導(dǎo)管架水下結(jié)構(gòu)焊縫常規(guī)清理和檢測方法

薛 方* 陳 勇 張大偉 張 宇 王慧斌

（海洋石油工程股份有限公司）

0 引言

隨著海洋石油行業(yè)高速發(fā)展，海上石油生產(chǎn)設(shè)施越來越多，為了保證設(shè)施安全運行，需要按照一定的周期和頻率對海上結(jié)構(gòu)進行定期的詳細檢查和例行年檢，從而了解和掌握海上結(jié)構(gòu)物當(dāng)前或隨機狀態(tài)及其發(fā)展趨勢，并提供安全性評估數(shù)據(jù)，以便開展例行的維護和必要的維修。

水下結(jié)構(gòu)焊縫的完好性是影響水下結(jié)構(gòu)安全的重要因素，因此水下結(jié)構(gòu)焊縫檢測是檢測中的重要項目。目前通常的做法是對水下結(jié)構(gòu)焊縫進行II類目視檢測和無損探傷檢測，通過這兩種手段確定焊縫有無缺陷，并根據(jù)檢測結(jié)果進行評估和計算，進而給出對應(yīng)的處理方法。

水下結(jié)構(gòu)焊縫檢測前需對焊縫表面的海洋生物進行清理，焊縫表面清理的光潔程度會對后續(xù)的檢測產(chǎn)生直接影響，需依據(jù)不同的焊縫檢測方法、檢測焊縫作業(yè)環(huán)境及海洋生物的類型，采用不同的方法清理焊縫。

1 焊縫前期表面處理階段

由于水下結(jié)構(gòu)物長時間處在海洋環(huán)境中，海洋生物會不斷附著在水下結(jié)構(gòu)的表面并生長，因此在檢查水下結(jié)構(gòu)焊縫表面之前需要將影響檢查的海洋生物清除干凈。目前焊縫的清理方法主要有手動工具清理、高壓水射流清理、空化射流清理、液壓打磨以及水下噴砂方法等。

1.1 手動工具清理方法

手動工具清理主要使用鏟刀、刮刀等將焊縫表面的海生物清理干凈，該方法在渤海灣使用較為普遍，主要由于渤海灣水下能見度較低，部分海區(qū)的水下能見度在條件較好的情況下也不足0.5 m，因此，高壓水射流等高壓設(shè)備的水下使用安全隱患較大，為了保證潛水員的人身安全，避免發(fā)生安全事故，只能使用鏟刀、刮刀等手動工具進行清理。但使用手動工具清理焊縫表面海生物的方法缺點較多：（1）清理效率較低，且表面有一定的殘留物；（2）清理過程中，由于海洋生物附著力較大，潛水員在清理過程中的力度不好控制，很容易在焊縫表面留下劃痕，這些劃痕會對焊縫后期的無損檢測造成較大干擾，影響檢測人員的判斷，且很容易被認為是焊縫缺陷。因此在使用手動工具清理焊縫表面海生物時，一般使用較大的鏟刀將表面大量的海洋生物清理干凈，再使用小刮刀逐步將焊縫表面海洋生物清除，減少和避免鏟刀對焊縫表面的損傷，如圖1所示。

圖1 潛水員使用手動工具清理海洋生物

1.2 高壓水射流清理技術(shù)

使用高壓水射流技術(shù)清理焊縫表面海洋生物時，一般應(yīng)盡可能選擇水下能見度高的海域，目前國內(nèi)東海部分海域及南海海域海上設(shè)施的水下結(jié)構(gòu)表面海洋生物清理一般選用該方法。高壓水射流技術(shù)是水通過高壓水泵再經(jīng)噴嘴小孔后形成高速的高能量射流束，這種射流具有強大的動能，射流束對材料表面產(chǎn)生的沖擊力大于附著物的附著力時，就可清除設(shè)施表面的附著物。高壓水射流設(shè)備在運行時的噴射壓力通常為68 947～137 895 kPa，當(dāng)其壓力超過137 895 kPa就可以切割鋼鐵類材料，所以風(fēng)險較高。當(dāng)其用于清理海洋生物時，壓力一般控制在48 263～75 842 kPa[1]。高壓水射流雖然清理效率較高，清理效果較好，但由于其壓力也高，在水下能見度較低的海域工作時，安全隱患較大，如果使用不當(dāng)，可能會對潛水員身體造成傷害，如圖2所示。同時，高壓水射流也很難將焊縫表面的銹蝕點清理干凈。

圖2 潛水員使用高壓水槍清理節(jié)點焊縫

1.3 空化射流清理技術(shù)

空化射流清理技術(shù)是將空化作用引入水射流技術(shù)中而形成的新型水下設(shè)施清洗技術(shù)。通過控制壓力、流速等參數(shù)使水流束經(jīng)過空化噴嘴時產(chǎn)生大量的空化泡，利用空化泡在材料表面的狹小區(qū)域內(nèi)潰滅產(chǎn)生高達140～170 MPa 的微射流沖擊待清理表面[2]，達到清理設(shè)施表面附著物和污垢層的目的?？栈淞髟O(shè)備在運行時的噴射壓力通常為25 510 kPa，噴射的介質(zhì)為空化氣泡，使用過程中槍嘴與潛水員身體直接接觸，潛水員能感覺到疼痛，但對身體無傷害。但由于空化泡潰滅瞬時產(chǎn)生的強壓力脈沖部分會被海水吸收，導(dǎo)致空化射流的沖蝕能力降低，且空化射流清理設(shè)備需要將工作壓力控制在25 510 kPa左右，才能產(chǎn)生穩(wěn)定的空化射流，壓力過低將導(dǎo)致空化泡數(shù)不足，壓力過高又將導(dǎo)致空化泡潰滅時產(chǎn)生的強壓力脈沖互相抵消。根據(jù)實踐經(jīng)驗，空化射流對軟質(zhì)海洋生物的清理效果較好，但對硬質(zhì)海洋生物的清理效果差，如圖3所示，而焊縫表面的海洋生物大多為硬質(zhì)海洋生物，在國內(nèi)導(dǎo)管架水下結(jié)構(gòu)焊縫檢測中，較少使用該方法清理焊縫表面海洋生物。

圖3 使用空化射流清理水下結(jié)構(gòu)表面海洋生物

1.4 液壓打磨清理技術(shù)

液壓打磨清理技術(shù)是在焊縫表面大量海洋生物清理完成后，再使用液壓打磨刷對焊縫表面殘留的海洋生物進行清理，一般使用硬質(zhì)的打磨頭進行清理，軟質(zhì)的打磨刷（如鋼絲刷等）清理效果較差，無法將殘留的硬質(zhì)海洋生物清理完全。使用水下磁粉對焊縫進行檢測時，對焊縫表面的光潔度要求較高，一般使用該方法對焊縫進行進一步打磨處理，如圖4所示。該方法相對安全可靠，但由于液壓打磨刷體積較大，無法對導(dǎo)管架的樁腿和桿件之間焊縫的狹小區(qū)域進行清理，該區(qū)域需要采用高壓水槍或其他工具進行清理，同時使用液壓打磨機，若壓力過大，會將焊縫表面的金屬打磨掉，損傷水下結(jié)構(gòu)，同時會造成應(yīng)力集中，提高形成裂紋的風(fēng)險。

圖4 水下液壓打磨機

1.5 水下噴砂清理技術(shù)

該方法在國內(nèi)應(yīng)用較少，目前僅在LF7-2項目前期檢測中使用過。該方法是將水上的噴砂處理技術(shù)應(yīng)用在水下，該技術(shù)將水和砂混合，通過高壓泵控制其輸出壓力，使形成的水砂混合高速射流噴在焊縫表面，利用砂粒對焊縫的作用力將焊縫表面的海洋生物清理干凈，如圖5所示。該方法綜合了高壓水射流技術(shù)和液壓打磨清理技術(shù)的優(yōu)點，可以將焊縫狹小區(qū)域的海洋生物清理干凈，并將焊道中銹蝕點打磨掉，且焊縫表面不會出現(xiàn)打磨不均勻而造成的應(yīng)力集中，并且其光潔度滿足水下磁粉檢測對于焊縫清理的要求。但使用水下噴砂技術(shù)的成本太高，因此目前采用該技術(shù)清理焊縫表面海洋生物的情況較少。

圖5 使用水下噴砂清理焊縫表面海洋生物

1.6 幾種清理技術(shù)的優(yōu)缺點對比分析

幾種清理技術(shù)的優(yōu)缺點對比分析可見表1。

表1 幾種清理技術(shù)的優(yōu)缺點對比分析

通過對比后發(fā)現(xiàn)，這幾種清理技術(shù)各有優(yōu)缺點，在清理導(dǎo)管架焊縫時，可以根據(jù)項目情況、環(huán)境情況及檢測方法的要求合理選取適用的方法或?qū)追N方法結(jié)合，從而為后續(xù)的焊縫檢測做好準備工作。

2 檢測實施階段

焊縫前期處理完成后，應(yīng)對焊縫進行檢測，主要包括II類檢測和無損檢測。

2.1 焊縫II類檢測

II類檢測是在清理表面海洋生物后進行的近距離目視檢測，一般可借助于皮尺、量具等簡單的測量工具。焊縫II類檢測首先將焊縫沿圓周分為12個時鐘點，潛水員沿時鐘點位對焊縫進行近距離目視檢查，檢查過程中要甄別焊縫上是否有開裂或裂紋、氣孔、銹蝕、夾渣、劃痕等異常情況，同時要注意檢測焊縫3點和9點處位置，一般桿件制造后會留下焊接橫向焊縫。在對焊縫進行II類目視檢測時，潛水員進行檢查同時還應(yīng)口述檢查情況，對于出現(xiàn)異常的情況，潛水監(jiān)督要及時記錄，潛水員使用皮尺等工具進行測量并拍照或錄像。同時為了確保檢測規(guī)范化，測量均應(yīng)放置標(biāo)牌，注明平臺名稱、構(gòu)件名稱、水深、檢查日期等，并照相記錄。

2.2 焊縫無損檢測

導(dǎo)管架水下結(jié)構(gòu)焊縫無損檢測主要為水下磁粉檢測和ACFM檢測兩種方式。

2.2.1 節(jié)點焊縫水下磁粉檢測

水下磁粉檢測是利用漏磁場與磁粉檢測鐵磁材料表面和近表面不連續(xù)的一種無損檢測方法。為了確保在水下黑暗環(huán)境中對磁痕進行有效的觀察和評定，目前水下磁粉檢測主要采用熒光磁粉探傷方法。在有足夠白光光源的情況下，也可以使用非熒光磁粉探傷方法。水下磁粉檢測步驟主要包括清理焊縫檢測區(qū)域表面，選擇磁化方法靈敏度校準，磁化與觀察，驗證缺陷及退磁。

2.2.2 節(jié)點焊縫水下ACFM檢測

水 下ACFM（Alternating current field measurement）是利用電磁感應(yīng)原理檢測工件的缺陷裂紋，通過磁軛產(chǎn)生原磁場在金屬板表面產(chǎn)生電流，通過霍爾效應(yīng)傳感器來檢測次級磁場變化情況。如果工件沒有缺陷，則交流電流會在表面產(chǎn)生均勻的磁場。如果表面存在缺陷，缺陷將干擾電流，使缺陷周圍的磁場發(fā)生變化，ACFM探頭中的傳感器測量到磁場變化后再判斷缺陷。

ACFM檢測技術(shù)可測量表面裂紋的長度，并計算裂紋深度，其檢測方法為非接觸式[2]，可透過非導(dǎo)電涂層檢測出細微表面的斷裂缺陷（一般涂層厚度不超過5 mm），無論該覆蓋層是油漆層或是其他物質(zhì)（如海洋生物根部鈣質(zhì)層），該檢測技術(shù)依然可以正常實施，無需清理至金屬層裸露，同時可檢測深度范圍為0～30 mm的缺陷，對于缺陷深度超過30 mm的缺陷，ACFM檢測設(shè)備只能測量出缺陷的長度，但無法測量其深度。

2.2.3 水下磁粉檢測和ACFM檢測的對比分析

水下磁粉檢測和ACFM檢測對比分析可見表2。通過對比發(fā)現(xiàn)，ACFM檢測技術(shù)在檢測效果和效率方面明顯優(yōu)于水下磁粉技術(shù)，正是由于其具有便捷、高效的優(yōu)點，自產(chǎn)品面世后，被廣泛應(yīng)用于水上、水下的焊縫檢測工作中，但水下磁粉技術(shù)可以直觀地顯示裂紋在焊縫表面的走向，通常被用來驗證ACFM檢測中發(fā)現(xiàn)的缺陷，在缺陷進行打磨處理時也會以輔助裂紋打磨處理。

表2 水下磁粉檢測和ACFM檢測對比分析

3 結(jié)論

在焊縫表面海洋生物清理和焊縫檢測過程中，需要根據(jù)焊縫表面的海洋生物種類、作業(yè)環(huán)境的可見度等因素選擇恰當(dāng)?shù)姆椒▉硗瓿珊缚p表面的前期處理。在檢測實施階段目前一般采用ACFM檢測技術(shù)進行焊縫檢測，但也可以結(jié)合水下磁粉檢測進行相互驗證。文中對導(dǎo)管架水下結(jié)構(gòu)焊縫檢測的前期焊縫表面處理、焊縫的檢測的實施過程中的不同方法的原理、注意事項進行了論述，并對這些方法的優(yōu)缺點進行了比較，希望能夠為后續(xù)導(dǎo)管架水下結(jié)構(gòu)焊縫表面海洋生物的清理和焊縫檢測提供參考。