相控陣超聲波檢測在海底管道子母管中的應(yīng)用

左艷青 張勛 牟惟義 眭輝 宋旭光

摘 要：隨著海洋油氣資源的不斷開發(fā)，海底管道作為油氣傳輸?shù)闹匾M成部分，在海洋油氣工程設(shè)施中起著關(guān)鍵性的作用。子母管海管是不同于傳統(tǒng)單線海管的一種特殊方式，其中對子管的焊接質(zhì)量有很高的要求。相控陣超聲波檢測技術(shù)具有設(shè)備便攜、操作空間要求低、操作人員少、檢驗數(shù)據(jù)可數(shù)字化存儲、對裂紋和未熔合等高危害性線性缺陷更加敏感、檢出率更高等優(yōu)點，相比射線檢測技術(shù)更安全環(huán)保，效率更高，費用更低，所以相控陣超聲波檢測在海底管線的中應(yīng)用逐漸增多。

關(guān)鍵詞：海底管道;子母管;射線檢測;相控陣超聲波檢測

在海洋石油工程海底油氣管道中，由于傳輸介質(zhì)種類和壓力等級涉及多種形式，例如單層管、雙層管、子母管等多種形式。子母管有著特殊結(jié)構(gòu)形式和焊接工藝，常出現(xiàn)裂紋和未熔合、未焊透等缺陷，而此類缺陷大多數(shù)屬于面積性缺陷。因檢測工藝和操作空間受限、交叉作業(yè)、輻射防護等原因，射線檢測不適用于子母管海管中子管的檢測，因此在渤海區(qū)域首次采用相控陣超聲波檢測。相控超聲波檢測技術(shù)具有檢測速度快、檢測靈敏度高，無射線輻射等優(yōu)點，由此可以看出相控超聲波檢測技術(shù)的實際應(yīng)用具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1.相控陣超聲波檢測相關(guān)設(shè)備簡介

在子管進行相控超聲波檢測時，利用加拿大OLYMPUS公司的OMNISCAN MX II相控陣超聲波檢測儀系統(tǒng)、ESBeamtool軟件和Tomoview軟件。該系統(tǒng)主要是由數(shù)據(jù)采集和編碼器、掃查器以及數(shù)據(jù)評判計算機等多個部件相互組合而成。主要是利用MXU-2.0 R27英文版操作系統(tǒng)進行，并利用Tomoview軟件進行檢測數(shù)據(jù)的評判。軟件在經(jīng)過優(yōu)化配置之后，可以實現(xiàn)對結(jié)果進行記錄掃查，并且可對各類數(shù)據(jù)有效儲存。這種相控超聲波檢測設(shè)備在國內(nèi)外海洋鋼結(jié)構(gòu)組塊的工藝管線檢測中應(yīng)用廣泛，取得良好的應(yīng)用效果。

2.相控陣超聲波檢測的原理

相控陣超聲波檢測技術(shù)是區(qū)別于傳統(tǒng)的單晶片超聲檢測的特殊檢測形式。相控陣超聲波檢測是基于“惠更斯原理”，惠更斯原理的定義為：行進中的波陣面上的任一點都可以看作為新的次波源，因此，如果知道了任意時刻一個波陣面的位置，就可以繪出下一時刻波陣面的位置。波陣面是由很多晶片激發(fā)的小波陣面疊加而成，這是相控陣超聲波檢測的基礎(chǔ)。但事實上仍要考慮主波的波陣面，以便使用其他超聲波處理手段。相對于傳統(tǒng)的單晶片超聲檢測，常使用“壓縮波模式”的換能器，這些被極化的換能器晶片在施加一定的電壓后，會產(chǎn)生伸展。最為典型的是將電壓脈沖通過連接導(dǎo)線加載到晶片的任意一側(cè)。脈沖電壓持續(xù)時間短，當電壓達到最大值時會使晶片伸展，當電壓消失時，晶片恢復(fù)原位。整個晶片平面的擴張與回位造成周圍介質(zhì)的偏移，如此以來一個平面的波陣面便被觸發(fā)。

相控陣超聲波檢測所用探頭由多個晶片組成，應(yīng)用時按照一定的規(guī)則和時序?qū)μ筋^中的一組或者全部晶片進行激活（晶片的激活數(shù)量取決于相控陣儀器控制能力和檢測需要）每個激活晶片發(fā)出的超聲波為次波，次波相互干涉，形成所需的新的波陣面?zhèn)鞑ラ_去成為超聲波束對工件進行檢測。

對晶片進行激活時所遵循的規(guī)則（即進行何種方式的延時的觸發(fā)）稱之為聚焦法（focal law），不同的延時能發(fā)射出不同的超聲波束，使超聲波束具有相應(yīng)的波形。并且聚焦在不同的深度（根據(jù)干涉原理僅能在近場區(qū)范圍內(nèi)聚焦）。在一次掃查過程中，可以設(shè)置多組聚焦法則，也就是說可以設(shè)置多組波束進行掃查，提高掃查效率和保證掃查部位，這是相控陣超聲波檢測技術(shù)的一個顯著的優(yōu)點。

3.相控陣超聲波檢測技術(shù)在子母管中的應(yīng)用

3.1工藝設(shè)計

相控陣超聲波檢測工藝設(shè)計利用ESBeamtool軟件根據(jù)子管的管徑、壁厚、坡口形式模擬出結(jié)構(gòu)圖，然后根據(jù)檢測結(jié)構(gòu)形式，選擇探頭類型（頻率、尺寸，激發(fā)晶片等）、楔塊（與探頭匹配），模擬焊縫區(qū)域覆蓋情況，且須采用一次波保證檢測根部，二次波覆蓋上表面蓋帽區(qū)域，形成完整的檢驗工藝。此次子母管中子管的管徑為2英寸，壁厚為6.4mm，焊縫坡口角度為30°，根部間隙為2mm，根據(jù)子管的焊縫信息選用7.5CCEV35-16-A15的探頭和SA15的楔塊。利用ESBeamtool軟件設(shè)計子管相控陣超聲波檢測檢驗工藝模擬圖如下：

3.2 工藝驗證

根據(jù)子管的管線管徑、壁厚、坡口形式和焊接工藝容易出現(xiàn)缺陷類型、位置、方向等因素設(shè)計相控陣超聲波檢測工藝驗證試塊，在焊縫中部，內(nèi)外表面各設(shè)置標準允許的最小缺陷尺寸，利用調(diào)試好的工藝參數(shù)，掃查驗證試塊，驗證工藝的完整性。

3.3 現(xiàn)場應(yīng)用

子母管海管現(xiàn)場鋪設(shè)施工時，子管單獨于母管之外進行鋪設(shè)。子管相控陣超聲波檢測采用COBRA（手持式直管焊縫掃查器）對2寸6.04mm的對接環(huán)焊縫雙側(cè)進行數(shù)據(jù)采集，以防止漏檢現(xiàn)象?，F(xiàn)場利用水來作為耦合介質(zhì)，通過電動水泵來進行自動供水以保證耦合良好。檢測輔助人員操作COBRA在焊縫上采集完整的檢測數(shù)據(jù)，在電腦上利用Tomoview軟件根據(jù)相應(yīng)的檢驗標準進行數(shù)據(jù)評判，評判完成出具檢驗報告并報送業(yè)主方和第三方簽字確認。整個子管相控陣超聲波檢測流程大約5到7分鐘左右，如果利用常規(guī)射線檢驗將花費40分鐘左右的時間，相控陣超聲波檢測相比射線檢測檢測效率提升了8倍，大大縮短了子管的檢測時間;同時有效的避免了射線輻射危害，使母線6英寸/12英寸雙層海管的焊接也可以同時進行。整個子母管海管鋪設(shè)施工期間，相控陣超聲波檢測系統(tǒng)運行穩(wěn)定操作流暢，證明相控陣超聲波檢測在海底管道小徑管上的應(yīng)用取得不錯的成效。

4.結(jié)束語

綜上所述，在子母管海管進行檢測時，通過便攜式相控陣超聲波檢測小徑管檢測系統(tǒng)的成功應(yīng)用，不僅完善了海管檢測技術(shù)體系，還提升了小徑管的定量精度，對于推動國內(nèi)海底油氣管線的無損檢測和質(zhì)量保證具有重要意義，將為今后海底油氣管線提供一套可靠的檢測技術(shù)方案。

參考文獻：

[1] 鄭耀民 左艷青 衛(wèi)增光 李亞川.全自動相控陣超聲波檢測技術(shù)在提高海底管道檢驗質(zhì)量中的應(yīng)用分析 [J]. 大科技.2017.11

[2]相控陣培訓(xùn)手冊[J].北京歐寧航宇檢測技術(shù)有限公司.2010.01

（海洋石油工程股份有限公司? 天津? 300452）