大尺寸海底管道AUT 校準(zhǔn)試塊輕量化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張?zhí)旖?陳亮 吳員 張永波 陳強(qiáng) 張衛(wèi)東(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

0 引言

隨著海底管道施工船舶作業(yè)能力的提高、焊接技術(shù)的發(fā)展，對(duì)檢驗(yàn)技術(shù)也提出了更高要求。全自動(dòng)超聲波檢測(cè)(Automatic Ultrasonic Testing，簡(jiǎn)稱AUT)技術(shù)自2002年引入國(guó)內(nèi)以后，因其對(duì)危害較大的面積性缺陷檢出率高、定位準(zhǔn)確、定量精度高、檢測(cè)速度快、安全環(huán)保等諸多優(yōu)勢(shì)，得到廣泛應(yīng)用，受到業(yè)主和施工人員的青睞，已經(jīng)成為海底管道對(duì)接環(huán)焊縫無(wú)損檢驗(yàn)的首選方法。其中，AUT 校準(zhǔn)試塊用于AUT 系統(tǒng)靈敏度設(shè)置和動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，是AUT 檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵部件。

1 海底管道AUT校準(zhǔn)試塊使用現(xiàn)狀

根據(jù)DNV-OS-F101 標(biāo)準(zhǔn)中要求，AUT 校準(zhǔn)試塊使用的材料應(yīng)取自與要檢查的制造商，直徑，厚度和接縫類型相同的管道。用于校準(zhǔn)塊的管子的壁厚應(yīng)最好與所用管道的標(biāo)稱壁厚相對(duì)應(yīng)，除非有多個(gè)校準(zhǔn)塊需要覆蓋壁厚超出限制的變化。

此前，海底管道AUT 校準(zhǔn)試塊使用項(xiàng)目管料的一部分，為滿足AUT 掃查器的安裝和行走，長(zhǎng)度通常為700mm。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大尺寸海底管道項(xiàng)目不斷增多。對(duì)于大管徑大壁厚海底管道的檢測(cè)，采用常規(guī)方法制作的AUT 校準(zhǔn)試塊體積和重量都很大，十分笨重。以管徑1118mm、壁厚23.8mm 為例，700mm長(zhǎng)的碳鋼管料重量達(dá)450kg，校準(zhǔn)試塊的制作、運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)使用都十分不便。而且，在海上施工期間，由于淡水資源寶貴，而相控陣校準(zhǔn)試塊調(diào)試采用淡水作為耦合劑，大尺寸的相控陣試塊調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)，淡水消耗量大。因此，大尺寸海底管道AUT 校準(zhǔn)試塊的輕量化和節(jié)水設(shè)計(jì)是AUT 團(tuán)隊(duì)需要解決的重要問(wèn)題。

2 大管徑海底管道AUT校準(zhǔn)試塊輕量化設(shè)計(jì)

2.1 反射體加工區(qū)域

反射體加工區(qū)域是AUT 校準(zhǔn)試塊的核心區(qū)域，是AUT 系統(tǒng)校準(zhǔn)和靈敏度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，必須使用項(xiàng)目管料的一部分。參照ASTM E1961 標(biāo)準(zhǔn)要求，試塊中的人工反射體設(shè)計(jì)根據(jù)壁厚的破口參數(shù)來(lái)確定。分區(qū)法將焊縫從厚度方向上進(jìn)行區(qū)域劃分，根據(jù)焊接坡口參數(shù)和填充次數(shù)確定目標(biāo)區(qū)域。反射體的布置應(yīng)當(dāng)滿足焊縫兩側(cè)分區(qū)掃查及填充區(qū)數(shù)目的要求。填充區(qū)的基礎(chǔ)反射體應(yīng)當(dāng)采用直徑為2～3mm 的平底孔(FBH)。在設(shè)計(jì)的融合線處，采用機(jī)加工方式加工一個(gè)長(zhǎng)10mm、寬1mm、深1mm 的矩形槽，來(lái)顯示管線外徑上產(chǎn)生的表面裂紋、未融合和咬邊等缺陷的位置。矩形槽也用于根部融合區(qū)。根部槽應(yīng)當(dāng)是1mm 深、10mm 長(zhǎng)，它們的外形角度應(yīng)當(dāng)和所檢查的焊縫根部坡口形狀一致。中心通孔或槽用于保證探測(cè)性能。反射體在橫向上的定位應(yīng)當(dāng)保證信號(hào)的相互獨(dú)立，每一個(gè)探頭發(fā)出的聲束應(yīng)該在掃過(guò)基礎(chǔ)反射體的時(shí)候不會(huì)遇到臨近的反射體。為便于機(jī)加工，反射體加工區(qū)域是從AUT 校準(zhǔn)試塊管料上截取一個(gè)Z 字形。長(zhǎng)度方向上滿足各分區(qū)反射體的排布，寬度方向上滿足AUT 探頭和楔塊的掃查需求。反射體加工區(qū)域缺陷分布如圖1 所示。

圖1 分區(qū)法AUT校準(zhǔn)試塊反射體布局圖示例

2.2 試塊支撐區(qū)域

傳統(tǒng)的AUT 校準(zhǔn)試塊制作方法是將Z 字形的反射體加工區(qū)域鑲?cè)朐脊芰?，焊接固定就形成完整的AUT 校準(zhǔn)試塊。通常情況下，管徑越大，AUT 校準(zhǔn)試塊中支撐區(qū)域的重量占比越大。因此，縮減試塊支撐區(qū)域是大尺寸AUT 校準(zhǔn)試塊輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。試塊支撐區(qū)域的作用是固定反射體加工區(qū)域，并提供AUT 軌道安裝和AUT 探頭楔塊行走的支撐，需要與反射體加工區(qū)域外徑相同，而壁厚可以減薄。本設(shè)計(jì)中選擇8mm 厚度的鋼板，卷制形成外徑與被檢焊縫相同，弧長(zhǎng)和寬度滿足AUT 掃查器行走的一段弧面，并根據(jù)反射體加工區(qū)域的尺寸和形狀切除一個(gè)Z字形，再將反射體加工區(qū)域鑲?cè)牍潭?。安裝效果如圖2 所示。

圖2 反射體加工區(qū)域和支撐區(qū)域安裝效果示意圖

圖2 中，橫向支撐桿3 和縱向支撐桿4 用于固定和支撐同管徑薄壁厚固定支撐區(qū)2 的形狀，防止變形；在同管徑薄壁厚固定支撐區(qū)2 上選擇合適的位置開(kāi)孔用于放置反射體加工區(qū)1，緊固螺釘5 從內(nèi)到外將反射體加工區(qū)1 和同管徑薄壁厚固定支撐區(qū)2 連接固定在一起，超出鋼板外表面的緊固螺釘5 切割打磨平整；把手6 焊接在橫向支撐桿3 上，用于試塊搬運(yùn)；耦合水收集槽7 焊接在同管徑薄壁厚固定支撐區(qū)2 圓弧兩端，攔截和收集耦合用水，耦合水收集槽7 中部設(shè)有耦合水回流孔8，可連接水管實(shí)現(xiàn)耦合水回收利用。

3 試塊軌道改造

海底管道全尺寸AUT 校準(zhǔn)試塊采用圓周式相控陣檢測(cè)軌道，在整個(gè)圓周方向上包圍相控陣檢測(cè)校準(zhǔn)試塊，采用彈簧卡扣螺紋緊固。對(duì)于輕量化設(shè)計(jì)后的非全尺寸AUT 校準(zhǔn)試塊，圓周式相控陣檢測(cè)軌道無(wú)法安裝固定在相控陣檢測(cè)校準(zhǔn)試塊上。通過(guò)設(shè)計(jì)制作一種分段式海底管道AUT 校準(zhǔn)試塊的軌道，不僅能夠使相控陣檢測(cè)掃查器行走，還能夠保持軌道位置恒定，避免了軌道移動(dòng)造成的AUT 系統(tǒng)校準(zhǔn)失效的問(wèn)題。分段式軌道示意圖如圖3 所示。

圖3 一種分段式海底管道相控陣檢測(cè)校準(zhǔn)試塊的軌道的示意圖

圖3 中，軌道1 長(zhǎng)度與AUT 校準(zhǔn)試塊弧長(zhǎng)相同，滿足AUT掃查器行走；螺栓2 用于連接固定試塊和軌道；空心支撐管3 用于調(diào)節(jié)軌道與AUT 校準(zhǔn)試塊之間的高度，滿足不同間隙的需求；螺釘4 連接螺紋支撐管5，固定軌道與AUT 校準(zhǔn)試塊之間的高度；限位器6 長(zhǎng)度大于軌道1 寬度，可有效防止AUT 掃查器在行走過(guò)程中滑落損傷。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大管徑海底管道AUT 校準(zhǔn)試塊的小型化、輕量化設(shè)計(jì)，大大減輕了AUT 校準(zhǔn)試塊的體積和重量，大幅節(jié)約試塊加工、運(yùn)輸、吊裝費(fèi)用；對(duì)優(yōu)化施工船舶作業(yè)線空間和安全隱患的排除作出了積極貢獻(xiàn)；耦合水的回收利用為施工船舶節(jié)省了大量的淡水資源；為大管徑的海底管道項(xiàng)目AUT 檢驗(yàn)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒和技術(shù)基礎(chǔ)。