φ 50 mm海底管道焊縫的相控陣超聲檢測(cè)

陳 亮，張衛(wèi)東

(海洋石油工程股份有限公司 ，天津 300452)

海底管道是海洋油氣輸送的重要通道，提升管道鋪設(shè)焊縫質(zhì)量是保證其安全運(yùn)行的關(guān)鍵。對(duì)于直徑50 mm的小管徑管道焊縫，主要采用射線方法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，而射線檢測(cè)存在輻射危害，且檢測(cè)效率較低等缺點(diǎn)。近年來(lái)，鋪管船施工安全、環(huán)保等方面的要求越來(lái)越高，海上射線作業(yè)愈發(fā)不能適應(yīng)目前鋪管作業(yè)的需求。隨著相控陣超聲(PAUT)檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展和各類機(jī)械化掃查裝置的研發(fā)與應(yīng)用，相控陣超聲檢測(cè)替代傳統(tǒng)射線檢測(cè)，逐漸受到各大海管施工單位的青睞，提高了海管鋪設(shè)檢驗(yàn)效率[1]。由于海底管道鋪設(shè)施工流程的特殊性，標(biāo)準(zhǔn)DNV-ST-F101-2017 《海底管線系統(tǒng)》要求，施工前需進(jìn)行檢測(cè)工藝缺陷定量精度及檢出率的試驗(yàn)分析，確保管道鋪設(shè)過(guò)程中檢測(cè)工藝的實(shí)施可靠性，為工程質(zhì)量提供保障。

1 相控陣超聲檢測(cè)基本原理

相控陣檢測(cè)系統(tǒng)利用了波動(dòng)物理學(xué)的相位調(diào)整原理，即通過(guò)改變一系列超聲脈沖的發(fā)射時(shí)間，使陣列中的每個(gè)晶片生成的單個(gè)波前交匯在一起，以可以預(yù)見(jiàn)的方式加強(qiáng)或減弱聲波的能量，從而使聲波有效偏轉(zhuǎn)并合成波束，合成波束的生成如圖1所示。

圖1 合成波束的生成示意

2 PAUT扇形掃描技術(shù)及工藝

2.1 檢測(cè)裝備

采用奧林巴斯OMNISCAN MX2檢測(cè)系統(tǒng)，使用頻率為7.5 MHz，16晶片的相控陣探頭進(jìn)行掃查。掃查器采用奧林巴斯COBRA型小徑管掃查器(見(jiàn)圖2)。

圖2 相控陣系統(tǒng)及掃查器實(shí)物

2.2 PAUT扇形掃描技術(shù)

PAUT超聲扇形掃描技術(shù)是將一對(duì)相控陣探頭對(duì)稱布置于焊縫兩側(cè)，每個(gè)探頭可同時(shí)激發(fā)兩組波束，一組角度范圍為40°～60°，另一組角度范圍為40°～70°，以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫檢測(cè)區(qū)域的掃描，典型探頭波束配置如圖3所示，典型扇形掃描顯示如圖4所示，該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷高度、深度、長(zhǎng)度等尺寸的測(cè)定。

圖3 典型探頭波束配置示意

圖4 典型扇形掃描顯示

2.3 校準(zhǔn)試塊

校準(zhǔn)試塊包括靈敏度校準(zhǔn)試塊和工藝驗(yàn)證試塊，使用與工程項(xiàng)目所用管材相同的材料制作。校準(zhǔn)試塊設(shè)置反射體為直徑2 mm的橫通孔，橫通孔等距分布于焊縫厚度方向(校準(zhǔn)試塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5)。工藝驗(yàn)證試塊設(shè)置反射體為面狀反射體，反射體分別設(shè)置于焊縫內(nèi)外表面和內(nèi)部?jī)蓚?cè)坡口面上，面狀反射體類型、尺寸為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)允許的最小尺寸。

圖5 校準(zhǔn)試塊結(jié)構(gòu)示意

3 檢測(cè)能力評(píng)估

3.1 缺陷制作

制作一系列包含不同類型、不同尺寸缺陷的焊縫，焊接工藝為GTAW(鎢極惰性氣體保護(hù)焊)，管材直徑為50 mm，壁厚為6.4 mm，材料為API 5L X65；坡口形式為V型，坡口角度為30°；缺陷類型包括側(cè)壁未熔合、氣孔、夾渣等，分布于焊縫不同深度位置，未熔合缺陷高度為0.5～2.5 mm，長(zhǎng)度為1015 mm。缺陷數(shù)量及具體分布如下：根部未熔合31處；填充處未熔合32處；表面未熔合31處；氣孔2處；夾渣2處；共計(jì)98處。

3.2 缺陷數(shù)據(jù)采集

依次掃描缺陷焊縫，采用端部6 dB方法測(cè)定缺陷的高度，缺陷下端點(diǎn)確定為缺陷深度，分別評(píng)定記錄PAUT檢測(cè)缺陷的高度、深度尺寸。對(duì)于選定的缺陷進(jìn)行宏觀切片(典型宏觀切片圖像見(jiàn)圖6)，記錄缺陷的實(shí)際高度及深度，對(duì)比PAUT檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際尺寸的偏差，選定焊縫缺陷的檢測(cè)數(shù)據(jù)與切片尺寸對(duì)比如表1所示。

圖6 典型缺陷宏觀切片圖像

表1 選定焊縫缺陷的檢測(cè)數(shù)據(jù)與切片尺寸對(duì)比 mm

由表1可知，表面區(qū)域未熔合缺陷高度PAUT評(píng)定結(jié)果與切片尺寸最大偏差為0.4 mm，深度最大偏差為1.7 mm；填充區(qū)域未熔合缺陷高度PAUT評(píng)定結(jié)果與切片尺寸最大偏差為0.8 mm，深度最大偏差為1.2 mm；根部區(qū)域未熔合缺陷高度PAUT評(píng)定結(jié)果與切片尺寸最大偏差為0.9 mm，深度最大偏差為0。

3.3 缺陷高度定量精度分析

直徑50 mm管線焊縫檢測(cè)通常采用經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行缺陷驗(yàn)收，標(biāo)準(zhǔn)還要求進(jìn)行缺陷高度定量精度分析。缺陷高度定量精度分析是通過(guò)對(duì)比PAUT檢測(cè)數(shù)據(jù)與缺陷宏觀切片數(shù)據(jù)進(jìn)行的，即評(píng)估在5%機(jī)率漏檢的情況下，能可靠檢出的最小缺陷尺寸(高度)。通過(guò)對(duì)94個(gè)(另外4個(gè)體積型缺陷只用于檢出驗(yàn)證)缺陷PAUT檢測(cè)結(jié)果與切片測(cè)定結(jié)果的對(duì)比分析，5%機(jī)率漏檢對(duì)應(yīng)的缺陷最小高度為0.9 mm(PAUT檢測(cè)缺陷分布見(jiàn)圖7)，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(±1 mm)。

圖7 PAUT檢測(cè)缺陷分布

3.4 檢出率分析

檢出率(POD)分析是一種主流且可靠的評(píng)估缺陷檢出概率的方法，獲得特定評(píng)定閾值，檢出概率，檢測(cè)可靠性條件下的最小缺陷尺寸。通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使用DNV-ST-F101-2017標(biāo)準(zhǔn)中的分析方法及最大似然法統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，分析得到的30%評(píng)定閾值條件下的POD曲線如圖8。

由圖8可知，進(jìn)行PAUT檢測(cè)缺陷評(píng)定，當(dāng)波幅閾值設(shè)置為30%滿屏高度時(shí)，95%置信水平90%檢出率條件下，可靠檢出的缺陷高度為0.7 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，該P(yáng)AUT檢測(cè)工藝可使用DNV標(biāo)準(zhǔn)中經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行缺陷質(zhì)量驗(yàn)收。

圖8 30%評(píng)定閾值條件下的POD評(píng)定曲線

4 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明，PAUT可有效檢測(cè)出不同位置焊接缺陷，當(dāng)評(píng)定閾值為30%時(shí)，95%置信水平，90%檢出率條件下，可檢出的缺陷最小尺寸為0.7 mm,5%機(jī)率漏檢的最小缺陷尺寸為0.9 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

經(jīng)評(píng)定后的PAUT檢測(cè)工藝可應(yīng)用于海底管道鋪設(shè)過(guò)程的無(wú)損檢測(cè)，使用DNV標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊縫質(zhì)量驗(yàn)收，可替代傳統(tǒng)的射線檢測(cè)，大幅提升現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)效率，規(guī)避潛在輻射危害，同時(shí)，可為海底管道的PAUT工藝認(rèn)證提供一些經(jīng)驗(yàn)與借鑒。

本文獲“2022 Evident杯超聲檢測(cè)技術(shù)優(yōu)秀論文評(píng)選”活動(dòng)三等獎(jiǎng)。