鋼懸鏈線立管焊縫的自動超聲檢測

陳 亮，張?zhí)旖?，?員

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

鋼懸鏈線立管(SCR)是深海油氣開發(fā)半潛平臺的重要組成部分，由于其受力狀態(tài)特殊，所以需要嚴(yán)格控制焊縫質(zhì)量，目前自動超聲檢測(AUT)已成為此類管線的首選檢測方法。DNVGL-ST-F101-2017和API 1104-2008標(biāo)準(zhǔn)中的基于經(jīng)驗的焊接缺陷驗收標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足此類焊縫的檢測需求，需根據(jù)工程臨界分析(ECA)技術(shù)建立項目專用的焊縫缺陷驗收標(biāo)準(zhǔn)，要求AUT技術(shù)具有高定量精度，以滿足工程應(yīng)用的需要。筆者介紹了SCR焊縫質(zhì)量檢測技術(shù)，對缺陷的高度定量進(jìn)行了修正，提高了缺陷高度的定量精度。

1 檢測對象

鋼懸鏈線立管集海底管線與立管于一身，用來連接海底生產(chǎn)系統(tǒng)與油氣處理平臺，其分為常規(guī)海管區(qū)域、非關(guān)鍵區(qū)域和關(guān)鍵區(qū)域。SCR管線設(shè)計如圖1所示。

圖1 SCR管線設(shè)計示意

2 檢測方法

SCR管線在服役期間受到循環(huán)應(yīng)力的作用，但不允許對焊縫進(jìn)行任何返修作業(yè)，因此精確評定缺陷的尺寸至關(guān)重要。射線檢測不能測定缺陷的高度和深度，常規(guī)超聲檢測和相控陣檢測技術(shù)的高度定量精度不足，所以均不適用于此類管線的焊縫檢測。相控陣AUT既具有發(fā)現(xiàn)微小缺陷的能力，也能滿足高度定量精度的要求，可以用來檢測海底管線焊縫。

DNVGL-ST-F101-2017標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用分區(qū)法相控陣AUT對海底管線焊縫進(jìn)行檢測。管線采用ECA技術(shù)驗收，某SCR海底管線項目的典型ECA驗收標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 某海底管線項目的典型ECA驗收標(biāo)準(zhǔn) mm

3 AUT的原理

3.1 相控陣原理

相控陣技術(shù)分別對陣列中的每個晶片延時發(fā)射激勵脈沖，從而可創(chuàng)建不同的聲束角度及聚焦距離。一個分區(qū)的波束檢測如圖2所示，相控陣技術(shù)使用一組探頭就可覆蓋檢測焊縫區(qū)域。

圖2 一個分區(qū)的波束檢測示意

3.2 分區(qū)法AUT原理

分區(qū)法檢測技術(shù)依據(jù)焊縫的坡口形式設(shè)置焊縫根部、熱焊、填充及蓋面等分區(qū)，每個分區(qū)高度為13 mm，同時采用超聲衍射時差法(TOFD)及體積檢測通道，以提升不同類型缺陷的AUT檢測能力及定量精度。每個分區(qū)設(shè)置獨立的檢測波束，其以焊縫中心線對稱布置(波束設(shè)置見圖3)，并有效覆蓋焊縫中心，實現(xiàn)焊縫檢測區(qū)域的有效檢測，檢測結(jié)果以帶狀圖的方式顯示(見圖4)。

圖3 分區(qū)法波束設(shè)置示意

圖4 焊縫檢測結(jié)果的帶狀圖顯示

4 試驗方法

4.1 AUT檢測系統(tǒng)

使用PipeWIZARD-V4檢測系統(tǒng)，配置一組相控陣探頭，一組TOFD探頭，探頭對稱放置于焊縫兩側(cè)，掃查裝置安裝在固定式導(dǎo)軌上，通過PipeWIZARD系統(tǒng)軟件控制掃查器行走，實現(xiàn)焊縫的機(jī)械化掃查、數(shù)據(jù)實時顯示及評判。

4.2 檢測對象

檢測對象為X65碳鋼管，外徑為168 mm，壁厚為18.6 mm。采用自動熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)焊接工藝，通過調(diào)整焊接工藝參數(shù)制作了46個焊接缺陷，缺陷高度為0.5～2 mm，長度為5～15 mm，高度覆蓋驗收標(biāo)準(zhǔn)的最小值，長度接近驗收標(biāo)準(zhǔn)的極限值，驗證AUT對最小缺陷的檢測能力。焊縫缺陷的類型包括坡口未熔合、根部未熔合、內(nèi)部密集氣孔及層間未熔合等體積型缺陷。

4.3 缺陷高度定量方法及修正

每個通道設(shè)置獨立的反射體進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)，焊縫表面設(shè)置規(guī)格(長×寬)為1 mm×1 mm的槽，根部設(shè)置規(guī)格(長×寬)為1 mm×1 mm的槽，填充及熱焊區(qū)設(shè)置直徑為2 mm的平底孔，焊縫中心設(shè)置直徑為1.5 mm的平底孔[1]，所有反射體與坡口平行。每個通道的基準(zhǔn)波幅設(shè)置為滿屏高度的80%，填充區(qū)相鄰?fù)ǖ栏采w15%～50%的滿屏高度，典型AUT校準(zhǔn)試塊反射體布置如圖5所示。

圖5 典型AUT校準(zhǔn)試塊反射體布置示意

缺陷的高度采用波幅法評定[2]，缺陷高度與波幅成正比，設(shè)定波幅為80%滿屏高度對應(yīng)的尺寸為該通道反射體尺寸，波幅超過滿屏高度時，分區(qū)高度即是缺陷高度(波幅法定量數(shù)據(jù)如表2所示)。若TOFD通道有清晰顯示，且能區(qū)分上下尖端信號，則采用TOFD方法測定缺陷的高度。

表2 波幅法定量數(shù)據(jù) mm

AUT缺陷顯示分為單通道顯示和多通道顯示，缺陷D6的單通道AUT顯示如圖6所示，缺陷D7的多通道AUT顯示如圖7所示，對兩個缺陷的AUT數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)高度評定及波幅高度修正評定，通過金相檢驗測量缺陷的實際尺寸(見圖8，9)，將AUT結(jié)果與金相檢驗測量缺陷的實際尺寸進(jìn)行對比，驗證AUT數(shù)據(jù)修正后的評定精度。AUT修正前后數(shù)據(jù)與金相檢驗測量數(shù)據(jù)的對比如表3所示，由表3可知，修正后的AUT評定值更精確。

表3 AUT修正前后數(shù)據(jù)與金相檢驗測量數(shù)據(jù)對比

圖6 缺陷D6的單通道AUT顯示

圖7 缺陷D7的多通道AUT顯示

圖8 缺陷D6的金相檢驗顯示

圖9 缺陷D7的金相檢驗顯示

4.4 數(shù)據(jù)分析

對制作的焊縫缺陷進(jìn)行AUT檢測，一一記錄46個缺陷的最高顯示波幅及顯示通道，通過采用波幅法及修正方法進(jìn)行缺陷高度的尺寸評定，對所有評定的缺陷進(jìn)行金相檢驗，測定缺陷的實際尺寸。通過將AUT結(jié)果與金相檢驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了修正后的AUT評定方法的準(zhǔn)確性，焊縫的AUT結(jié)果與金相檢驗結(jié)果如表4所示。

表4 焊縫的AUT結(jié)果與金相檢驗結(jié)果 mm