襯里復合鋼管對接焊縫的自動超聲檢測

常 宇

(海洋石油工程股份有限公司, 天津 300452)

隨著AUT(自動超聲檢測)技術的發展，其在海底管線焊縫檢測中得到了越來越廣泛的應用。不銹鋼復合材料管線的內表面增強了一層不銹鋼材料，以增強管線的抗腐蝕性，其管端常采用堆焊方式進行焊接以保證檢測的可行性。焊縫填充材料與堆焊材料一致，通常為鎳基625不銹鋼，此類焊縫材料晶粒粗大，與碳鋼層存在清晰的界面，該界面會導致超聲發生反射，偏轉，折射及衰減，給超聲檢測帶來極大的困難。文章采用相控陣AUT技術對焊縫進行檢測，獲得了較好的檢測效果，達到了海底管線系統標準的要求，為工程應用提供了可靠的技術支撐。

1 襯里復合鋼管對接焊縫AUT檢測難點

典型的襯里復合材料對接焊縫如圖1所示。AUT檢測時，聲波在復合材料與碳鋼材料的界面處會產生反射、折射，由于焊縫內部晶粒粗大及存在各向異性，聲波散射嚴重，信噪比較低。另外，采用常規橫波檢測技術進行檢測時，聲束偏轉嚴重，定位偏差大，無法實施有效檢測。

圖1 典型的襯里復合鋼管對接焊縫

2 相控陣AUT檢測原理

2.1 相控陣基本原理

相控陣技術通過控制陣列中的每個晶片延時發射激勵脈沖，形成所需角度的聲束及焦距，從而實現對結構關鍵部位的檢測[1-2]。典型的聚焦聲場如圖2所示。

圖2 相控陣典型的聚焦聲場

相控陣探頭相當于一個較長的常規超聲探頭，其由許多小晶片組成，每個小晶片都可以獨立激發。典型相控陣線性陣列探頭結構如圖3所示。

圖3 典型的相控陣線性陣列探頭結構示意

2.2 分區法檢測原理

分區法檢測時，將焊縫聲波沿壁厚方向劃分為若干個分區，每個分區高度為1～3 mm，每個分區配置獨立的檢測波束，波束沿焊縫中心線對稱布置。典型分區法波束配置示意如圖4所示。檢測結果以帶狀圖方式顯示，典型帶狀圖如圖5所示[3-4]。

圖4 典型分區法波束配置示意

圖5 相控陣檢測典型帶狀圖顯示

3 相控陣AUT檢測工藝設置

檢測時應選擇合適的頻率，波束類型及探頭類型，以獲得良好的檢測靈敏度。試驗選用64/128(總通道數為128個，一次可激發64個)相控陣檢測系統，采用線性相控陣探頭，使用一次縱波檢測方式，對焊縫進行常規的分區法檢測，檢測結果以帶狀圖顯示。對上表面區域增加爬波檢測，將探頭沿著焊縫中心線對稱放置，以實現焊縫的檢測及缺陷的準確評定[5]。典型檢測波束路徑如圖6所示。

圖6 典型檢測波束路徑示意

4 檢測過程

4.1 缺陷制作

使用兩種規格(外徑為273 mm，壁厚為18.9 mm及外徑為219 mm,壁厚為14.1 mm)的管道制作缺陷，坡口形成為U型，堆焊層高度約為3 mm，母材材料為API 5L X65, 堆焊層及焊縫填充金屬材料為鎳基625，缺陷分別位于焊縫外表面填充區，熱焊區，根部及內部填充區域，缺陷高度為1～3 mm，長度為10～20 mm，類型為側壁未熔合、層間未熔及氣孔。缺陷高度分布如圖7所示。共制作330個焊接缺陷，選擇130個缺陷進行切片，同時每個位置缺陷數量大于30個，以滿足檢測能力評估的需求。

圖7 缺陷高度分布

4.2 數據記錄及評定

記錄檢測數據，包括缺陷的長度、高度、深度，選擇不同位置的缺陷進行宏觀切片(見圖8)，測定缺陷的實際尺寸。對比檢測數據與切片尺寸的偏差，使用統計學原理進行檢出率(POD)分析，檢出率分析結果如圖9所示，AUT檢測數據與宏觀切片數據對比如表1所示。

圖8 缺陷宏觀切片顯示

由表1可知，AUT檢測工藝可檢測出焊縫外表面填充區，熱焊區，根部及內部填充區域位置的缺陷。計算缺陷AUT測量尺寸與宏觀切片尺寸的偏差可得到，對于缺陷高度，蓋面區域的最大偏差為1 mm，熱焊區域的最大偏差為0.8 mm，填充區域的最大偏差為0.9 mm，根部區域的最大偏差為0.7 mm；對于缺陷深度，蓋面區域的最大偏差為2.2 mm，熱焊區域的最大偏差為1.9 mm，填充區域的最大偏差為2.7 mm，根部區域的最大偏差為1 mm。

表1 AUT檢測數據與宏觀切片數據對比

由圖9可知，襯里復合鋼管對接焊縫AUT檢測工藝在置信度為95%，檢出率為90%時，缺陷高度為0.9 mm，滿足海底管線系統標準的要求(-1～1 mm)。

圖9 檢出率分析結果

5 結語

對襯里復合鋼管對接焊縫進行AUT檢測并對比分析了其結果與宏觀切片結果，表明了AUT可檢測出焊縫不同位置的焊接缺陷，缺陷高度最大偏差為1 mm，缺陷深度最大偏差為2.7 mm，在置信度為95%，檢出率為90%條件下，缺陷高度為0.9 mm，滿足標準要求。