自升式海洋平臺關鍵部位MMM與ACFM聯(lián)合檢測

冷建成，田洪旭，周國強，吳澤民

(東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318)

自升式海洋平臺關鍵部位MMM與ACFM聯(lián)合檢測

冷建成，田洪旭，周國強，吳澤民

(東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318)

針對傳統(tǒng)無損檢測方法對自升式海洋平臺檢測工作量大、費時費力等問題，提出了一種金屬磁記憶(MMM)與交流電磁場(ACFM)聯(lián)合檢測的新方法。在簡介MMM和ACFM檢測機理之后，將其應用到自升式海洋平臺關鍵部位的無損檢測中。分別以齒條座板與樁腿之間的T型焊縫和樁腿環(huán)焊縫為例，首先通過MMM快速全面掃描待檢測表面，基于磁場分布及梯度值確定應力集中部位；在此基礎上，利用ACFM方法重點對應力集中部位進行裂紋缺陷的定量化檢測，結果表明MMM對應力集中或微觀缺陷非常敏感，而ACFM方法可精確給出裂紋缺陷的深度信息，為平臺結構的安全可靠運行和維修方案制定提供了方法參考和理論依據。

自升式海洋平臺；金屬磁記憶；交流電磁場；無損檢測

Abstract: In view of the inconvenience such as heavy workload, time-consuming and laborious damage detection on jack-up offshore platform using traditional nondestructive testing methods, a new approach combining metal magnetic memory(MMM) and alternating current field measurement(ACFM) is proposed. After the detection mechanisms of MMM and ACFM were introduced, they were both applied to detect critical parts of the jack-up offshore platform nondestructively. By taking the T-type weld between rack seat plate and leg and the girth welding seam as examples, the pending surfaces were first detected quickly using MMM method, and the stress concentration zones were determined by virtue of magnetic field distributions and their gradient values. On this basis, the quantitative detection of cracks in the stress concentration zones was carried out using ACFM method emphatically. The results show that MMM method is very sensitive to stress concentration or microscopic defects, whilst ACFM method can give the depth of crack accurately, providing an approach reference and theoretical basis for safe operation and maintenance plan of platform structure.

Keywords: jack-up offshore platform; metal magnetic memory; alternating current field measurement; nondestructive testing

隨著國家對海洋石油勘探開發(fā)支持力度的加大，油氣開采作業(yè)所面臨的環(huán)境也更加惡劣；而隨著服役年限的增加，越來越多的自升式平臺已臨近甚至超過其設計服役壽命，平臺結構可能會產生裂紋、變形以及腐蝕等缺陷，這些損傷會降低平臺結構的承載能力，其可靠性和耐久性受到嚴峻挑戰(zhàn)。為了保障平臺正常安全作業(yè)，就需對其進行結構無損檢測甚至健康監(jiān)測。

目前，對海洋平臺進行損傷檢測流行的做法是借助振動檢測技術來識別平臺結構的固有特性參數(shù)變化，如Viero P F等基于模態(tài)特性參數(shù)研究了導管架平臺的損傷檢測方法[1]，張兆德等提出利用頻率相對變化量和振型的相對變化來對平臺進行損傷檢測[2]，但有研究表明振動檢測對早期的裂紋缺陷并不敏感[3]；為此，Li D S等提出對平臺結構的頻響函數(shù)與加速度響應進行小波變換來預測小損傷是否存在[4]?？傮w來說上述方法主要偏向于理論探討或室內研究，工程上還是主要采用局部無損檢測方法，如超聲相控陣檢測成像技術已成功應用于海洋平臺結構環(huán)焊縫[5]及結構管節(jié)點焊縫[6]的無損檢測，基于遠場渦流效應的遠場渦流檢測對在役海洋平臺工藝管線檢測具有技術優(yōu)勢[7]。李瀟等提出了一種基于聲發(fā)射信號模糊函數(shù)綜合相關系數(shù)的損傷識別方法來檢測海洋平臺服役過程中可能出現(xiàn)的裂紋、腐蝕、撞擊和摩擦等缺陷[8]；曹宇光等利用高精度紅外熱像儀捕捉齒輪齒條嚙合過程中的溫度場分布，為自升式平臺升降系統(tǒng)的齒輪齒條無損檢測提供了一種新思路[9]；英國于20世紀90年代提出了一種專門用于檢測穿透型裂紋或其它使水滲到構件內部缺陷的進水構件測試法(FMD)，廣泛應用到北海等海域的平臺檢測[10]。

綜上可見，傳統(tǒng)的無損檢測技術，包括磁粉檢測(MT)、超聲檢測(UT)、渦流檢測(ET)等必須去除防腐層，成本較高，且只能用于檢測宏觀缺陷。近年來，金屬磁記憶(MMM)[11]、交流電磁場(ACFM)[12]等新技術因良好的適應性正逐漸得到廣泛的工程應用。本文的目的就是首先在不需要任何預處理的前提下，基于MMM技術對自升式平臺關鍵構件進行快速掃描診斷，確定應力集中區(qū)域的位置及程度；在此基礎上，利用ACFM技術對重點區(qū)域進行檢測，尤其是確定裂紋缺陷的長度和深度定量化信息，為確保平臺上人員、財產的安全提供一套完整的局部損傷檢測方案。

1 MMM與ACFM檢測機理

被譽為21世紀綠色無損檢測新技術的MMM方法是基于地磁場和工作載荷作用下的力磁效應機理，通過檢測鐵磁構件在制造或焊接過程中自然形成的固有漏磁場分布，借助磁記憶切向和法向信號及其梯度分布特征，即在缺陷和應力集中部位，漏磁場的水平分量Hx具有最大值，法向分量Hy改變符號且過零點，如圖1所示，進而無損評估結構不均勻性、殘余應力分布和焊接缺陷等。

綜合了交流電壓降(ACPD)和ET兩種方法優(yōu)點的ACFM方法是基于電磁感應原理，通過感應探頭測量被測工件表面兩個相互正交的磁場變化量來判斷是否存在裂紋，如圖2所示：當工件表面存在裂紋等缺陷時，平行于工件表面和裂紋走向的磁感應強度Bx出現(xiàn)下凹，其極小值對應裂紋的深度；而垂直于工件表面的磁感應強度Bz產生波峰波谷畸變，其正負峰值區(qū)間對應裂紋的長度。

圖1 金屬磁記憶檢測原理Fig. 1 Testing principle of metal magnetic memory

圖2 ACFM檢測原理Fig. 2 Testing principle of alternating current field measurement

與常規(guī)的無損檢測方法相比，MMM檢測由于不需要專門的磁化設備、對被檢工件表面不需要清理、檢測結果重復性好等優(yōu)點而在早期損傷檢測方面引起廣泛關注，ACFM檢測具有非接觸測量而無須去除表面涂層、理論數(shù)學模型精確而無須標定、裂紋缺陷的定性定量檢測可一次性完成等諸多優(yōu)點。

2 自升式海洋平臺關鍵部位檢測方案

2.1檢測部位

某自升式海洋平臺主要由平臺主體、3根圓柱形樁腿和齒輪齒條式升降系統(tǒng)組成，總長75 m，總寬49.8 m。該自升式平臺位于渤海灣淺海區(qū)域，作業(yè)水深為5～40 m，目前已服役6年。

針對自升式平臺結構特征并結合現(xiàn)場檢測條件，在參考中國船級社指導性文件《海上移動平臺入級規(guī)范》、室內有限分析結果及相關文獻[11]的基礎上，確定了以下無損檢測部位：樁腿焊縫，升降裝置及其控制系統(tǒng)包括鎖緊裝置，救生艇基座，井架底座主要連接焊縫，吊耳連接焊縫，直升機支撐桁架連接焊縫，吊機底座環(huán)形焊縫、豎焊縫及與甲板連接焊縫，吊機臂主要連接焊縫，甲板與各設備之間的連接焊縫，以及結構和設備底座關鍵部位等，其中樁腿要求100%無損探傷，包括樁腿環(huán)形焊縫、角焊縫、對接焊縫和垂直焊縫；升降裝置要求100%無損探傷，包括角焊縫、對接焊縫及多焊縫集中部位。

2.2檢測方案

由于平臺結構龐大，所需檢測部位復雜且工作量大，為此首先采用MMM方法對所有待檢部位進行快速掃描，確定應力集中所在區(qū)域；然后對出現(xiàn)應力集中的重點部位再利用ACFM方法進行確診，并對缺陷進行定量化評估，為平臺局部損傷的現(xiàn)場快速檢測提供有價值的參考。

3 檢測設備及方法

3.1檢測儀器及探頭

對于MMM檢測，選用TSC-2M-8應力集中磁檢測儀。適用于平臺局部損傷檢測的探頭主要有2M型和1-8M型傳感器，二者均可同時檢測磁場的法向分量和切向分量，其中前者有兩個磁探測傳感器和單輪式長度計數(shù)器，借助它實際上可檢測所有物體；后者設計成四輪小車形狀，有四個磁探測傳感器和長度計數(shù)器。

對于ACFM檢測，選用AMIGO金屬裂紋檢測儀；探頭選用256標準焊縫探頭和250小型筆型探頭。

3.2檢測方法

MMM檢測時參照標準GB/T 26641-2011《無損檢測 磁記憶檢測 總則》和GB/T 12604.10-2011《無損檢測 術語 磁記憶檢測》執(zhí)行，對于幾何尺寸較大的構件或焊縫寬度大于10 mm時，適于采用1-8M探頭；對于復雜形狀的物體或角焊縫進行檢測時，宜采用2M型探頭。

ACFM檢測時參照標準ASTM E2261/E2261M-12 《Standard Practice for Examination of Welds Using the Alternating Current Field Measurement Technique》執(zhí)行，大多數(shù)情況下盡量采用256標準焊縫探頭，僅在對難以接近的位置進行檢測時選用250小型筆型探頭。

4 MMM檢測結果分析與ACFM可靠性驗證

毋容置疑，樁腿和升降裝置是自升式海洋平臺的關鍵部件，對整個平臺及其作業(yè)安全起著至關重要的作用。這里分別以齒條座板與樁腿之間的T型焊縫和樁腿環(huán)焊縫為例重點探討試驗結果及其分析方法。

4.1齒條座板與樁腿之間的T型焊縫檢測結果分析

平臺每個樁腿與齒條之間是通過齒條座板過渡焊接，焊縫寬度約為35 mm，采用1-8M型探頭對齒條座板與樁腿之間的T型焊縫進行檢測，需要注意的是為了便于檢測需要調節(jié)中間兩個探頭的距離和角度。為清晰起見，僅顯示1#傳感器磁場分布及相應的梯度值，如圖3所示。

圖3 1#傳感器的磁場分布Fig. 3 Magnetic field distributions of No.1 sensor

圖4 十字型接頭所在的應力集中區(qū)Fig. 4 Stress concentration zone corresponding to cross joint

可見，在探頭掃描行走580 mm位置時，磁場切向和法向分量分別出現(xiàn)明顯的畸變特征，相應的最大磁場梯度值達到15A/m/mm，表明所在區(qū)域為焊接的應力-變形狀態(tài)高度不均勻區(qū)。后用ACFM方法進行校驗，并未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋缺陷指示，表明所發(fā)現(xiàn)缺陷僅為應力集中。

仔細分析其原因，發(fā)現(xiàn)應力集中區(qū)所在位置正好為樁腿環(huán)向焊縫與齒條座板縱向焊縫的交叉處，如圖4所示，而十字型接頭在焊接過程中由于焊槽和邊緣局部高溫很容易在其周圍過渡區(qū)形成應力集中，但這些焊接接頭在外力作用下尚未發(fā)展為明顯的宏觀缺陷。

4.2樁腿環(huán)焊縫檢測結果分析

平臺3#樁腿環(huán)焊縫寬度約30 mm，采用1-8M型掃描裝置，四個傳感器等間距安置，分別用于掃描焊縫及兩邊的熱影響區(qū)，測得磁記憶檢測數(shù)據的切向分量和法向分量如圖5所示。

由圖5可知，當探頭掃描行走100、320及800 mm位置附近時，磁場切向和法向分量分別出現(xiàn)對應的畸變特征。為了更清楚地找到應力集中區(qū)域所在位置，重點突出下焊腳處即4#傳感器的磁場分布及相應的梯度值，如圖6所示。

圖5 四通道磁記憶檢測信號Fig. 5 Four channel magnetic memory signals

圖6 4#傳感器的磁場分布及相應的梯度值Fig. 6 Magnetic field distributions of No.4 sensor

由圖6可以看出，4#傳感器所檢測的切向分量出現(xiàn)3處明顯的波峰，而法向分量對應位置出現(xiàn)明顯的波峰-波谷畸變；相應的磁場梯度也超過紅色虛線所指示的預先設定的梯度閾值，最大梯度值為12.875A/m/mm，表明所在區(qū)域為應力集中的危險區(qū)域。

為了進一步驗證MMM信號的正確性，利用ACFM檢測系統(tǒng)對相同路徑進行了掃描，檢測信號如圖7所示，發(fā)現(xiàn)Bx信號有3處產生突降，而Bz信號在相對應的位置出現(xiàn)先波谷后波峰特征，同時右邊區(qū)域的蝶形圖顯示有3個明顯的閉合環(huán)，進而可以判斷存在3處疑似裂紋缺陷。

CCS在《海上自升式鉆井平臺樁腿裂紋檢驗與修復指南》文件中指出，樁腿裂紋的檢驗包括檢查樁腿有無裂紋以及測量裂紋長度和深度兩個方面的內容。為此，基于半橢圓形裂紋假設的ACFM理論模型經反演計算，得到最大裂紋長度為13 mm、深度為2.9 mm，如圖8所示。

圖7 ACFM檢測裂紋缺陷指示信號Fig. 7 ACFM detection crack defect indication signal

圖8 ACFM裂紋尺寸計算Fig. 8 ACFM crack size calculation

5 結 語

1) 針對海洋平臺檢測部位復雜、工作量大等難題，提出了先利用金屬磁記憶方法對所有局部待檢部位進行全面普查、再利用交流電磁場方法重點對應力集中部位進行裂紋缺陷定量化檢測的一種新方法，為平臺損傷的現(xiàn)場檢測與實施提供了新思路和解決方案。

2) 工程實例檢測結果表明，金屬磁記憶方法對鐵磁構件的早期損傷或焊接質量，如應力集中或微觀缺陷所引起的磁場變化非常敏感，驗證了金屬磁記憶方法適用于自升式海洋平臺關鍵部位定位檢測的可行性，為后續(xù)其它無損檢測方法的測點布置提供了參考依據。

3) 通過對自升式平臺樁腿環(huán)焊縫應力集中位置的交流電磁場檢測，實現(xiàn)了裂紋缺陷的定量化評價，尤其是深度測量信息，為平臺結構的修復加固和檢驗計劃可提供指導性建議。

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Joint detection of MMM and ACFM on critical parts of jack-up offshore platform

LENG Jiancheng, TIAN Hongxu, ZHOU Guoqiang, WU Zemin

(School of Mechanical Science and Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

1005-9865(2017)02-0034-05

P751; TG115.28; U674.38

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.02.006

2015-12-22

國家自然科學基金資助項目(11472076, 11272084)；中國石油天然氣集團公司“十三五”資助項目(2016A-1007)；中國博士后科學基金資助項目(2015M581426)

冷建成(1977-)，男，河南信陽人，教授，主要從事無損檢測、結構健康監(jiān)測及損傷診斷研究。E-mail: lbyljc@163.com