基于TRL探頭的雙相不銹鋼對(duì)接焊縫的超聲相控陣檢測

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(1.海洋石油工程股份有限公司，青島 266520;2.中海石油深海開發(fā)有限公司,深圳 518000)

雙相不銹鋼具有奧氏體和鐵素體的雙相組織,而且單相含量一般都大于30%。雙相不銹鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn):與鐵素體不銹鋼相比，其塑性、韌性更高，耐晶間腐蝕性能和焊接性能也很高;與奧氏體不銹鋼相比，其強(qiáng)度高，且耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕能力也明顯提高[1]。

位于我國南海的某海洋石油天然氣平臺(tái)隨著服役時(shí)間的延長,平臺(tái)工作壓力有所下降。在通過新增濕氣壓縮機(jī)模塊來滿足平臺(tái)后期生產(chǎn)要求的過程中,考慮到傳輸介質(zhì)為高壓天然氣,并且又處在高腐蝕性的海洋環(huán)境中,雙相不銹鋼材料是首選,但隨之而來就是如何對(duì)其進(jìn)行無損檢測的問題。筆者結(jié)合最新的TRL(縱波一發(fā)一收)相控陣探頭，并利用超聲波相控陣檢測方法,通過縱波一發(fā)一收的方式提高了信噪比,在演示試塊及產(chǎn)品焊縫中證明了該方法的可行性。

1 雙相不銹鋼焊縫的無損檢測

目前，在海洋石油天然氣平臺(tái)的建造過程中，通常采用傳統(tǒng)的射線檢測方法檢測雙相不銹鋼焊縫的內(nèi)部缺陷。射線檢測技術(shù)比較成熟，對(duì)體積型缺陷較為敏感，并且檢測結(jié)果能夠永久保存，因此射線檢測在工程項(xiàng)目的應(yīng)用中屬于穩(wěn)定且保守的檢測方法。但射線檢測也存在“致命”的缺點(diǎn)，即電離輻射，因此射線作業(yè)必須在隔離的條件下進(jìn)行，在周邊一定區(qū)域內(nèi)不允許有其他任何施工人員;尤其是管線工作進(jìn)入安裝階段后，射線檢測往往難以實(shí)現(xiàn)中心曝光，導(dǎo)致檢驗(yàn)效率低下，嚴(yán)重影響項(xiàng)目進(jìn)度。

超聲波檢測也是針對(duì)焊縫內(nèi)部缺陷的傳統(tǒng)檢測方法之一，并且對(duì)坡口未熔合等高危面狀缺陷較為敏感。但雙相不銹鋼焊縫及其鄰近區(qū)域的晶粒較為粗大，聲波能量衰減嚴(yán)重、信噪比差，甚至無法區(qū)分缺陷信號(hào)和雜波信號(hào)[2-3]；另外，由于超聲波檢測對(duì)檢測數(shù)據(jù)的可記錄性差，且受人員技能水平的影響較大，在某種程度上制約了其在雙相不銹鋼管線焊縫中的應(yīng)用。

超聲波相控陣技術(shù)是傳統(tǒng)超聲波檢測的延伸應(yīng)用，其探頭采用的是集成多個(gè)晶片的陣列模式，通過對(duì)某一組晶片采取一定的激發(fā)延時(shí)，來實(shí)現(xiàn)聲波的移動(dòng)、偏轉(zhuǎn)和聚焦。近年來，隨著壓電晶片材料及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，相控陣檢測技術(shù)也在飛速發(fā)展，在海洋工程項(xiàng)目中，超聲相控陣檢測低合金鋼的方法越來越廣泛。面對(duì)雙相不銹鋼焊縫的粗大晶粒時(shí)，為了提高聲束的穿透能力，相控陣?yán)寐暿目煽匦詴?huì)生成一定角度范圍的縱波。但由于受偏轉(zhuǎn)能力的制約，為了實(shí)現(xiàn)焊縫內(nèi)部和熱影響區(qū)的聲束有效覆蓋，必須去除焊縫表面余高，使探頭橫跨在焊縫上掃查[4]。但去除余高后的焊縫表面粗糙度較大，耦合探頭時(shí)在聲束初始位置(約2～3 mm)有較為強(qiáng)烈的耦合信號(hào)，橫跨焊縫耦合的雜波示意如圖1所示，此信號(hào)可能會(huì)掩蓋上表面區(qū)域的缺陷,存在漏檢風(fēng)險(xiǎn)；另外此工藝需要多次掃查，檢驗(yàn)效率不高。

圖1 橫跨焊縫耦合的雜波示意

2 基于TRL探頭的檢測工藝

2.1 檢測對(duì)象

被檢管線焊縫規(guī)格為直徑450 mm、壁厚14.27 mm，采用“V”型坡口氬弧焊焊接方法，材料為雙相不銹鋼(牌號(hào)S31803)，被檢焊縫截面示意及外觀如圖2所示。

圖2 被檢焊縫截面示意及外觀

2.2 TRL探頭的特點(diǎn)

DMA(Dual Matrix Array的簡寫)是屬于TRL系列的二維矩陣相控陣探頭,其能大幅改善聲束的穿透能力和信噪比，主要是由于該探頭具有下述優(yōu)點(diǎn)。

(1) 采用低頻縱波模式。

(2) 采用一發(fā)一收模式。

(3) 楔塊尺寸小(見圖3)，聲波在楔塊中損失的能量較小。

圖3 DMA探頭楔塊外觀

2.3 聲束模擬及檢測工藝

相控陣檢測區(qū)域應(yīng)包含焊縫內(nèi)部、熱影響區(qū)及其鄰近區(qū)域，為保證聲束有效地覆蓋被檢區(qū)域，需對(duì)聲束傳播進(jìn)行模擬，以確定和優(yōu)化超聲相控陣檢測工藝[5]。SetupBuilder聲束模擬軟件簡單實(shí)用，其基于理論聲學(xué)公式，通過計(jì)算、模擬各種型號(hào)換能器在特定工藝設(shè)置下產(chǎn)生的波束覆蓋，從而指導(dǎo)檢測工藝參數(shù)的設(shè)置。

通過理論分析和聲束模擬，同時(shí)考慮到坡口未熔合的方向性，檢測工藝確定為使用DMA探頭進(jìn)行單面雙側(cè)扇形掃描為主，低頻線性陣列探頭激發(fā)橫波檢測為輔的檢測方法(見圖4)。

圖4 DMA探頭和線性陣列探頭檢測工藝示意

2.4 工藝認(rèn)證

為確保工藝的可靠性，在帶有缺陷的演示試塊上進(jìn)行工藝認(rèn)證，以確保演示試塊中的所有缺陷均能被有效檢出，并且檢測的尺寸和位置能夠和實(shí)際情況相匹配。

2.4.1 演示試塊的設(shè)計(jì)

為了更真實(shí)地模擬被檢焊縫的實(shí)際狀態(tài)，演示試塊的材料直接在被檢管線上截取，并且按照被檢焊縫的焊接工藝焊接，演示試塊結(jié)構(gòu)示意如圖5所示(A為表面槽，用于模擬焊趾裂紋等表面缺陷；B為坡口處槽，用于模擬焊縫內(nèi)部坡口未熔合等面狀缺陷；C為根部槽，用于模擬根部處的缺陷；D為焊縫內(nèi)部孔，用于模擬焊縫內(nèi)部氣孔、夾渣等體積型缺陷)[6-7]。

圖5 演示試塊結(jié)構(gòu)示意

2.4.2 試塊掃查

試驗(yàn)采用奧林巴斯OMNISCAN MX2超聲相控陣檢測儀，依次校準(zhǔn)聲速、楔塊延時(shí)、角度校準(zhǔn)增益及TCG(深度補(bǔ)償)曲線，安裝適當(dāng)?shù)木幋a器和掃查架，按照檢測工藝進(jìn)行掃查并保存數(shù)據(jù)。

2.4.3 數(shù)據(jù)分析及結(jié)果

該檢測工藝能很好地檢測出演示試塊中的所有缺陷，并且定位和定量結(jié)果與實(shí)際值基本吻合，說明在誤差允許范圍之內(nèi)，該工藝是可行的。演示試塊的超聲相控陣檢測結(jié)果如表1所示。

表1 演示試塊的超聲相控陣檢測結(jié)果 mm

圖6 演示試塊超聲相控陣檢測效果圖

3 現(xiàn)場應(yīng)用

在某液化天然氣(LNG)管線應(yīng)用超聲相控陣檢測工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)射線檢測過程中，發(fā)現(xiàn)某焊縫根部位置存在長度約50 mm的缺陷，現(xiàn)場相控陣檢測結(jié)果如圖7所示。在拆除焊口附近管線內(nèi)部，通過目視發(fā)現(xiàn)根部單側(cè)未熔合，經(jīng)測量其長度約48 mm，缺陷實(shí)際外觀如圖8所示。目視結(jié)果和相控陣檢測結(jié)果幾乎相同，進(jìn)一步驗(yàn)證了其工藝的有效性和可靠性。

圖7 現(xiàn)場相控陣檢測結(jié)果

圖8 缺陷實(shí)際外觀

4 結(jié)語

通過演示試塊及現(xiàn)場應(yīng)用表明,基于DMA探頭的檢測工藝能夠有效檢測雙相不銹鋼焊縫,并且很好地解決了傳統(tǒng)檢測方法及工藝的不足。在海洋工程多個(gè)項(xiàng)目中，采用該檢測工藝替代射線檢測，能在保證工程質(zhì)量的同時(shí)為項(xiàng)目進(jìn)度做出巨大貢獻(xiàn)，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

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[3] 宋波，喬江偉,劉志毅.基于超聲相控陣技術(shù)的不銹鋼超聲檢測方法[J].中國船檢,2013(8):109-112.

[4] 李鵬頻，李江,劉貴吉,等.雙晶聚焦縱波相控陣檢測系統(tǒng)在雙相不銹鐵管線中的應(yīng)用[J].中國造船,2014(4):331-339.

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[6] 薛擁軍,張典禮,高軍.奧氏體不銹鋼對(duì)接焊接接頭超聲波檢測對(duì)比試塊的制作[J].無損檢測,2011,33 (7):47-49.

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