海底管道厚壁CRA管AUT檢測技術(shù)研究與應(yīng)用

張俊杰 吳員 趙明達（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

1 背景

CRA（耐蝕合金）復(fù)合管道主要用于輸送含硫量較高的酸性介質(zhì)，近年來隨著國內(nèi)及國際上海上油氣開采范圍的擴大、油氣處理能力的提高、焊接工藝的進步，CRA 復(fù)合管道在海底管道及附屬結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越廣泛，但在CRA復(fù)合管線對接環(huán)焊縫的檢測中，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，常規(guī)的橫波超聲檢測效果較差，射線檢測成為主要的檢測方法。

CRA復(fù)合管主要可以分為3個區(qū)域，分別是碳鋼區(qū)域①，主要用于做背襯材料；焊縫區(qū)域②；堆焊區(qū)域③，如圖1所示。

圖1 CRA復(fù)合管焊縫結(jié)構(gòu)示例

較碳鋼焊縫，CRA 復(fù)合管焊縫更加復(fù)雜，主要表現(xiàn)在碳鋼母材與CRA 堆焊層材料差異、碳鋼母材與焊縫填充材料差異、CRA 堆焊層及填充材料本身的特殊性。傳統(tǒng)的碳鋼AUT 工藝主要采用橫波檢測，因為普通碳鋼的晶粒組織為100微米級，對于一般用于檢測超聲波來說是均勻的、各項同性的，且晶粒對聲波散射很低，檢測效果較為理想。但對于不銹鋼來說，其本身有晶粒粗大及顯著的各項異性等特點，橫波在其內(nèi)部傳播時，會產(chǎn)生很強的散射及衰減，從而導(dǎo)致檢測信噪比很差，回波信號甚至湮沒于噪聲信號中，此外母材與填充材料及堆焊層材料之間的差異也會導(dǎo)致散射及衰減。

近年來，隨著AUT技術(shù)的發(fā)展以及相關(guān)技術(shù)的研究不斷成熟，AUT檢測技術(shù)在CRA復(fù)合管道檢測方面的研究已經(jīng)取得重大進步，并得到了應(yīng)用。本文主要針對AUT 檢測技術(shù)在厚壁CRA 管對接環(huán)焊縫研究過程中的聲學(xué)性能實驗、方案設(shè)計、校準(zhǔn)試塊、工藝認(rèn)證等方面進行了表述，并給出了具體的解決方案。

2 聲學(xué)實驗

2.1 TOFD（衍射時差法）聲學(xué)性能試驗

本試驗旨在使用TOFD 方法，比較使用不同頻率探頭檢測復(fù)合管焊縫區(qū)及其熱影響區(qū)的效果，并在堆焊區(qū)做TOFD 檢測作為對比，以提供數(shù)據(jù)支持。

本試驗中，使用5MHz、10MHz、15MHz三種探頭，60°楔塊分別檢測堆焊區(qū)及焊縫區(qū)，并將結(jié)果對比，計算PCS（探頭中心間距）時模擬主聲束打在2/3壁厚處。檢測焊縫區(qū)時，兩探頭關(guān)于焊縫對稱放置.另外，在堆焊區(qū)做相同實驗作為對比，并注意使聲束覆蓋區(qū)域在堆焊區(qū)以內(nèi)。（見圖2、圖3）

使用5MHz探頭檢時，在堆焊區(qū)的效果相對較好，可明顯區(qū)分的出碳鋼層、不銹鋼層，其中碳鋼層信噪比較好，不銹鋼層信號較亂。10MHz探頭信噪比較差，15MHz探頭則基本無法區(qū)分底波信號跟噪聲信號。

2.2 縱波衰減實驗

本試驗主要目的是測試縱波通過復(fù)合管焊縫的衰減程度，驗證復(fù)合管縱波檢測的可行性。試驗的主要方法是使用5MHz/6mmTOFD探頭做縱波一發(fā)一收設(shè)置，分別使用45°、60°、70°幾個角度，調(diào)整增益分別使套管區(qū)、堆焊區(qū)、焊縫區(qū)波幅達到80%，記錄增益值，比較堆焊區(qū)與焊縫區(qū)的衰減。

試驗結(jié)果顯示，縱波通過焊縫區(qū)域的衰減與通過堆焊層的衰減相比差值在7db以內(nèi),滿足實現(xiàn)超聲檢測衰減在12dB 以內(nèi)的要求。但45°聲束的衰減相對比較嚴(yán)重，可能是由于焊縫根部不規(guī)則造成的。3 個角度通過母材區(qū)域時衰減均比較嚴(yán)重。堆焊區(qū)、焊縫區(qū)的回波在大部分位置是不銹鋼底面回波，45°波在碳鋼/不銹鋼界面上的反射回波基本看不到，60°、70°一般會有波幅較小的界面回波，偶爾會出現(xiàn)碳鋼/不銹鋼界面回波比不銹鋼底面波波幅高的情況。

3 方案設(shè)計

傳統(tǒng)的碳鋼AUT檢測工藝以橫波為主，并采用二次波及一次波結(jié)合的方式，但根據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)，橫波的效果很不理想，相反，縱波相比橫波有更好的信噪比。經(jīng)過一系列的對比、試驗研究后確定新方案為：工藝配置四組探頭（1對相控陣探頭，1對TOFD探頭，1對爬波探頭，1對TRL探頭），探頭組可有效覆蓋焊縫的整個區(qū)域，并全部采用縱波一次波。探頭信息及覆蓋區(qū)域見表1。

圖3 焊縫區(qū)濾波器5MHz(3.1～7.5MHz)；脈沖寬度100ns;增益50dB.

表1 CRA 復(fù)合管AUT檢測工藝探頭信息及覆蓋區(qū)域

CRA復(fù)合管AUT工藝校準(zhǔn)試塊用于驗證工藝的有效性、校準(zhǔn)系統(tǒng)。必須使用與檢測目標(biāo)一致的材料，并使用完全相同的焊接工藝焊接成焊縫，在焊縫上加工標(biāo)準(zhǔn)反射體。根據(jù)檢測區(qū)域的不同以及檢測方法的不同，反射體的設(shè)計方法也不同，如TOFD 通道應(yīng)設(shè)計槽型反射體，爬波通道應(yīng)在表面設(shè)計一定深度的槽型反射體，相控陣通道需要根據(jù)不同的區(qū)域設(shè)置深度不同，角度不同的反射體，主要以平底孔為主，每個分區(qū)的高度約為2.5mm。CRA 復(fù)合管的AUT 校準(zhǔn)試塊設(shè)計是一個比較復(fù)雜的過程，其反射體的設(shè)置根據(jù)不同的材料及管線尺寸均會不同，這里不再詳細介紹。

文章中的聲學(xué)實驗旨在測量CRA 復(fù)合管焊縫及母材區(qū)域的聲學(xué)特征，由于CRA 的材質(zhì)會有所差異，故該實驗是非常有必要的，也是后續(xù)工作的基礎(chǔ)。隨著相控陣超聲波技術(shù)的發(fā)展，尤其是探頭制作工藝的進步，其檢測方案呈現(xiàn)多元化的趨勢。最后AUT檢測工藝必須經(jīng)過實驗評定，確定其檢測能力并得到業(yè)主認(rèn)可后方能投入工程實踐。本文針對以上內(nèi)容并結(jié)合筆者多年的相關(guān)經(jīng)驗，對海底管道厚壁CRA管AUT檢測技術(shù)研究與應(yīng)用的存在的問題進行了研究探討，并給出了意見和方案，希望能夠為以后的相關(guān)研究提供一定的參考。