海底管線AUT分區(qū)法缺陷高度定量測(cè)量修正方法

陳 亮，孫曉明，尤衛(wèi)宏，張俊杰，吳 員，裴 彪，馬仕偉，張衛(wèi)東

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

海底管線是海洋油氣集輸與儲(chǔ)運(yùn)的一個(gè)重要組成部分。海底管線所處環(huán)境惡劣，其損傷和缺陷的存在會(huì)在很大程度上降低管線的承載能力，縮短管線的使用壽命，一旦管線破裂將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。因此，提高海底管線缺陷檢測(cè)和安全評(píng)估的準(zhǔn)確性對(duì)促進(jìn)海洋石油安全開發(fā)、預(yù)防海洋環(huán)境污染有著十分重要的意義。

全自動(dòng)相控陣超聲波（AUT）檢測(cè)系統(tǒng)自2002年首次應(yīng)用于國(guó)內(nèi)海底管線鋪設(shè)檢驗(yàn)以來，其高效、環(huán)保、自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)得到充分的發(fā)揮。近年來，全自動(dòng)焊接技術(shù)在海底管線鋪設(shè)以及ECA（Engineering Criteria Assessment）驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)在工程上得到了廣泛應(yīng)用，由于ECA驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是通過試驗(yàn)確定的缺陷高度與長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即不同的缺陷高度具有不同的合格長(zhǎng)度，要求全自動(dòng)超聲波定量測(cè)量精度高，可充分發(fā)揮ECA驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)。筆者通過將人工缺陷的分區(qū)法高度定量與實(shí)際尺寸進(jìn)行分析比較，總結(jié)出分區(qū)法高度定量修正方法，并通過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證分區(qū)法高度定量修正方法的正確性及可靠性，由此可有效提高分區(qū)法定量的精度，降低缺陷放大帶來的不必要的返修，提高工程質(zhì)量及現(xiàn)場(chǎng)施工效率。

1 基本原理

1.1 相控陣超聲波檢測(cè)基本原理

與傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)［4］不同，相控陣超聲波檢測(cè)系統(tǒng)采用多聲束掃描成像技術(shù)，超聲波檢測(cè)探頭是由多個(gè)晶片組成的換能器陣列，陣列單元在激發(fā)電路激勵(lì)下以可控的相位激發(fā)出超聲波，并使超聲波聲束在確定的聲場(chǎng)處聚焦，其基本原理如圖1所示。聲場(chǎng)控制通過在發(fā)射脈沖和接收信號(hào)的過程中引入相位控制來實(shí)現(xiàn)。

圖1 相控陣超聲波檢測(cè)基本原理

1.2 分區(qū)法

分區(qū)法，即根據(jù)檢測(cè)焊縫壁厚、坡口形式將焊縫分成幾個(gè)垂直的分區(qū)（如圖2）。每個(gè)分區(qū)的高度一般為1～3mm，每個(gè)分區(qū)都由一組獨(dú)立的晶片進(jìn)行掃查（這種分區(qū)的掃查被稱為A掃）。每個(gè)分區(qū)以焊縫中心線為界，分為上游、下游兩個(gè)通道，其檢測(cè)結(jié)果在帶狀圖上以相對(duì)應(yīng)的通道顯示出。目前，國(guó)內(nèi)海底管線使用全自動(dòng)相控陣超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的缺陷高度定量測(cè)量采用分區(qū)法。對(duì)于超過閾值顯示的通道，高度定量測(cè)量采用分區(qū)高度的累加作為缺陷的高度，在以往的工程項(xiàng)目中，發(fā)現(xiàn)實(shí)際缺陷高度小于分區(qū)法缺陷定量測(cè)量高度，兩者之間存在較大誤差，從而會(huì)降低缺陷的合格長(zhǎng)度，增加高度定量測(cè)量誤差帶來的不必要的焊縫返修。

圖2 焊縫分區(qū)

2 缺陷高度定量測(cè)量修正方法

2.1 設(shè)備

AUT系統(tǒng)采用PipeWIZARD V2系統(tǒng)，包括工業(yè)計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)采集單元，馬達(dá)控制單元、掃查器、水泵、獨(dú)立相控陣探頭、TOFD探頭等組件。

2.2 人工缺陷試樣

制作了兩組人工缺陷焊縫，第一組規(guī)格為168.3mm×15.9mm的J型及規(guī)格為168.3mm×12.7mm的V型各2個(gè)人工缺陷焊縫，缺陷高度為1mm和2mm的對(duì)比焊縫，每個(gè)焊縫包括5個(gè)缺陷；第二組制作了49個(gè)168.3mm×15.9mm的J型及39個(gè)168.3mm×12.7mm的V型人工缺陷焊縫，缺陷設(shè)計(jì)高度為0.5～2.5mm的試驗(yàn)焊縫，深度覆蓋整個(gè)壁厚。缺陷類型包括根部未焊透、根部及填充過度區(qū)域未熔合、填充區(qū)側(cè)壁未熔合、焊縫余高區(qū)側(cè)壁未熔合、層間未熔合和密集氣孔等缺陷。

2.3 試驗(yàn)方法

①用AUT設(shè)備對(duì)第一組人工缺陷試樣進(jìn)行掃查，評(píng)定。②將第一組AUT掃查所顯示的缺陷進(jìn)行切片。③將AUT掃查缺陷定量尺寸與缺陷實(shí)際尺寸進(jìn)行對(duì)比，確定AUT高度評(píng)定修正方法。④對(duì)第二組數(shù)據(jù)進(jìn)行掃查，并用修正后的評(píng)定方法進(jìn)行數(shù)據(jù)評(píng)定。⑤將第二組AUT評(píng)定的缺陷進(jìn)行切片。⑥通過對(duì)AUT定量尺寸與切片尺寸進(jìn)行對(duì)比，評(píng)定修正方法的準(zhǔn)確性。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 AUT定量圖像及宏觀圖像顯示

AUT定量采用的圖像采用帶狀圖（見圖3），B掃描圖（見圖4）及TOFD（見圖5）綜合評(píng)定。宏觀圖像（見圖6）采用切片，經(jīng)過酸蝕，烘干，拍照（x5倍），測(cè)量缺陷尺寸。

圖3 帶狀圖

圖4 B掃描圖

3.2 AUT定量與宏觀切片數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)第一組人工缺陷焊縫AUT掃查數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)定，AUT定量采用傳統(tǒng)分區(qū)高度法進(jìn)行測(cè)量，將AUT評(píng)定數(shù)據(jù)與宏觀切片數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)AUT數(shù)據(jù)高度定量進(jìn)行修正。對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示，表格中無數(shù)據(jù)的表示無顯示。

圖5 TOFD顯示

圖6 宏觀分析圖像

由表1可見，AUT采用分區(qū)法進(jìn)行高度定量缺陷尺寸，根焊區(qū)與實(shí)際尺寸較吻合，填充區(qū)顯示出明顯的放大，尤其對(duì)于多個(gè)區(qū)顯示的缺陷，放大最多達(dá)6.7倍，而TOFD顯示出了較高的定量測(cè)量精度。

3.3 分區(qū)法高度定量修正

結(jié)合AUT分區(qū)掃查的特點(diǎn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在進(jìn)行AUT高度定量時(shí)，充分利用不同顯示的優(yōu)勢(shì)，對(duì)不同顯示類型的缺陷進(jìn)行綜合評(píng)定，同時(shí)考慮到缺陷顯示信號(hào)在閘門中的位置，相鄰?fù)ǖ赖挠行Ц采w以及波幅影響，從而確定AUT分區(qū)法高度定量修正方法如下：

（1）針對(duì)不同分區(qū)，建立波幅與缺陷高度修正表格（見表2），同時(shí)應(yīng)充分考慮相鄰?fù)ǖ啦ǚ挠行Ц采w，其中反射體高度在每個(gè)通道依次分別為1，2，2.4，2.78，2.78，2.78，2.78，1mm。

（2）對(duì)于根部缺陷，要充分考慮缺陷出現(xiàn)的時(shí)間遲早進(jìn)行定量。

（3）對(duì)于內(nèi)部缺陷TOFD顯示具有明顯相位變化的缺陷，利用TOFD進(jìn)行高度定量。

表1 AUT分區(qū)法缺陷定量測(cè)量與宏觀切片數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 缺陷顯示波幅與當(dāng)量值對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.4 修正后進(jìn)行AUT定量精度驗(yàn)證

制作125個(gè)缺陷，缺陷位置及類型分別是上表面未熔合缺陷30個(gè)，根部未熔合未焊透缺陷30個(gè)，熱焊區(qū)未熔合缺陷30個(gè)，填充區(qū)未熔合缺陷30個(gè)，層間未熔合缺陷3個(gè)，上表面氣孔缺陷2個(gè)。通過高度定量修正對(duì)缺陷進(jìn)行宏觀切片（不同位置缺陷的AUT帶狀圖，TOFD方法與切片評(píng)定的缺陷高度對(duì)比見表3），通過對(duì)AUT定量高度與缺陷切片實(shí)際高度進(jìn)行對(duì)比（HAUT－HMS），最大正偏差為0.8mm，最大負(fù)偏差為0.7mm，缺陷標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.323mm，見圖7。

表3 AUT帶狀圖，TOFD方法與宏觀切片方法評(píng)定的缺陷高度測(cè)量對(duì)比mm

由表3的數(shù)據(jù)得知，在根部和蓋面區(qū)域，AUT帶狀圖對(duì)缺陷的高度定量明顯優(yōu)于TOFD檢測(cè)方法；在填充區(qū)域且具有明顯相位變化的TOFD顯示，缺陷高度定量誤差為0.2mm，AUT帶狀圖的缺陷高度定量誤差為1.3mm。對(duì)于根部及表面區(qū)域，利用帶狀圖波幅定量具有較高的定量精度，而對(duì)于埋藏類缺陷，利用TOFD進(jìn)行高度定量具有更高的精度。

圖7 AUT測(cè)高與缺陷實(shí)際高度的標(biāo)準(zhǔn)偏差（STDEV）

4 結(jié)論

經(jīng)過試驗(yàn)結(jié)果分析，采用修正后的高度定量方法，使得AUT定量測(cè)量精度更加精確，對(duì)于具有明顯相位變化的缺陷，采用TOFD定量具有較高精度，而對(duì)于利用波幅進(jìn)行定量的缺陷充分考慮相鄰?fù)ǖ赖挠行Ц采w及信號(hào)時(shí)間進(jìn)行綜合評(píng)定。

通過對(duì)AUT分區(qū)法高度定量進(jìn)行修正，可有效提高缺陷評(píng)定精度，更好發(fā)揮ECA驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)在海底管線鋪設(shè)過程中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，降低因缺陷放大造成的焊縫返修，提高鋪管效率，節(jié)約成本投入。

［1］DNV－OS－F101海底管線系統(tǒng)［S］，2012.

［2］黃晶.超聲相控陣?yán)碚摷捌湓诤Ｑ笃脚_(tái)結(jié)構(gòu)焊縫缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2005.

［3］Saipem，Automated ultrasonic testing of pipeline［J］.Girth Welds，2001，9.

［4］美國(guó)無損檢測(cè)學(xué)會(huì)編.美國(guó)無損檢測(cè)手冊(cè)［M］.美國(guó)無損檢測(cè)手冊(cè)譯審委員會(huì)譯.上海：世界圖書出版公司，1994.