相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在海洋工程小徑管對(duì)接焊縫檢驗(yàn)中的實(shí)踐研究

韋 迪

（湛江中海石油檢測(cè)工程有限公司 廣東 湛江 524057）

1 引言

在當(dāng)前社會(huì)與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，海洋工程建設(shè)質(zhì)量要求越來越高，并且工程建設(shè)的施工環(huán)節(jié)也越來越多。這就導(dǎo)致在進(jìn)行小口徑管道對(duì)接焊縫檢驗(yàn)時(shí)，傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用無法發(fā)揮自身作用價(jià)值，并且部分檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用還會(huì)對(duì)人體帶來傷害。所以有關(guān)部門為了提高工作合理性與有效性，就開始結(jié)合實(shí)際情況利用現(xiàn)代化技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，即相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)。

2 小徑管檢驗(yàn)特點(diǎn)及傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)缺點(diǎn)

2.1 小徑管檢驗(yàn)特點(diǎn)

通過對(duì)小徑管檢驗(yàn)工作的總結(jié)分析可以了解到，這一檢驗(yàn)方式存在以下特點(diǎn)，首先是在檢驗(yàn)過程中需要對(duì)多條焊接縫進(jìn)行檢驗(yàn)，其次就是在檢驗(yàn)過程中由于管材排布較為密集，所以檢驗(yàn)空間十分有限，同時(shí)很多管件都無法移動(dòng)。檢驗(yàn)過程中大部分被檢測(cè)對(duì)象采用的都是管對(duì)管焊接方式，部分管件在焊接時(shí)會(huì)出現(xiàn)彎曲部位焊接的情況。最后就是不同管材的壁厚、材質(zhì)、管徑等存在明顯差異[1]。

2.2 傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)

當(dāng)前小徑管檢驗(yàn)所應(yīng)用的檢測(cè)技術(shù)為相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)，但是在這一檢測(cè)技術(shù)尚未推行前，小徑管檢驗(yàn)所應(yīng)用的檢測(cè)技術(shù)主要是射線技術(shù)以及常規(guī)超聲技術(shù)，本段就對(duì)這兩種檢驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)分析。首先是射線技術(shù)，這一技術(shù)在應(yīng)用過程中會(huì)出現(xiàn)以下3點(diǎn)問題：（1）在檢測(cè)過程中因?yàn)椴糠謾z測(cè)位置平行于照射方向，所以就會(huì)出現(xiàn)無法檢測(cè)的情況，并且在檢測(cè)過程中還無法測(cè)量垂直方向的缺陷尺寸。（2）在檢測(cè)過程中，最終結(jié)果準(zhǔn)確度會(huì)受到底片評(píng)定人員的主觀意識(shí)影響。（3）在技術(shù)應(yīng)用過程中由于射線與環(huán)境的問題，操作人員會(huì)受到輻射照射的傷害，在躲避傷害的同時(shí)檢測(cè)效率會(huì)大大降低。常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用過程中會(huì)出現(xiàn)以下4點(diǎn)問題：（1）在應(yīng)用過程中會(huì)受到檢測(cè)空間限制；（2）檢測(cè)方式的檢測(cè)效率無法保障；（3）檢測(cè)結(jié)果無法得到有效儲(chǔ)存；（4）檢測(cè)結(jié)果受人為因素影響會(huì)出現(xiàn)準(zhǔn)確度偏差。

3 相控陣超聲波小徑管檢測(cè)的難點(diǎn)

3.1 材料壁厚的影響

一般情況下小徑管的管壁比較薄并且焊縫很寬，在實(shí)際檢測(cè)過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因?yàn)楸诤裨? mm以下時(shí)對(duì)聲束到達(dá)小徑管炸根部分后由于角度偏大使得聲束嚴(yán)重散射的情況，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致回?fù)苡蝿?dòng)范圍變大。不僅如此，在檢測(cè)過程中因?yàn)橐淮温暡ǖ牟ǔ梯^短，所以就會(huì)給近場(chǎng)區(qū)內(nèi)檢測(cè)的定量與定位帶來影響，最終直接影響到檢測(cè)工作的可靠性。

3.2 曲率半徑影響

在實(shí)際檢測(cè)過程中，曲率半徑的大小會(huì)直接影響到技術(shù)應(yīng)用合理性，若是曲率半徑過小，就會(huì)導(dǎo)致探頭檢測(cè)接觸面受到限制，最終造成曲面耦合盛能損失加大的問題。與此同時(shí)，在檢測(cè)過程中還會(huì)出現(xiàn)超聲橫波在小徑管內(nèi)表面反射后出現(xiàn)發(fā)散問題，同時(shí)檢測(cè)靈敏度也會(huì)隨之降低，最終給檢測(cè)工作帶來影響[2]。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜

由于工程建設(shè)過程中管材的排布十分密集，再加上不同管材的材質(zhì)與規(guī)格存在明顯差異，所以很多焊接處所利用的焊接工藝也各不相同，這也為控陣超聲檢測(cè)工作帶來了影響。

4 工藝設(shè)計(jì)及仿真

在當(dāng)前海洋工程建設(shè)過程中，有關(guān)部門在對(duì)小徑管對(duì)接接頭進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，經(jīng)常會(huì)利用聚焦換能器進(jìn)行檢測(cè)，以通過這樣的方式來保證信噪比，同時(shí)還可以在一定程度上提高檢測(cè)信號(hào)質(zhì)量。其實(shí)際應(yīng)用就是通過超聲換能器將聚焦點(diǎn)放置在需要進(jìn)行檢測(cè)的區(qū)域與深度，進(jìn)而有效提高該檢測(cè)點(diǎn)的超聲信號(hào)質(zhì)量。相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用目的就是通過對(duì)陣列探頭不同單元的發(fā)射與接收聲波給予不同發(fā)射電壓幅度的過程，在運(yùn)行過程中可以對(duì)聲波束進(jìn)行移動(dòng)、偏轉(zhuǎn)、聚焦等操作。并且在應(yīng)用過程中還可以有效利用儀器對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過這樣的方式來調(diào)整焦點(diǎn)深度，同時(shí)還可以通過單探頭進(jìn)行多角度檢測(cè)，這樣就可以保證在檢測(cè)過程中盡可能多地覆蓋需要檢測(cè)的焊縫。在技術(shù)應(yīng)用過程中一定要對(duì)工程實(shí)際情況進(jìn)行總結(jié)分析，因?yàn)楹Ｑ蠊こ趟鶓?yīng)用的小徑管材壁很薄，再加上管材的管徑小，所以在利用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)前就需要對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行總結(jié)分析。為了提高檢驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，就需要利用高頻探頭，仿真時(shí)應(yīng)用的探頭模型為10L32-A1型探頭。為了保證耦合度得到提升，在楔塊選擇時(shí)一定要盡可能選擇曲率半徑與檢測(cè)管件曲率半徑一致的楔塊，避免出現(xiàn)應(yīng)用平面楔塊的問題，通過這樣的方式來降低耦合損失。與此同時(shí)，在檢測(cè)過程中探頭前沿長(zhǎng)度也會(huì)直接對(duì)聲束以及檢測(cè)覆蓋面帶來影響，所以若要有效提高檢測(cè)合理性，就需要應(yīng)用短前沿楔塊。

4.1 聲束覆蓋設(shè)計(jì)

在進(jìn)行聲束覆蓋設(shè)計(jì)前一定要對(duì)所要檢測(cè)的管材數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析，那么本段就距離某海洋工程建設(shè)管材數(shù)據(jù)進(jìn)行聲束覆蓋設(shè)計(jì)。該管材的壁厚為6.5 mm、管徑為141 mm，其焊縫外表面的寬度為20 mm，管材坡口為單V型，坡口的間隙為6 mm[3]。在仿真檢測(cè)過程中需要在楔塊前沿距焊縫中心12 mm的位置利用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)開展扇形掃描。在掃描時(shí)的大角度波束覆蓋焊縫區(qū)，波束角度為40°～73°，以保證焊縫根部能夠一次完成檢測(cè)，該焊縫的上部屬于二次檢測(cè)區(qū)域。在利用仿真檢測(cè)后可以清楚地了解到焊縫單側(cè)掃查過程中，因?yàn)楹缚p上部屬于二次覆蓋區(qū)域，所以在檢測(cè)過程中若是出現(xiàn)地面余高的情況，就會(huì)導(dǎo)致余高部門出現(xiàn)二次波方向控制問題，使得二次波的覆蓋區(qū)域被壓縮。在該檢測(cè)過程中，有關(guān)部門為了保證焊接接頭能夠降低檢測(cè)盲區(qū)出現(xiàn)的問題，就利用雙側(cè)掃查的方式進(jìn)行全面覆蓋。

4.2 缺陷仿真計(jì)算

通過對(duì)管材焊接接頭結(jié)構(gòu)與聲束覆蓋設(shè)計(jì)的總體可以了解到，管道模型共出現(xiàn)了10個(gè)人工缺陷，并且在模擬過程中還了解到缺陷的類型，通過對(duì)表1進(jìn)行分析就可以了解到詳細(xì)缺陷問題。因?yàn)樵跈z測(cè)過程中應(yīng)用的是兩側(cè)對(duì)稱掃查方式，所以一般情況下的缺陷設(shè)置都是以焊接右側(cè)掃查結(jié)果為準(zhǔn)[4]，見表2、表3。

表1 模擬缺陷列表

表2 焊接右側(cè)掃查模擬缺陷計(jì)算結(jié)果 單位：dB

表3 焊縫左側(cè)掃查模擬缺陷計(jì)算結(jié)果 單位：dB

通過以上數(shù)據(jù)圖表可以了解到，因?yàn)楹附由喜啃枰枚尾ㄟM(jìn)行檢測(cè)，所以就可以有效檢測(cè)出同側(cè)坡口位置的未熔合缺陷，但是對(duì)策坡口位置存在的未熔合缺陷就會(huì)因?yàn)樵跈z測(cè)過程中應(yīng)用平面矩形模型以及焊接縫角度走向問題，使得其反射回波的波幅過低[5]。雖然在檢測(cè)過程中探頭能夠?qū)?duì)側(cè)裂縫檢測(cè)出來，但是因?yàn)榉抡嬗?jì)算過程中沒有對(duì)管件表面反射信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，所以才會(huì)導(dǎo)致反射回波波幅低的問題，因此就需要利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。通過最終總結(jié)分析可以了解到，利用雙側(cè)掃查的方式可以將整個(gè)焊縫檢測(cè)區(qū)域覆蓋，并且在檢測(cè)過程中還可以檢出焊縫各方向缺陷。

5 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并將相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)作用價(jià)值充分展現(xiàn)出來，本段就對(duì)某海洋工程深水鉆井船管道式樣進(jìn)行總結(jié)分析。該工程所應(yīng)用管材直徑141 mm，壁厚6.5 mm，材質(zhì)為4106 B，坡口為單V型，應(yīng)用的焊接方式為鎢極惰性氣體保護(hù)焊。在檢測(cè)過程中應(yīng)用了OLYMPUS相控陣超聲主機(jī)：配備的檢測(cè)系統(tǒng)是FocusLT（64/128）。應(yīng)用這一系統(tǒng)的主要原因是因?yàn)樵撓到y(tǒng)具備64個(gè)獨(dú)立通道以供發(fā)射與接收。在楔塊選擇前還專門進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)結(jié)果設(shè)計(jì)出了短前沿楔塊，通過這樣的方式將波束合理利用起來，同時(shí)保證焊接檢測(cè)能夠完全覆蓋。與此同時(shí)，在檢測(cè)設(shè)計(jì)過程中還定制了小徑管專用掃查架，掃查架應(yīng)用后可以保證整個(gè)檢測(cè)過程平穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)還可以使探頭與焊接中心線保持固定距離[6]。為了保證設(shè)備能夠滿足檢查需求，還專門設(shè)計(jì)了可以調(diào)動(dòng)的磁輪、探頭、編碼器。通過實(shí)際檢測(cè)可以了解到，相控陣超聲檢測(cè)可以有效對(duì)缺陷進(jìn)行定位，同時(shí)缺陷檢出長(zhǎng)度要大于射線檢測(cè)。相控陣超聲檢測(cè)還可以有效檢測(cè)出缺陷的埋藏深度，還可以對(duì)根部缺陷進(jìn)行判斷。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，可知相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在海洋工程小徑管對(duì)接焊縫檢驗(yàn)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。那么在發(fā)展過程中，就需要加大對(duì)這一技術(shù)的應(yīng)用，通過這樣的方式來提高檢驗(yàn)工作合理性與有效性，進(jìn)而有效提高海洋工程建設(shè)合理性與有效性。