TOFD技術在海底管道環(huán)焊縫檢測中的應用

趙洪波

(中石化勝利海上石油工程技術檢驗有限公司，山東 東營 257000)

近年來，隨著中國海上油氣開采技術的進一步提高，各石油公司加大了對海上油氣資源的投資力度，進而促進了輸油、輸氣海底管線及原油儲罐等配套基礎設施的建設。作為海上平臺開采油氣外輸重要設備的海底管道，內(nèi)部承受壓力較大，材質(zhì)強度高，淬硬傾向高，而且工作條件惡劣，輸送介質(zhì)具有高壓、高腐蝕性等特征，外層受海水侵蝕以及海浪的周期性破壞力的作用，使得海底管道環(huán)焊縫容易產(chǎn)生腐蝕穿孔、疲勞裂紋等危險，當腐蝕達到一定程度，在壓力、環(huán)境等因素相互影響下會造成泄漏和爆炸等事故，因此對管道焊縫質(zhì)量提出了非常高而嚴的要求。海上油氣資源開采基礎設施的建設受天氣、潮汐等自然因素，以及租賃鋪管船、拖管船等昂貴費用的雙重制約，致使海底管道建設工期要求比較緊，迫使現(xiàn)場管道焊接速度快，同時焊縫的檢測速度必須跟上焊接進度，在檢測出危險缺陷時，應盡快返修處理，以節(jié)約建造時間。對于長距離海底管線焊縫一般采用全自動相控陣超聲波技術(AUT)檢測，但投入資金比較大，對于海上平臺之間的海底管線長度較短，一般采用常規(guī)的射線檢測方法，但該方法存在工序多，周期長，受鋪管船空間小等因素制約，施工人員極易受到核輻射等弊端。超聲波衍射時差法檢測(TOFD)采用手動掃查結(jié)合磁粉、滲透技術，檢測效率低，容易出現(xiàn)缺陷漏檢等不足，因此需要結(jié)合國內(nèi)外新型檢測及掃查技術的發(fā)展，開發(fā)新的檢測工藝，解決同一焊縫需要多次檢測的問題。

1 TOFD技術的特點

TOFD是一種依靠從待檢試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)(主要是指缺陷)的“端角”和“端點”處得到的衍射能量來檢測缺陷的方法，用于缺陷的檢測、定量和定位。該技術利用缺陷端點的衍射波信號探測和測量缺陷處的焊縫質(zhì)量，具有檢測能力強、定量精度高的優(yōu)點，且有直角坐標、焊縫縱斷面和橫斷面顯示三種記錄方式，TOFD檢測原理如圖1所示。但該技術有上下表面盲區(qū)內(nèi)缺陷可能漏檢的缺點。鑒于TOFD技術的局限性，在該技術的推廣及檢測技術替代應用中，須在對TOFD理論深入研究掌握的基礎上，進行現(xiàn)場實際檢測環(huán)境的模擬研究，通過制定試塊和現(xiàn)場管線檢測，掌握各類缺陷的具體特征，針對具體檢測工況如壁厚、管徑等參數(shù)，設計合理有效的檢測方案，結(jié)合傳統(tǒng)檢測方法的對比試驗，最終形成一套檢測海底管線的高效、切實可行的檢測方法。

圖1 TOFD技術檢測原理示意

2 TOFD技術存在問題及分析

在調(diào)研國內(nèi)外TOFD技術應用的基礎上，結(jié)合前期海底管線TOFD技術檢測開展情況，分析海底管線應用中存在的影響檢測效率和質(zhì)量的問題，研究設計新型掃查器解決手動推掃帶來圖像數(shù)據(jù)易丟失，檢測效率低等問題。通過自然試件的制定分析TOFD技術與射線檢測技術的區(qū)別，開發(fā)新型TOFD技術結(jié)合脈沖回波法(PE)的檢測方案，在實際應用中消除盲區(qū)影響。最后針對于不同類型管徑制定技術解決方案并推廣實施。

2.1 TOFD技術具體應用中存在的問題

在樁西平臺之間鋪設的幾條海底管線焊縫檢測中應用了TOFD技術，手動掃查，手動噴涂耦合劑，至少需要三人操作。應用TOFD技術檢測發(fā)現(xiàn)存在上下表面盲區(qū)時，輔助采取常規(guī)超聲和磁粉檢測，防止上表面缺陷漏檢。該檢測方案效率非常低，往往需要重復檢測3～5次，時間為20～30 min。該技術在應用中主要存在以下問題：

1)TOFD檢測結(jié)合超聲波和磁粉，需要多次掃查焊縫，時間長、效率低。

2)推動掃查器時用力不均衡、常抖動，影響掃查精度，數(shù)據(jù)扭曲失真，甚至掃查失敗。

3)手動添加耦合劑，探頭和管壁之間的耦合層不均勻，影響檢測數(shù)據(jù)的準確、可靠性。

4)手動掃查時需要更多的檢測人員，對于大管徑，長時間操作易產(chǎn)生疲勞，用力更加不均勻，費時費力。

為了提高檢測效率，保證檢測結(jié)果的可靠、有效性，需要研制自動掃查機構(gòu)，即手持遙控自動爬行掃查機構(gòu)。實現(xiàn)平穩(wěn)行走，傳感器勻速獲得焊縫質(zhì)量信號，自動供水耦合系統(tǒng)均勻地輸送耦合劑，探頭楔塊和管表面形成均勻薄層，保證超聲波信號衰減程度一致，解決因抖動產(chǎn)生扭曲失真，同時實現(xiàn)根據(jù)實時圖像結(jié)果和檢測人員命令反復微距離、靈活掃查運動。

2.2 TOFD技術消除盲區(qū)影響的解決方案

為了解決TOFD技術在檢測過程中上下表面存在盲區(qū)的技術問題，以及解決附加常規(guī)超聲和磁粉帶來的反復掃查焊縫，以致費時費力，嚴重影響檢測效率的問題，研究分析了國內(nèi)外TOFD技術解決盲區(qū)的多種檢測方案特性見表1所列。

根據(jù)以上分析研究，結(jié)合海底管線具體應用環(huán)境，采用TOFD技術結(jié)合PE檢測技術的檢測方案，對表面盲區(qū)采用PE技術進行補充檢測，采用TOFD技術檢測焊縫，各采用2只普通橫波斜探頭分別掃查上下表面，探頭按照非平行掃查記錄全過程信號，對盲區(qū)內(nèi)的缺陷檢出比較有效，一次掃查可以實現(xiàn)焊縫100%全覆蓋，解決了上下表面盲區(qū)和反復掃查費時費力等問題，適合海底管線焊縫檢測。通過大量的實驗驗證，該方法穩(wěn)定可靠，可以代替原先的TOFD技術加超聲波、磁粉檢測方法。該方案所使用的設備小巧輕便，幾乎可以在任何地方進行檢測操作。數(shù)據(jù)采集單元、掃查器、編碼器及軟件的結(jié)合使得對海底管線、壓力容器焊縫及其他焊縫的檢測變得簡便易行。該方案采用Omniscan MX2八通道超聲波設備和電動鏈式掃查器，TOFD帶2對PE探頭檢測焊縫，檢測原理如圖2所示。

表1 TOFD技術檢測方案對比

圖2 TOFD加PE檢測原理示意

2.3 消除手動掃查及耦合影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的解決方案

為了解決手動數(shù)據(jù)掃查用力不均、易疲勞，手動耦合水層不均勻等帶來數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等問題，設計開發(fā)了自動鏈式掃查系統(tǒng)和自動供水耦合系統(tǒng)。自動鏈式掃查系統(tǒng)采用高性能鋰電池供電，手持遙控自動穩(wěn)定、高精度爬行，鏈結(jié)式結(jié)構(gòu)使掃查機構(gòu)輕松適用于管徑為15.9～101.6 cm的管道。自動供水耦合系統(tǒng)采用通過增加供水線路、楔塊開孔，自動添加耦合劑，且壓力及水層厚度均勻，有效保證了檢測數(shù)據(jù)的精確、可靠、有效性。提高了檢測效率，實現(xiàn)平穩(wěn)行走，傳感器勻速獲得焊縫質(zhì)量信號，解決因抖動產(chǎn)生扭曲失真，同時實現(xiàn)根據(jù)實時圖像結(jié)果和檢測人員命令反復微距離、靈活掃查運動。掃查器的固定靠鏈環(huán)而不是磁輪，既能檢驗鐵磁表面也能檢驗非鐵磁表面。鏈環(huán)的使用消除了導向的問題，保證了掃查器的直線移動，鏈式掃查器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鏈式掃查器結(jié)構(gòu)示意

3 TOFD結(jié)合PE技術的檢測效果試驗驗證

3.1 缺陷檢出率實驗

結(jié)合實際生產(chǎn)條件，進行了一次針對鋼質(zhì)焊縫TOFD結(jié)合PE檢測技術的缺陷檢出率實驗。所用28個試件厚度為10～30 mm，管徑為159～814 mm，包含未焊透、未熔合、夾渣、裂紋等缺陷試件，同時根據(jù)需要人工植入部分典型性缺陷，共計115個超標缺陷，對以上缺陷分別使用超聲波、射線、TOFD和TOFD結(jié)合PE技術分別進行檢測，缺陷檢測數(shù)據(jù)對比見表2所列。

表2 缺陷檢測數(shù)據(jù)對比

由實驗結(jié)果可以看出，TOFD結(jié)合PE技術，缺陷檢出率可達到92%以上，同時通過對部分焊縫解剖切片、酸洗處理后，實際測量缺陷位置、尺寸，結(jié)果顯示TOFD技術結(jié)合PE技術檢測準確度比較高。

3.2 盲區(qū)缺陷檢出能力實驗

利用帶1～4 mm深度刻槽的標準盲區(qū)試塊，測試表面缺陷檢出能力。TOFD盲區(qū)試塊測試示意如圖4所示，圖4中2～4 mm缺陷可以明顯被檢出，1 mm缺陷埋藏在直通波中，未能被檢測出，如果該實際焊縫區(qū)域存在缺陷，就有可能漏檢，特別是裂紋等危險性缺陷極易擴展，導致焊縫承載能力瞬間失效。

圖4 TOFD盲區(qū)試塊測試示意

為了驗證TOFD結(jié)合PE檢測技術對盲區(qū)的有效覆蓋，根據(jù)標準要求在試塊模具公司制定了校準對比試塊，并經(jīng)過蘇州計量測試研究所出具試塊檢測合格報告，保證壁厚、刻槽的精確度。校準試塊用來校準調(diào)試探頭各項性能參數(shù)，包括探頭前沿、測定聲速、校準壁厚等，對比試塊是焊縫內(nèi)外表面刻槽等模擬缺陷的整圈焊縫試管。通過TOFD結(jié)合PE檢測結(jié)果顯示，上下表面刻槽均可以發(fā)現(xiàn)，該技術方案可以完全覆蓋整條焊縫。

3.3 室外試驗情況

在自動鏈式掃查系統(tǒng)和耦合供水系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，進行了室外TOFD和PE檢測技術組合檢測試驗。

由檢測試驗得知，焊縫存在密集氣孔，根部未焊滿，表面凹坑等，焊縫存在密集氣孔缺陷，掃查圖像如圖5所示。TOFD技術對焊縫內(nèi)部缺陷檢測準確，2對PE探頭彌補了TOFD技術本身存在上下表面盲區(qū)的缺陷，檢測出表面存在的缺陷。由此可見TOFD結(jié)合PE技術對整個焊縫實現(xiàn)了100%覆蓋，一次掃查完成了整條焊縫的檢測，達到了預期的目標。

3.4 現(xiàn)場試驗情況

經(jīng)過不斷地研究及實驗，開發(fā)的自動鏈式掃查器、自動水耦合供給系統(tǒng)，TOFD結(jié)合PE技術方案的有效性得到了比較好的驗證，實現(xiàn)了各項技術指標，達到在海底管線應用的條件，2013～2019年樁西共計鋪設各類海底管線30多條，按照設計要求對部分焊縫采用射線檢測和超聲波檢測進行了復驗，共計復驗32個帶缺陷焊縫，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，TOFD結(jié)合PE技術均能發(fā)現(xiàn)射線檢測的結(jié)果，并且可以精確測量缺陷尺寸和深度，同時再次驗證了該技術檢測靈敏度高于射線檢測。

圖5 密集氣孔缺陷掃查圖像

4 結(jié)束語

該項目在充分研究國內(nèi)外TOFD技術應用的基礎上，采用TOFD結(jié)合PE的技術，解決了TOFD檢測時上下表面盲區(qū)漏檢問題，同時為了提高數(shù)據(jù)掃查的穩(wěn)定性、可靠性和高效性，開發(fā)了一套自動鏈式掃查系統(tǒng)和耦合供水系統(tǒng)，減輕了操作人員的勞動強度，提高了檢測效率。通過實驗驗證，該方法有效可靠，2組PE探頭掃描上下表面部分，TOFD檢測焊縫中間部分，實現(xiàn)了檢測區(qū)域的100%全覆蓋，TOFD結(jié)合PE技術完全實現(xiàn)自動化，解決了射線檢測與焊接不能流水作業(yè)及對環(huán)境和人身帶來的核輻射問題，社會效益明顯。增加的PE探頭成本非常低，檢測速度快，具有顯著的經(jīng)濟效益，社會效益。