海底管道環(huán)焊縫的相控陣超聲檢測(cè)

裴 彪，閆留青，甘志云，徐 振

(海洋石油工程股份有限公司 技術(shù)服務(wù)分公司， 天津 300452)

隨著國(guó)家海洋油氣開(kāi)發(fā)進(jìn)程的加快，海底油氣田油氣狀態(tài)的復(fù)雜性和特殊性不斷顯現(xiàn)。各種形式的海底管道也應(yīng)運(yùn)而生，包括雙層海底管道、單層海底管道、復(fù)合材料海底管道以及子母型海底管道等。對(duì)于子母型海底管道，母管管徑通常為6～12 inch(15.2428.48 cm)，子管管徑通常為2 inch (5.08 cm)，母管通常采用高效、環(huán)保的AUT方法進(jìn)行檢測(cè)，而2 inch子管受AUT工裝限制，無(wú)法使用該方法，通常只能采用檢測(cè)效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)高的射線檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

為提高子母型海底管道鋪設(shè)效率，運(yùn)用相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)方法對(duì)2 inch子管開(kāi)展工藝評(píng)定試驗(yàn)。試驗(yàn)中共加工了35個(gè)有人工缺陷的 焊縫(共計(jì)105個(gè)缺陷)，并運(yùn)用PAUT技術(shù)對(duì)缺陷焊縫進(jìn)行檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果評(píng)定，以評(píng)估該工藝對(duì)2 inch子管環(huán)焊縫各區(qū)域缺陷的檢出能力和高度定量精度。

1 PAUT技術(shù)原理

相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)技術(shù)是基于惠更斯原理，通過(guò)切換激發(fā)晶片或調(diào)整晶片激發(fā)延遲時(shí)間，實(shí)現(xiàn)超聲波聲束的動(dòng)態(tài)聚焦和偏轉(zhuǎn)，從而對(duì)待檢工件進(jìn)行多位置、多角度、多焦點(diǎn)、全覆蓋檢測(cè)的一種檢測(cè)方法[1]。其超聲波聚焦方式主要有以下幾種(見(jiàn)圖1)，常規(guī)PAUT焊縫檢測(cè)方式如圖2所示。

圖1 PAUT技術(shù)的聚焦方式示意

圖2 常規(guī)PAUT焊縫檢測(cè)方式示意

2 PAUT檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)

如圖3所示，2 inch子管壁厚為6.4 mm；坡口形式為V型。

圖3 2 inch子管焊縫結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)ISO 13588-2019標(biāo)準(zhǔn)(C級(jí)檢測(cè)等級(jí))要求，運(yùn)用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行焊縫檢測(cè)時(shí)，需對(duì)焊縫雙側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，且每側(cè)需采用2組聲束進(jìn)行掃查。

根據(jù)焊縫規(guī)格，采用1組(上游和下游各一個(gè))相控陣探頭同時(shí)檢測(cè)，每個(gè)相控陣探頭同時(shí)激發(fā)兩組扇形的掃查方式進(jìn)行掃查[2]，PAUT檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)及焊縫聲束覆蓋如圖4所示。

圖4 2 inch子管PAUT檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)及聲束覆蓋示意

3 工藝評(píng)定試驗(yàn)

3.1 試件準(zhǔn)備

根據(jù)PAUT檢驗(yàn)工藝評(píng)定[3]要求，制作了35個(gè)管徑為2 inch、壁厚為6.4 mm的人工缺陷焊縫，并在焊縫的各個(gè)分區(qū)(根部區(qū)域、填充區(qū)域、蓋面區(qū)域等)設(shè)計(jì)加工了105個(gè)高度為12.5 mm的人工缺陷，缺陷類型包括未焊透、側(cè)壁未熔合、層間未熔合、蓋面未熔合、密集氣孔等，詳細(xì)缺陷分布信息如表1所示(其中*表示只需檢出，無(wú)需精確定量)。

表1 人工缺陷分布信息

3.2 PAUT系統(tǒng)校準(zhǔn)

使用TCG(時(shí)間校正增益)試塊，分別對(duì)每個(gè)探頭的兩組聚焦法則進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)和TCG曲線制作。

第一組為常規(guī)相控陣通道，用10 mm 深，φ2.4 mm的SDH(側(cè)鉆孔)校準(zhǔn)系統(tǒng)基準(zhǔn)靈敏度；隨后依次用5, 10,15 mm 3個(gè)深度，φ2.4 mm的SDH制作TCG曲線。

第二組為根部聚焦通道，用5 mm 深，φ2.4 mm的SDH校準(zhǔn)系統(tǒng)基準(zhǔn)靈敏度；隨后依次用5, 10,15 mm 3個(gè)深度，φ2.4 mm的SDH制作TCG曲線。

PAUT檢測(cè)系統(tǒng)校準(zhǔn)示意如圖5所示。

圖5 PAUT檢測(cè)工藝校準(zhǔn)示意

3.3 PAUT檢測(cè)試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DNN-OS-F101-2013的PAUT檢測(cè)工藝要求，運(yùn)用已經(jīng)校準(zhǔn)完成的PAUT檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)35個(gè)管徑為2 inch,壁厚為6.4 mm的人工缺陷焊縫進(jìn)行掃查，并對(duì)相應(yīng)的掃查圖形進(jìn)行數(shù)據(jù)評(píng)定。

4 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

根據(jù)PAUT檢測(cè)數(shù)據(jù)，逐一進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并分別記錄缺陷的分析數(shù)據(jù)，部分缺陷數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 PAUT檢測(cè)部分缺陷數(shù)據(jù) mm

在進(jìn)行PAUT檢測(cè)能力和缺陷高度定量精度分析時(shí)，從105個(gè)缺陷中，選擇10處根部缺陷、10處填充缺陷、10處蓋面缺陷、1處密集氣孔、1處層間未熔合、1處夾銅(驗(yàn)證檢出)進(jìn)行最終宏觀切片，并將PAUT檢測(cè)結(jié)果和宏觀切片[4-5]結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，缺陷的高度定量偏差最大正公差為1.0 mm，最大負(fù)公差為-1.1 mm，平均值為-0.3 mm。

5 結(jié)論

針對(duì)子母型海管中子管環(huán)焊縫規(guī)格和坡口形式，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的PAUT檢測(cè)工藝，通過(guò)綜合運(yùn)用1組(2個(gè))相控陣探頭，每個(gè)探頭激發(fā)兩組扇形掃查聚焦法則(共4組聚焦法則)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)子管環(huán)焊縫的全覆蓋。根據(jù)子管環(huán)焊縫的焊接工藝以及易產(chǎn)生的缺陷類型，設(shè)計(jì)加工了35個(gè)子管缺陷焊縫(共105個(gè)人工缺陷)，缺陷高度為12.5 mm，并運(yùn)用PAUT檢測(cè)工藝進(jìn)行檢測(cè)，開(kāi)展了工藝評(píng)定試驗(yàn)。

列舉了基于DNV-OS-F101-2013標(biāo)準(zhǔn)篩選的33個(gè)典型人工缺陷的PAUT檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)綜合評(píng)定、宏觀切片，并將PAUT檢測(cè)結(jié)果和宏觀切片數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，缺陷的高度定量偏差最大正公差為1.0 mm，最大負(fù)公差為-1.1 mm，平均值為-0.3 mm。由此可知，PAUT檢測(cè)工藝的缺陷檢出能力滿足試驗(yàn)要求，能夠應(yīng)用于2 inch子管環(huán)焊縫檢測(cè)，且較大在提升了子母型海底管線的鋪設(shè)效率。