，為了確保更好地防護射線，海洋油氣項目海上施工期間通常選用x-射線。

1.1 射線檢驗的基本原理

海洋油氣工程中焊接接頭射線檢驗通常采用射線照相法，將射線源和工業膠片分別置于待檢工件的兩側。射線在穿透物體過程中會與物質發生相互作用，因吸收和散射而使其強度減弱。若焊縫和母材局部存在缺陷，構成缺陷的物質的衰減系數與焊縫不同，則該區域透過的射線也會不同。透過工件到達膠片的射線使膠片感光，經過顯影、定影等暗室處理后得到底片。由于缺陷部位和完好部位的透射射線強度不同，底片上就會顯示出對應的黑度差異。在觀片燈光屏上，評片人員通過觀察底片能夠比較準確地判斷出缺陷的性質、數量、尺寸和位置。

1.2 海底管道環焊縫的射線檢驗

在海底管道鋪設期間，對接環焊縫的射線檢驗可根據管徑、壁厚、射線裝置及作業空間等條件選擇單壁單影（SWE/SWV，詳見圖1）或雙壁單影（DWE/SWV，詳見圖2）透照技術。通常，只要現場作業條件允許，環焊縫檢測時首選中心曝光。將射線源置于管道內部的焊縫中心位置，膠片置于焊縫外表面，一次曝光即可完成整道焊縫的檢驗工作。近年來，無線遙控爬行器射線設備已成為海底管線海上鋪設射線檢驗的首選設備。該設備一般由射線機、電池、爬車、控制器四個部分組成。工作時，射線機、電池和爬車連接形成一個整體置于海底管線內，操作人員通過控制器在管外發出指令，控制管內設備進行前進、后退、定位、曝光等工作，并通過管內爬行器的報警聲音判斷設備狀態和工作情況。由于沒有電纜和鋼絲繩，不會對自動焊使用的內對口器產生干擾。

圖1 環焊縫射線檢驗單壁單影（SWE/SWV）透照圖例

圖2 環焊縫射線檢驗雙壁單影（DWE/SWV）透照圖例

1.3 射線檢驗的主要優缺點

1.3.1 優點

（1）操作簡便，易掌握；

（2）檢測圖像直觀、形象，缺陷評定較準確；

（3）對于形成局部厚度差的缺陷更加容易檢出；

（4）對體積型缺陷（如氣孔和夾渣等）的檢出率較高；

（5）檢驗結果重現性好；

（6）設備一次性投資較小，經濟性較好。

1.3.2 缺點

（1）射線源和膠片分別置于被檢工件兩側，要求工件兩側都可以接近；

（2）受射線穿透能力限制，被檢測厚度不能太大；

（3）對缺陷方向性要求高，當薄層缺陷垂直于透照方向時不能檢出，如母材分層；

（4）對線狀缺陷檢出率較低，且無法提供厚度方向的缺陷信息；

（5）檢驗速度慢、效率低、成本高；

（6）有輻射危害，對作業人員存在一定傷害；

（7）膠片處理會產生危險藥液，污染環境。

2 超聲波檢驗

超聲波是指超過人耳聽覺范圍的聲波，頻率大于20 000 Hz，其屬于機械波，傳播過程中僅有能量傳播，而沒有物質轉移。

2.1 超聲波檢驗的基本原理

焊接接頭超聲檢驗通常采用脈沖反射法。超聲波探頭發射脈沖波到被檢工件內，遇到內部缺陷或者工件底面后反射，再由超聲波探頭接收。檢驗人員根據儀器波屏上顯示的波形位置和形狀來定性缺陷，以回波傳播時間來定位缺陷，以回波幅度來定量缺陷。

2.2 海底管道環焊縫超聲波檢驗

對海底管道環焊縫進行超聲波檢驗時，首先使用縱波直探頭對焊縫兩側母材進行直探傷掃查，確保母材內部無影響超聲波傳播的大尺寸面狀缺陷（如夾層等）。然后使用橫波斜探頭對焊縫進行掃查，當探頭角度與缺陷方向垂直時，獲得缺陷的最大回波信號。圖3為對接焊縫的橫波斜探頭檢驗。超聲波檢驗可從工件一面完成，通常應選用45°，60°和70°探頭。由于常規超聲波無法保存掃查數據，因此對操作人員的技術水平要求較高。

圖3 對接焊縫橫波斜探頭檢驗

2.3 超聲波檢驗的主要優缺點

2.3.1 優點（1）穿透能力強，范圍可達5 m；

（2）缺陷檢出能力強，能找出非常小的缺陷（約1/2波長）；

（3）對線狀缺陷檢出率高，評定較準確，評定結果重現性較好；

（4）評定缺陷長度、寬度、高度、深度，真正實現體積型檢測；

（5）只需一面接近；

（6）儀器便攜，檢測條件較簡單，可以無電、無水，適用于現場作業；

（7）檢測效率高，且對作業人員無生理傷害。2.3.2 缺點

（1）對點狀缺陷檢出率較低；

（2）對人員的技術水平要求較高；

（3）表面要求光滑，對幾何形狀有要求；

（4）接焊厚度應大于 6 mm，檢驗管徑應大于100 mm；

（5）設備投資較大，儀器設備越好，檢測效果就可能越好。

3 相控陣超聲波檢驗

超聲波相控陣技術是傳統單晶片超聲波技術的特殊應用形式。與傳統超聲波檢驗不同，相控陣探頭是由多個晶片組成的換能器陣列，通過激發電路控制對同一聚焦法則下不同晶片的激發時間，從而實現波束的聚焦和偏轉。

3.1 相控陣超聲波的基本原理

相控陣超聲波技術的核心原理是波的干涉。嚴格來說，相控陣超聲波原理是基于“惠更斯原理”，即行進中的波陣面上任一點都可看作是新的次波源，知道了任意時刻一個波陣面的位置，就可以繪出下一時刻的波陣面的位置。波陣面是由很多晶片激發的小波陣面（次級波）疊加而成，這是相控陣超聲波的理論基礎。

3.2 海底管道環焊縫相控陣超聲波檢驗

相控陣超聲波檢驗在海底管道對接環焊縫檢驗的主要應用為全自動超聲波檢測（AUT）技術。AUT技術的基礎方法為分區法。

3.2.1 分區法

分區法是根據待檢焊縫的坡口形式和參數，將焊縫沿壁厚方向上分成幾個區，通常包括根部、鈍邊、熱焊、填充和蓋面，每個分區的高度一般為1～3 mm。根據聚焦法則的設置，每個分區都由一組獨立的晶片進行掃查。

3.2.2 AUT校準試塊

AUT校準試塊是AUT系統調試和校準的重要依據，模擬待檢焊縫坡口參數，在不同區域加工人工反射體，用于調試系統的檢測靈敏度。AUT校準試塊材料應與焊縫材料保持一致，每一個分區都有自己的反射體（槽或平底孔），ASTM E-1961標準規定需在外表面的蓋帽區和內表面的根焊區開槽，在鈍邊區、熱焊區和填充區設置直徑為2 mm的平底孔，用中心通孔來確定門的位置。圖4為J型坡口AUT校準試塊的反射體設置示例。

圖4 J型坡口AUT校準試塊的反射體設置

3.2.3 AUT檢驗數據顯示

標準的AUT檢驗數據輸出顯示包括每個通道的帶狀圖、根部B掃描（Map通道）、體積通道和TOFD，以及耦合監測通道。帶狀圖顯示讓焊縫看起來好像是從中間“剖開”一樣，每個帶狀圖代表一個分區。圖5為AUT掃查圖示例。試塊校準時，需進行“雙閘門”設置。波幅門記錄波幅高度，在帶狀圖中以波幅高度來顯示。時間門記錄渡越時間（TOF），帶狀圖中以色塊高度來顯示，表示缺陷在坡口面的位置。

圖5 AUT掃查圖示例

3.3 相控陣超聲波檢驗的主要優缺點

3.3.1 優點

（1） 無輻射危險；

（2） 對危害性強的未熔合型缺陷更加敏感；

（3） 可準確測量缺陷數據，與ECA結合使用可以降低返修率；

（4） 自動掃查，檢驗效率較高，受人為因素影響較小。

3.3.2 缺點

（1） 設備成本高，投入較大；

（2） 材質、尺寸、坡口參數不同，都需要重新制作AUT校準試塊；

（3） AUT系統校準時間較長。

4 鋼懸鏈立管環焊縫無損檢驗方法的適用性

陵水17-2氣田群開發工程項目中每一條鋼懸鏈立管管線的尺寸規格一致，海上鋪設施工采用鋪管作業船。焊縫材料檢驗、坡口加工、組對焊接、外觀檢驗、無損檢驗、節點防腐等工作在鋪管船上依次進行流水線作業，各工種固定站點同時施工。由于施工船舶作業空間有限，焊接方法采用效率較高的的自動焊。結合射線檢驗、常規超聲檢驗和相控陣超聲波檢驗三種方法的原理和技術特點，對比分析了其在鋼懸鏈立管環焊縫焊接中的適用性，如表1所示。

表1 射線檢驗常規超聲檢驗和相控陣超聲檢驗的原理和技術對比

5 結論

鋼懸鏈立管受到循環載荷作用，因此鋼懸鏈立管的焊縫質量要求十分嚴格，必須對焊縫內缺陷的位置和尺寸進行準確判斷，包括深度、高度和長度等。本文結合鋼懸鏈立管鋪設特點，對常用的無損檢驗方法原理及優缺點進行了對比。結果顯示， AUT技術無輻射危害，可交叉作業；可實現實時檢測，數據可記錄；自動掃查，檢測效率高，受人為因素影響較小；缺陷檢出率高，定位、定量準確；可反饋缺陷的詳細信息，可用于焊接工程師查找缺陷產生的原因，實現過程控制，有效降低返修率；耦合劑為水，成本低，無殘留物，不影響后續施工。綜合以上因素，采用全自動相控陣超聲波檢驗技術對鋼懸鏈立管環焊縫進行檢驗更為適宜。