水下TOFD檢測設(shè)備研制與試驗(yàn)

鄧 平，陳 勇，邊大勇，張大偉，李 健，董連杰

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451;2.廊坊市新思維科技有限公司，廊坊 056001)

水下TOFD檢測設(shè)備研制與試驗(yàn)

鄧 平1，陳 勇1，邊大勇1，張大偉1，李 健2，董連杰2

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451;2.廊坊市新思維科技有限公司，廊坊 056001)

介紹了研制的水下超聲波衍射時差法(Time of Flight Diffraction Technique，TOFD)檢測設(shè)備的設(shè)計(jì)原理、方案及其工作原理與系統(tǒng)組成，基于該設(shè)備進(jìn)行了試驗(yàn)室性能測試及水槽環(huán)境下的對比檢測試驗(yàn)。結(jié)果表明：該設(shè)備工作性能穩(wěn)定，檢測結(jié)果準(zhǔn)確有效，可以滿足海洋工程等領(lǐng)域內(nèi)水下焊接修復(fù)后的檢測需求。

水下；衍射時差法；研制

在海洋石油工程領(lǐng)域，有各種類型的平臺結(jié)構(gòu)及海底管線。由于作業(yè)環(huán)境及工況條件惡劣，在建平臺和在役平臺及其相關(guān)設(shè)施的檢驗(yàn)評估及維修工作顯得尤為重要[1]。設(shè)施服役年限增加后，出現(xiàn)問題的水下結(jié)構(gòu)勢必需進(jìn)行一些焊接修復(fù)。國外已經(jīng)具備水下TOFD檢測能力，但是一般僅提供工程服務(wù)。近幾年來，中海油下屬的海洋石油工程股份有限公司開展了諸如水下濕式焊接、水下局部干法焊接及水下摩擦疊焊的技術(shù)研究與設(shè)備研制工作；同時，也對水下焊接修復(fù)之后的檢驗(yàn)技術(shù)及設(shè)備進(jìn)行了研究。

筆者介紹了研制的水下TOFD檢測設(shè)備的原理及系統(tǒng)組成，給出了該設(shè)備的設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵技術(shù)，并開展了細(xì)致的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)備技術(shù)先進(jìn)、工作性能穩(wěn)定可靠，檢驗(yàn)結(jié)果有效可用，可以為水下焊接修復(fù)結(jié)果提供一種有效的評價(jià)手段。

1 水下TOFD檢驗(yàn)設(shè)備的國內(nèi)外現(xiàn)狀

在陸地TOFD檢測設(shè)備方面，國外如加拿大OLYMPUS公司、以色列SONOTRON NDT公司、加拿大R/D TECH公司、美國GE公司、英國SONATEST公司、英國Technology Design公司等致力于相關(guān)檢測設(shè)備系統(tǒng)的研發(fā)，研制的設(shè)備系統(tǒng)也在各行各業(yè)無損檢測領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。國內(nèi)也有多家公司在對TOFD檢測設(shè)備進(jìn)行研究，如武漢中科創(chuàng)新技術(shù)股份有限公司、廣州多浦樂電子科技有限公司、汕頭超聲研究所，且研制的設(shè)備已逐步投入生產(chǎn)并在市場中得到了推廣應(yīng)用。在國外，應(yīng)用于水下的超聲波檢驗(yàn)設(shè)備較少，常規(guī)水下超聲缺陷檢驗(yàn)設(shè)備主要有OceanScan公司的A-SCAN UT SYSTEM，內(nèi)核搭載Epoch 4/4B/XT and 600等型號主機(jī)，最大工作水深可以達(dá)到250 m;還有RSL公司的Subsea Digital Ultrasonic Flaw Detector System，其內(nèi)核采用SonatestSiteScan250s型號主機(jī)。這兩款設(shè)備均是常規(guī)超聲波探傷儀，可實(shí)現(xiàn)A掃，不具有TOFD檢測功能。另外，丹麥FORCE Technology公司的P-scan system可采用TOFD技術(shù)對導(dǎo)管架、海管等結(jié)構(gòu)物進(jìn)行水下檢驗(yàn)，最大工作水深可到1 000 m，其現(xiàn)場應(yīng)用圖片如圖1所示。目前，國內(nèi)尚沒有成熟的水下TOFD檢驗(yàn)設(shè)備。

圖1 P-scan system現(xiàn)場應(yīng)用圖片

2 水下TOFD檢測設(shè)備原理及關(guān)鍵設(shè)計(jì)

2.1 基本原理

水下TOFD檢測原理與陸地TOFD檢測原理基本沒有差異。TOFD檢測技術(shù)是在1977年，由Silk根據(jù)超聲波衍射現(xiàn)象提出來的。該技術(shù)不同于以往的脈沖反射法和聲波穿透法等技術(shù)，其利用的是在固體中聲速最快的縱波在缺陷端部產(chǎn)生的衍射來進(jìn)行檢測的。其檢測原理是：使用一對或多對寬聲束的探頭，每對探頭相對焊縫對稱分布，聲束覆蓋檢測區(qū)域，聲速在傳播過程中遇到缺陷時產(chǎn)生反射波和衍射波，探頭同時接收反射波和衍射波，通過測量衍射波傳播時間和利用三角方程，來確定出缺陷的尺寸和位置[2-4]。

圖2 TOFD檢測原理示意

2.2 設(shè)計(jì)原則

水下TOFD檢測設(shè)備的設(shè)計(jì)原則是：采用成熟的TOFD檢驗(yàn)設(shè)備，通過水下適應(yīng)性研究開發(fā)，將其執(zhí)行檢驗(yàn)的掃查器、探頭、編碼器等部件移植到水下，并研究出一套水下長距離的傳輸系統(tǒng)，將水上主機(jī)與水下執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接成一個檢驗(yàn)系統(tǒng)。上述研究開發(fā)不改變超聲波設(shè)備的相關(guān)特性，因此檢驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性不會發(fā)生改變。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

水下TOFD檢測設(shè)備是集聲學(xué)工程、電子技術(shù)、機(jī)械工程、海洋工程等為一體的新技術(shù)海洋儀器，整套設(shè)備按照結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)，可分為水上主機(jī)、信號傳輸及水下執(zhí)行檢驗(yàn)單元。研制完成的水下TOFD工程樣機(jī)外觀如圖3所示。

圖3 水下TOFD檢測系統(tǒng)外觀

2.3.1 水上主機(jī)

通過選型對比，OLYMPUS公司的OmniScan SX的TOFD技術(shù)探頭布置在焊縫的兩側(cè)，單次掃查聲波可以覆蓋整個焊縫檢測區(qū)，檢測效率高，檢出缺陷類型多，且輕巧、便攜。因此，項(xiàng)目選取其作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其具備2個UT接口，1個相控陣接口。

圖4 同軸電纜結(jié)構(gòu)及電場分布示意

2.3.2 信號傳輸

信號傳輸系統(tǒng)由水密電纜、水下信號放大器以及纜車組成。水密電纜為鎧裝水密電纜，堅(jiān)固耐磨，鎧裝內(nèi)部為超聲專用同軸電纜，其解剖后的結(jié)構(gòu)示意及電場分布如圖4所示。為了滿足傳輸效率及信噪比，選擇的電纜特征阻抗為50 Ω，5 MHz正弦波測試下的信號衰減10 dB·km-1，屏蔽衰減5 dB，回波損耗2 dB，信噪比80 dB。電纜水下端采用Subconn專用水下連接器，可與水下探頭、編碼器相連接。為了保證長距離傳輸信號的質(zhì)量及可靠性，電纜中間有專門研制的信號放大器。電纜水上端與纜車的接線面板相連，面板包含一路TOFD接口：發(fā)射通道P、接收通道R，一路編碼器接口和直流電源接口。

TOFD信號通過長距離傳輸時存在衰減及干擾，導(dǎo)致其缺陷信號無法識別。因此，筆者研制了水下信號放大器，其包括18個超聲通道，1個編碼器通道，1個電源通道，發(fā)射電壓為200 V，接受增益為40 dB。TOFD信號經(jīng)水下信號放大器傳輸后，信號無失真，信噪比高，可極大地提高缺陷檢出率。

上述信號傳輸系統(tǒng)由于傳輸距離長，因此傳輸電纜的特性電阻、分布電感及分布電容需與水下放大器嚴(yán)格匹配才能確保信號傳輸不失真。當(dāng)特性不匹配時脈沖出現(xiàn)過沖及振鈴，過沖幅度過大時，容易擊穿探頭；振鈴延續(xù)時間過長，回波寬度增大，降低檢測靈敏度。通過測試，電纜特性與水下放大器匹配良好，超聲信號傳輸無失真，信噪比高，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 電纜與水下放大器匹配性測試結(jié)果

圖6 水下手動掃查器實(shí)物圖片

2.3.3 水下檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)

水下檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括水下掃查器、水下探頭、水下編碼器。針對潛水員水下作業(yè)特點(diǎn)，通過多次設(shè)計(jì)校核，研制了一款可進(jìn)行徑向、軸向掃查的手動式掃查器(圖6)，其具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便的特點(diǎn)。 針對水下操作難點(diǎn)，特別設(shè)計(jì)了一種快速安裝螺母和大尺寸手柄，使得潛水員在水下無需使用工具就可對掃查器的不同部件進(jìn)行調(diào)整且易于掃查的操作。該掃查器最多能夠配置4個探頭進(jìn)行焊縫檢測，配備水下編碼器可滿足較大區(qū)域的掃查作業(yè)需求，作業(yè)效率高，水下操作簡單。

為了讓探頭可以在水下大壓力環(huán)境工作，筆者采用探頭聲學(xué)整體封裝形式，研制了專用灌封模具，選取雙組分環(huán)氧樹脂對探頭及水下電纜進(jìn)行整體灌封。灌封固化后的探頭耐海水腐蝕、耐酸堿、高絕緣、抗震；TOFD探頭回波信號良好，聲學(xué)性能符合檢測要求，可以在水下承壓環(huán)境工作。研制完成的水下探頭及連接器如圖7所示?？紤]到海水腐蝕性強(qiáng)等因素，水下編碼器選用316L耐腐蝕不銹鋼軸承和鎳基輪盤。

圖7 水下探頭及連接器實(shí)物圖片

3 試驗(yàn)室性能測試

首先，測試信號傳輸系統(tǒng)性能，將電纜PR通道發(fā)射端連接至水上主機(jī)發(fā)射通道，發(fā)射電壓設(shè)置為80 V；將PR通道接收端連接函數(shù)發(fā)生器，設(shè)置輸出峰值50 mV/10 MHz 正弦波，分別使用數(shù)字示波器測量輸出端的負(fù)方波電壓值和輸出端的正弦波峰峰值電壓。發(fā)射電壓測量值為201～209 V，接收信號幅度為4.8～5.2 V，接收信號增益為39.64～40.50 dB，滿足測試要求。

其次，測試水下執(zhí)行單元的聲學(xué)性能及部件水密耐壓能力。選取小型壓力艙實(shí)施性能測試，通過測試其聲學(xué)信號指標(biāo)來判定檢驗(yàn)系統(tǒng)性能。由于壓力艙容量限制，難以將電纜及水下執(zhí)行單元整體放入其中，因此將待測的探頭、編碼器與試板固定后，放入艙內(nèi)，通過接線柱可將信號引出艙外。然后，對壓力艙內(nèi)部注水并加壓至試驗(yàn)壓力。如圖8所示，將主機(jī)接入壓力艙體頂部的接線柱，然后進(jìn)行測試。

將壓力艙壓力分別加到0.2,0.4,0.6 MPa，調(diào)整水上主機(jī)P/R模式，調(diào)整增益至反射波二次回波高度為滿屏高度的80%，開啟包絡(luò)顯示功能，每隔1 h，記錄探傷儀增益與波高范圍。在試驗(yàn)測試過程中，增益在22～25 dB，波高范圍為滿屏高度的79%～81%，如圖9所示。同步進(jìn)行水下編碼器測試，分辨率與標(biāo)稱值偏差小于2%，上述試驗(yàn)結(jié)果滿足測試要求。通過上述測試，一方面完成了設(shè)備聲學(xué)性能驗(yàn)證，另一方面也對水下部件、接頭的水密耐壓性進(jìn)行了測試。

圖8 水下壓力艙及其與主機(jī)的連線

圖9 壓力艙測試TOFD回波波形

4 水槽環(huán)境下的檢測試驗(yàn)

信號傳輸及水下執(zhí)行檢驗(yàn)單元分別完成測試驗(yàn)證之后，在水槽環(huán)境中對其整個系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試。將直徑323 mm，厚度15 mm的管試件放置在水槽內(nèi)，使用掃查器對試件的預(yù)制缺陷進(jìn)行環(huán)向TOFD檢測，將檢測出的缺陷信息與預(yù)制缺陷的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來分析整個檢測系統(tǒng)的性能。如圖10所示，水下執(zhí)行檢測單元在水槽環(huán)境下對管試件進(jìn)行檢測。圖11為TOFD檢測得到的圖譜，可見其包含7處缺陷信號，兩者數(shù)據(jù)對比詳見表1。

圖10 水槽環(huán)境下對管試件進(jìn)行檢測

圖11 水槽環(huán)境下管試件的TOFD檢測圖譜

由表1可見，缺陷檢測長度與實(shí)際長度完全吻合，高度偏差小于10%。通過上述檢測結(jié)果與工件實(shí)際缺陷尺寸的對比，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)缺陷檢出率高，定量檢測精度高，滿足檢驗(yàn)相關(guān)規(guī)范要求。

表1 水槽環(huán)境下管試件的缺陷檢測結(jié)果與實(shí)際缺陷尺寸對比 mm

5 結(jié)論

采用分布式模塊化的設(shè)計(jì)思想成功研制了水下TOFD檢測系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗(yàn)室性能測試及水槽環(huán)境下的對比檢測試驗(yàn)。結(jié)果表明：該系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，測量結(jié)果準(zhǔn)確有效，可以滿足海洋工程等領(lǐng)域內(nèi)水下焊接修復(fù)后的檢驗(yàn)需求。

[1] 張曙光,邵建華.無損檢測技術(shù)在海洋工程中的應(yīng)用[J].無損檢測,2014, 36(5):69-72

[2] 黃鈞,王國榮,李國進(jìn),等.焊接結(jié)構(gòu)水下無損檢測技術(shù)及其進(jìn)展[J].無損檢測，2004,26(4):207-210.

[3] 孔立峰,李樹學(xué),羅光華,等.TOFD檢測技術(shù)的應(yīng)用[J].河北工業(yè)科技,2009, 26(3):168-171.

[4] 王清媛,李建,孫壯壯.超聲波檢測新技術(shù)-TOFD檢測[J].石油和化工設(shè)備,2012, 15(1):42-43.

Development and Experiment of Subsea TOFD Equipment

DENG Ping1, CHEN Yong1, BIAN Dayong1, ZHANG Dawei1, LI Jian2, DONG Lianjie2

(1.Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China; 2.Langfang Innovative Thinking of Science and Technology Co., Ltd., Langfang 056001, China)

The design principle and system composition of the subsea TOFD inspection equipment were introduced, and based on the equipment, the laboratory performance test and comparative experiment in a flume were carried out. Experimental results show that its stability, reliability and effectiveness are satisfactory, and it is able to meet the inspection requirements after underwater welding repair in subsea engineering fields.

subsea; TOFD; development

2017-02-28

中國海洋石油總公司資助項(xiàng)目(C/KJB HG 001-2010)；國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011AA090302)

鄧 平(1985-)，男，本科，工程師，主要從事海洋石油水下設(shè)施的檢測維修技術(shù)研究工作

鄧 平，dengping@mail.cooec.com.cn

10.11973/wsjc201708012

TG115.28

A

1000-6656(2017)08-0047-04