基于CIVA仿真的FPSO船體管道相控陣超聲檢測

張子健,胡 健，鐘軍平，楊 福，陳旭杰，錢盛杰

(1.寧波市勞動安全技術(shù)服務(wù)有限公司,寧波 315048;2.寧波市特種設(shè)備檢驗研究院,寧波 315048)

FPSO (浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置) 是海洋油氣開采系統(tǒng)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于海上的油氣田開發(fā)，其可將采集得到的原油存儲在艙內(nèi)，再經(jīng)過加工處理后通過卸載系統(tǒng)輸往穿梭油輪[1]。FPSO通常由油氣處理系統(tǒng)、船體系統(tǒng)、儲油與外輸系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)、海底系統(tǒng)、卸載系統(tǒng)、供電供熱系統(tǒng)、生產(chǎn)指揮系統(tǒng)和生活基地等8大部分組成，壓力管道數(shù)量眾多，據(jù)統(tǒng)計每艘FPSO中包含的焊縫約有1700條，其中涉及彎頭的焊縫約占一半。由于服役于惡劣的海洋環(huán)境，且受力復(fù)雜，F(xiàn)PSO船體管道制造環(huán)節(jié)的質(zhì)量把控極為嚴格[2]。FPSO水下管體材料為2205雙相不銹鋼，相比于304和316L，該材料具有更加優(yōu)秀的耐點蝕和耐氯離子應(yīng)力腐蝕開裂性能[3]。厚壁2205雙相不銹鋼彎頭焊縫的相控陣超聲檢測目前還存在以下問題亟待解決，如厚壁材料導(dǎo)致的聲波衰減、各向異性焊縫導(dǎo)致的聲束偏移畸變和散射、晶粒粗大導(dǎo)致的噪聲過大、無法實現(xiàn)雙面雙側(cè)全覆蓋檢測等問題[4-7]。采用無損檢測專業(yè)仿真軟件CIVA 2017超聲模塊，建立了厚壁不銹鋼各向異性對接焊縫模型，運用基于雙矩陣(DMA)探頭的超聲相控陣檢測工藝進行了聲場模擬和缺陷響應(yīng)計算，應(yīng)業(yè)主方要求，加工了基于國際標準ISO 13588-2019 《焊縫無損檢驗 超聲檢測 自動相控陣技術(shù)的使用》 中的對比試塊，采用CIVA仿真得到的相控陣工藝進行了檢測驗證，然后對現(xiàn)場FPSO管道彎頭焊縫進行了檢測。研究內(nèi)容在一定程度上解決了FPSO管道厚壁2205雙相不銹鋼彎頭焊縫的檢測難題，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

1 CIVA仿真計算

1.1 各向異性焊縫建模

不銹鋼焊縫相控陣超聲檢測的主要難點在于焊縫的各向異性對聲波傳輸存在較大影響，NB/T 47013.15-2021 《承壓設(shè)備無損檢測 第15部分：相控陣超聲檢測》 單獨將奧氏體不銹鋼對接接頭的檢測技術(shù)在附錄I中列出，其在探頭選擇、對比試塊、聚焦法則、靈敏度設(shè)置等方面都和碳鋼檢測存在較大差別[8]。因此在CIVA超聲仿真時，焊縫模型必須考慮不銹鋼的各向異性特征。目前國內(nèi)外學者主要是通過建立各向異性焊縫的物理模型，對各向異性焊縫對相控陣超聲檢測結(jié)果的影響進行研究，這些模型主要有以下3種：Silk模型，Ogilvy模型和MINA模型[8]。Silk模型的建模思路是將晶粒取向相近的部分視為一個均勻區(qū)域，并將整個焊縫劃分為多個均勻的各向異性區(qū)域；Ogilvy模型通過復(fù)雜數(shù)學函數(shù)表達式進行建模；MINA模型需要對焊縫進行網(wǎng)格劃分，然后對材料勁度系數(shù)矩陣和晶粒走向角度進行設(shè)置[9]。筆者基于ISO 13588-2019和ISO 22825-2017 《焊接無損檢測 超聲波檢測 奧氏體鋼和鎳基合金焊縫試驗中的對比試塊》，綜合考慮Silk模型和MINA模型的建模思路，提出了適用于CIVA仿真工程應(yīng)用的各向異性焊縫模型(見圖1)。

圖1 適用于CIVA仿真的各向異性焊縫模型

各向異性焊縫模型厚度為65 mm，坡口角度為60°，根部間隙為10 mm，材料為不銹鋼，根據(jù)文獻[10-11]將整個焊縫劃分為6個對稱的均勻區(qū)域，每個區(qū)域設(shè)定不同的晶粒取向角度，雖然在各向異性焊縫中不銹鋼晶粒的取向角度不同，但是存在一定的規(guī)律性，即在熔合線處，晶粒取向幾乎垂直于熔合線，越靠近焊縫中心，晶粒取向越接近90°。CIVA仿真設(shè)定的取向角度分別為30°，50°，80°，基本符合各向異性焊縫晶粒取向的角度規(guī)律。根據(jù)文獻[9]，仿真材料的勁度系數(shù)矩陣C設(shè)置為：C11=263 GPa，C12=98 GPa，C13=145 GPa，C33=216 GPa，C44=129 GPa，C66=83 GPa，母材區(qū)域設(shè)定為各向同性材料，密度為7.8 g·cm-3。

1.2 聲場仿真

在CIVA仿真過程中，聲場仿真的計算是缺陷響應(yīng)計算的前提，只有相控陣超聲聲場能量集中，旁瓣小，無柵瓣，覆蓋范圍合理，檢測才具有較高靈敏度和缺陷檢出率。聲場仿真前，需要確定探頭和楔塊參數(shù)、檢測位置、聚焦法則、計算區(qū)域和精度等信息。

仿真采用的探頭型號為DMA 2.5-4×8-3×2.7，陣元數(shù)為64(32發(fā)32收)，-6 dB帶寬為80%，楔塊型號為SD27-55L，角度為18.9°，探頭前沿為16.7 mm，中心高度為12.6 mm。聚焦法則設(shè)置為：采用全激發(fā)模式；扇掃角度范圍為35°～60°；角度步進為1°；聚焦深度為60 mm，僅計算一次波縱波聲場；計算區(qū)域包括熔合線兩側(cè)各10 mm的熱影響區(qū)，計算精度為1 mm。對所有聲束的聲場進行合成處理計算，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，不銹鋼焊縫的各向異性對聲場的分布存在一定影響，首先圖中能量最高的藍色區(qū)域存在不連續(xù)性，而對于常用各向同性的碳鋼材料(20和Q345R)，一般能量最高的藍色區(qū)域是連續(xù)且均勻的，其次-6 dB范圍(圖中粉紅色區(qū)域)覆蓋范圍較大，在深度方向大致為12～50 mm，小角度范圍內(nèi)能量較強，大角度范圍內(nèi)能量較弱，但在近表面和底面能量偏低，需進一步采用模擬缺陷驗證檢測靈敏度。綜合分析后認為采用DMA探頭檢測各向異性不銹鋼焊縫具有較高可行性，各向異性對聲場的影響在可接受范圍內(nèi)。

圖2 各向異性焊縫聲場計算結(jié)果

1.3 缺陷響應(yīng)計算

業(yè)主方要求采用ISO 13588-2019和ISO 22825-2017中的對比試塊進行工藝驗證，因此在CIVA模型中添加長度為25 mm,直徑為3 mm的橫孔，深度分別為16，33，49 mm?？紤]檢測要全覆蓋熱影響區(qū)，經(jīng)理論計算后探頭前端距分別設(shè)定為48，22，5 mm，采用縱波直射法進行檢測，模擬聲束的覆蓋情況如圖3所示，缺陷響應(yīng)計算結(jié)果如圖4所示。

圖3 不同前端距下模擬聲束的覆蓋情況

圖4 不同前端距下缺陷響應(yīng)計算結(jié)果(左為S掃和右為A掃)

根據(jù)圖4計算結(jié)果可以看出，焊縫的各向異性特征對相控陣超聲聲束的傳播存在一定的影響，具體表現(xiàn)為,聲波不再沿直線傳播，存在一定的偏移(圖4中綠色線)，如果是橫波檢測，偏移程度會進一步加大。在不同前端距條件下進行檢測時，3個不同深度的橫孔缺陷信號清晰可見，信噪比高，雜波信號低。S掃范圍內(nèi)中間聲束能量最大，靈敏度高，因此在檢測時，需使中間聲束直射檢測部位，同時，相控陣超聲檢測技術(shù)對大聲程處的缺陷信號有放大作用。不同前端距下缺陷的檢測結(jié)果如表1所示(pts是CIVA仿真軟件中測量缺陷絕對幅值的計量單位)。

表1 不同前端距下缺陷的檢測結(jié)果

從表1可以看出，深度較大缺陷的回波幅值會降低，同時深度測量誤差也增大，但總體誤差水平較低；對于深度較小的缺陷，由于距離近場區(qū)較近，回波幅值略低，和聲場計算結(jié)果吻合度較高；處于中部的缺陷檢測靈敏度高，誤差小?；贑IVA仿真的結(jié)果可知，采用DMA探頭檢測各向異性焊縫效果較好，可進一步采用模擬試塊進行工藝驗證。

2 工藝驗證

2.1 對比試塊

上述CIVA仿真研究充分考慮了焊縫各向異性對相控陣超聲檢測的影響，提供了基于DMA探頭的檢測思路，為驗證擬定的檢測工藝在實際檢測中的效果，基于ISO 13588-2019和ISO 22825-2017加工了對比試塊，試塊材料為S32205雙相不銹鋼，焊接方法為鎢極惰性氣體保護焊+二氧化碳氣保焊藥芯焊絲+埋弧自動焊，坡口角度為60°，根部間隙為10 mm，余高磨平，缺陷為3 mm×25 mm(直徑×長度)的橫孔缺陷，試塊結(jié)構(gòu)及實物如圖5所示。

圖5 對比試塊結(jié)構(gòu)及實物

2.2 檢測工藝

檢測設(shè)備為國產(chǎn)HS PA30-E型相控陣儀器，通道數(shù)為32…128(一次最多激發(fā)32通道，共128通道)，探頭和楔塊的參數(shù)與CIVA仿真設(shè)置的參數(shù)相同，采用手動掃查編碼器記錄。根據(jù)檢測要求，需對焊縫部位及其兩側(cè)各10 mm的熱影響區(qū)進行全覆蓋檢測，因此設(shè)定的掃查方式為縱向垂直掃查+縱向平行掃查+鋸齒形掃查(見圖6)。因為縱向垂直掃查時存在盲區(qū)，所以應(yīng)增加鋸齒形掃查來彌補。在該掃查方案下，對于一道焊縫，要實現(xiàn)相控陣超聲全覆蓋檢測需要進行14次掃查。

圖6 相控陣超聲檢測掃查方式示意

2.3 檢測結(jié)果

因為對比試塊只包含所設(shè)計的橫孔缺陷，且比對試塊的作用主要是檢測校準，所以試驗只進行縱向垂直掃查，驗證DMA探頭在各向異性S32205不銹鋼焊縫中的檢測靈敏度和信噪比。對比試塊的檢測結(jié)果如圖7所示，缺陷參數(shù)測量結(jié)果如表2所示。

圖7 對比試塊的相控陣超聲檢測結(jié)果

表2 對比試塊缺陷參數(shù)測量結(jié)果

從圖7可以看出，DMA探頭檢測各向異性S32205焊縫的成像效果好，缺陷清晰可見，信噪比高，與CIVA仿真結(jié)果吻合度高，說明CIVA軟件可用于指導(dǎo)前期工藝編制。通過測量缺陷參數(shù)，并與CIVA仿真結(jié)果比對可知，實際檢測時，缺陷回波幅值隨深度增加而明顯下降，深度誤差隨深度增加也明顯下降，但測量誤差始終保持在較小范圍內(nèi)，在工程應(yīng)用中屬于可接受范圍。在CIVA仿真中，回波幅值下降幅度小于實際檢測時回波幅值的下降幅度，原因為聲波在實際傳播中，存在偏移、波型轉(zhuǎn)換、散射及衰減等復(fù)雜機理，建立的CIVA模型在一定程度上會存在偏差。

3 現(xiàn)場檢測應(yīng)用

現(xiàn)場檢測對象為FPSO船體管道的管件，包括45°彎頭、90°彎頭、異徑三通、等徑三通、偏心異徑管等結(jié)構(gòu)中的縱向焊縫，檢測嚴格按照前面章節(jié)所確定的工藝進行。對發(fā)現(xiàn)的缺陷進行單面雙側(cè)檢測復(fù)驗，檢件規(guī)格為406 mm×65 mm(直徑×長度)，材料為S32205，檢測標準為ISO 13588-2019和ISO 22825-2017，檢測等級為B級，驗收標準為ISO 19285-2017 《焊縫的無損檢測 相控陣超聲檢測(PAUT) 驗收等級》，合格級別為2級，掃查速度不大于9.6 mm·s-1，其余參數(shù)與仿真和工藝驗證的參數(shù)相同。下面對檢測中發(fā)現(xiàn)的典型缺陷進行說明，由于FPSO船體管道總體焊接水平較高，主要存在缺陷為氣孔、條形缺陷、表面裂紋(見圖8)，未檢出大量危害性缺陷，例如未焊透、未熔合、埋藏裂紋等，部分缺陷經(jīng)過現(xiàn)場解剖或射線檢測驗證，與相控陣超聲檢測結(jié)果吻合。

圖8 焊縫現(xiàn)場檢測結(jié)果(氣孔缺陷)

從圖8可以看出，基于DMA探頭的相控陣檢測工藝現(xiàn)場檢測靈敏度高，信噪比高，缺陷定位準確，與實體解剖和射線檢測結(jié)果相吻合，可用于FPSO船體管道的檢測，在一定程度上解決了各向異性焊縫的超聲檢測難題。圖8為一處回波幅度超過2級驗收水平線的氣孔缺陷，經(jīng)過現(xiàn)場解剖發(fā)現(xiàn)深度與相控陣檢測結(jié)果相同；圖9為一處條形缺陷，波幅位于記錄等級線和2級驗收水平線之間，與射線檢測結(jié)果吻合；圖10為三通管件表面開口裂紋，在相控陣D掃和S掃信號中均清晰可見，與現(xiàn)場目視檢查結(jié)果吻合。

圖9 焊縫現(xiàn)場檢測結(jié)果(條形缺陷)

4 結(jié)語

(1) FPSO船體管道焊縫的各向異性會對超聲聲束傳播產(chǎn)生影響，降低定位的準確性，需采用縱波直射法進行檢測。

(2) CIVA仿真技術(shù)可以建立各向異性焊縫模型，優(yōu)化檢測工藝，節(jié)省人力和物力成本，對于相控陣超聲檢測疑難問題具有較好的指導(dǎo)作用。

(3) 對比試塊和現(xiàn)場管件的檢測驗證說明，采用基于DMA探頭的相控陣超聲技術(shù)檢測FPSO船體壓力管道的縱向?qū)雍缚p具有較好的效果。