淺談鋼懸鏈立管環(huán)焊縫無損檢驗(yàn)方法的適用性

何 星* 趙煥霆 張?zhí)旖?張永波 徐 振

（海洋石油工程股份有限公司）

0 引言

淺水海洋石油平臺(tái)通常包括導(dǎo)管架和組塊兩大部分。導(dǎo)管架立于水中，采用鋼樁插入海底來實(shí)現(xiàn)固定。組塊安裝在導(dǎo)管架上，用于油氣開采、處理和存儲(chǔ)，以及工人的日常生活。一般來說，平臺(tái)與平臺(tái)之間、平臺(tái)與陸地終端之間由海底管道連接。立管則是海洋石油平臺(tái)管道和海底管道的過渡部分，一般固定在導(dǎo)管架的樁腿上。然而，用于深水油氣田開發(fā)的半潛式海洋石油平臺(tái)的立管懸掛在水中，因此稱為鋼懸鏈立管。鋼懸鏈立管的預(yù)鋪設(shè)方式和常規(guī)海底管道相同，再回接固定在半潛平臺(tái)上。受海水和風(fēng)浪的影響，鋼懸鏈立管會(huì)隨半潛平臺(tái)移動(dòng)，受到循環(huán)載荷作用。循環(huán)載荷可能導(dǎo)致焊縫中的缺陷不斷擴(kuò)展，因此鋼懸鏈立管的焊縫質(zhì)量要求十分嚴(yán)格。選用合適的無損檢驗(yàn)方法，做好鋼懸鏈立管鋪設(shè)中的環(huán)焊縫質(zhì)量把控工作顯得尤為重要。通過對比射線檢驗(yàn)、超聲波檢驗(yàn)和相控陣超聲波檢驗(yàn)三種方法的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)，分析鋼懸鏈立管環(huán)焊縫無損檢驗(yàn)方法的適用性。

1 射線檢驗(yàn)

工業(yè)探傷中，常用的射線設(shè)備為x-射線機(jī)和r-源。其中，x-射線機(jī)只在通電的情況下才會(huì)產(chǎn)生射線。受作業(yè)位置和空間的限制，為了確保更好地防護(hù)射線，海洋油氣項(xiàng)目海上施工期間通常選用x-射線。

1.1 射線檢驗(yàn)的基本原理

海洋油氣工程中焊接接頭射線檢驗(yàn)通常采用射線照相法，將射線源和工業(yè)膠片分別置于待檢工件的兩側(cè)。射線在穿透物體過程中會(huì)與物質(zhì)發(fā)生相互作用，因吸收和散射而使其強(qiáng)度減弱。若焊縫和母材局部存在缺陷，構(gòu)成缺陷的物質(zhì)的衰減系數(shù)與焊縫不同，則該區(qū)域透過的射線也會(huì)不同。透過工件到達(dá)膠片的射線使膠片感光，經(jīng)過顯影、定影等暗室處理后得到底片。由于缺陷部位和完好部位的透射射線強(qiáng)度不同，底片上就會(huì)顯示出對應(yīng)的黑度差異。在觀片燈光屏上，評片人員通過觀察底片能夠比較準(zhǔn)確地判斷出缺陷的性質(zhì)、數(shù)量、尺寸和位置。

1.2 海底管道環(huán)焊縫的射線檢驗(yàn)

在海底管道鋪設(shè)期間，對接環(huán)焊縫的射線檢驗(yàn)可根據(jù)管徑、壁厚、射線裝置及作業(yè)空間等條件選擇單壁單影（SWE/SWV，詳見圖1）或雙壁單影（DWE/SWV，詳見圖2）透照技術(shù)。通常，只要現(xiàn)場作業(yè)條件允許，環(huán)焊縫檢測時(shí)首選中心曝光。將射線源置于管道內(nèi)部的焊縫中心位置，膠片置于焊縫外表面，一次曝光即可完成整道焊縫的檢驗(yàn)工作。近年來，無線遙控爬行器射線設(shè)備已成為海底管線海上鋪設(shè)射線檢驗(yàn)的首選設(shè)備。該設(shè)備一般由射線機(jī)、電池、爬車、控制器四個(gè)部分組成。工作時(shí)，射線機(jī)、電池和爬車連接形成一個(gè)整體置于海底管線內(nèi)，操作人員通過控制器在管外發(fā)出指令，控制管內(nèi)設(shè)備進(jìn)行前進(jìn)、后退、定位、曝光等工作，并通過管內(nèi)爬行器的報(bào)警聲音判斷設(shè)備狀態(tài)和工作情況。由于沒有電纜和鋼絲繩，不會(huì)對自動(dòng)焊使用的內(nèi)對口器產(chǎn)生干擾。

圖1 環(huán)焊縫射線檢驗(yàn)單壁單影（SWE/SWV）透照圖例

圖2 環(huán)焊縫射線檢驗(yàn)雙壁單影（DWE/SWV）透照圖例

1.3 射線檢驗(yàn)的主要優(yōu)缺點(diǎn)

1.3.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）操作簡便，易掌握；

（2）檢測圖像直觀、形象，缺陷評定較準(zhǔn)確；

（3）對于形成局部厚度差的缺陷更加容易檢出；

（4）對體積型缺陷（如氣孔和夾渣等）的檢出率較高；

（5）檢驗(yàn)結(jié)果重現(xiàn)性好；

（6）設(shè)備一次性投資較小，經(jīng)濟(jì)性較好。

1.3.2 缺點(diǎn)

（1）射線源和膠片分別置于被檢工件兩側(cè)，要求工件兩側(cè)都可以接近；

（2）受射線穿透能力限制，被檢測厚度不能太大；

（3）對缺陷方向性要求高，當(dāng)薄層缺陷垂直于透照方向時(shí)不能檢出，如母材分層；

（4）對線狀缺陷檢出率較低，且無法提供厚度方向的缺陷信息；

（5）檢驗(yàn)速度慢、效率低、成本高；

（6）有輻射危害，對作業(yè)人員存在一定傷害；

（7）膠片處理會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)藥液，污染環(huán)境。

2 超聲波檢驗(yàn)

超聲波是指超過人耳聽覺范圍的聲波，頻率大于20 000 Hz，其屬于機(jī)械波，傳播過程中僅有能量傳播，而沒有物質(zhì)轉(zhuǎn)移。

2.1 超聲波檢驗(yàn)的基本原理

焊接接頭超聲檢驗(yàn)通常采用脈沖反射法。超聲波探頭發(fā)射脈沖波到被檢工件內(nèi)，遇到內(nèi)部缺陷或者工件底面后反射，再由超聲波探頭接收。檢驗(yàn)人員根據(jù)儀器波屏上顯示的波形位置和形狀來定性缺陷，以回波傳播時(shí)間來定位缺陷，以回波幅度來定量缺陷。

2.2 海底管道環(huán)焊縫超聲波檢驗(yàn)

對海底管道環(huán)焊縫進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)時(shí)，首先使用縱波直探頭對焊縫兩側(cè)母材進(jìn)行直探傷掃查，確保母材內(nèi)部無影響超聲波傳播的大尺寸面狀缺陷（如夾層等）。然后使用橫波斜探頭對焊縫進(jìn)行掃查，當(dāng)探頭角度與缺陷方向垂直時(shí)，獲得缺陷的最大回波信號(hào)。圖3為對接焊縫的橫波斜探頭檢驗(yàn)。超聲波檢驗(yàn)可從工件一面完成，通常應(yīng)選用45°，60°和70°探頭。由于常規(guī)超聲波無法保存掃查數(shù)據(jù)，因此對操作人員的技術(shù)水平要求較高。

圖3 對接焊縫橫波斜探頭檢驗(yàn)

2.3 超聲波檢驗(yàn)的主要優(yōu)缺點(diǎn)

2.3.1 優(yōu)點(diǎn)（1）穿透能力強(qiáng)，范圍可達(dá)5 m；

（2）缺陷檢出能力強(qiáng)，能找出非常小的缺陷（約1/2波長）；

（3）對線狀缺陷檢出率高，評定較準(zhǔn)確，評定結(jié)果重現(xiàn)性較好；

（4）評定缺陷長度、寬度、高度、深度，真正實(shí)現(xiàn)體積型檢測；

（5）只需一面接近；

（6）儀器便攜，檢測條件較簡單，可以無電、無水，適用于現(xiàn)場作業(yè)；

（7）檢測效率高，且對作業(yè)人員無生理傷害。2.3.2 缺點(diǎn)

（1）對點(diǎn)狀缺陷檢出率較低；

（2）對人員的技術(shù)水平要求較高；

（3）表面要求光滑，對幾何形狀有要求；

（4）接焊厚度應(yīng)大于 6 mm，檢驗(yàn)管徑應(yīng)大于100 mm；

（5）設(shè)備投資較大，儀器設(shè)備越好，檢測效果就可能越好。

3 相控陣超聲波檢驗(yàn)

超聲波相控陣技術(shù)是傳統(tǒng)單晶片超聲波技術(shù)的特殊應(yīng)用形式。與傳統(tǒng)超聲波檢驗(yàn)不同，相控陣探頭是由多個(gè)晶片組成的換能器陣列，通過激發(fā)電路控制對同一聚焦法則下不同晶片的激發(fā)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)波束的聚焦和偏轉(zhuǎn)。

3.1 相控陣超聲波的基本原理

相控陣超聲波技術(shù)的核心原理是波的干涉。嚴(yán)格來說，相控陣超聲波原理是基于“惠更斯原理”，即行進(jìn)中的波陣面上任一點(diǎn)都可看作是新的次波源，知道了任意時(shí)刻一個(gè)波陣面的位置，就可以繪出下一時(shí)刻的波陣面的位置。波陣面是由很多晶片激發(fā)的小波陣面（次級波）疊加而成，這是相控陣超聲波的理論基礎(chǔ)。

3.2 海底管道環(huán)焊縫相控陣超聲波檢驗(yàn)

相控陣超聲波檢驗(yàn)在海底管道對接環(huán)焊縫檢驗(yàn)的主要應(yīng)用為全自動(dòng)超聲波檢測（AUT）技術(shù)。AUT技術(shù)的基礎(chǔ)方法為分區(qū)法。

3.2.1 分區(qū)法

分區(qū)法是根據(jù)待檢焊縫的坡口形式和參數(shù)，將焊縫沿壁厚方向上分成幾個(gè)區(qū)，通常包括根部、鈍邊、熱焊、填充和蓋面，每個(gè)分區(qū)的高度一般為1～3 mm。根據(jù)聚焦法則的設(shè)置，每個(gè)分區(qū)都由一組獨(dú)立的晶片進(jìn)行掃查。

3.2.2 AUT校準(zhǔn)試塊

AUT校準(zhǔn)試塊是AUT系統(tǒng)調(diào)試和校準(zhǔn)的重要依據(jù)，模擬待檢焊縫坡口參數(shù)，在不同區(qū)域加工人工反射體，用于調(diào)試系統(tǒng)的檢測靈敏度。AUT校準(zhǔn)試塊材料應(yīng)與焊縫材料保持一致，每一個(gè)分區(qū)都有自己的反射體（槽或平底孔），ASTM E-1961標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定需在外表面的蓋帽區(qū)和內(nèi)表面的根焊區(qū)開槽，在鈍邊區(qū)、熱焊區(qū)和填充區(qū)設(shè)置直徑為2 mm的平底孔，用中心通孔來確定門的位置。圖4為J型坡口AUT校準(zhǔn)試塊的反射體設(shè)置示例。

圖4 J型坡口AUT校準(zhǔn)試塊的反射體設(shè)置

3.2.3 AUT檢驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示

標(biāo)準(zhǔn)的AUT檢驗(yàn)數(shù)據(jù)輸出顯示包括每個(gè)通道的帶狀圖、根部B掃描（Map通道）、體積通道和TOFD，以及耦合監(jiān)測通道。帶狀圖顯示讓焊縫看起來好像是從中間“剖開”一樣，每個(gè)帶狀圖代表一個(gè)分區(qū)。圖5為AUT掃查圖示例。試塊校準(zhǔn)時(shí)，需進(jìn)行“雙閘門”設(shè)置。波幅門記錄波幅高度，在帶狀圖中以波幅高度來顯示。時(shí)間門記錄渡越時(shí)間（TOF），帶狀圖中以色塊高度來顯示，表示缺陷在坡口面的位置。

圖5 AUT掃查圖示例

3.3 相控陣超聲波檢驗(yàn)的主要優(yōu)缺點(diǎn)

3.3.1 優(yōu)點(diǎn)

（1） 無輻射危險(xiǎn)；

（2） 對危害性強(qiáng)的未熔合型缺陷更加敏感；

（3） 可準(zhǔn)確測量缺陷數(shù)據(jù)，與ECA結(jié)合使用可以降低返修率；

（4） 自動(dòng)掃查，檢驗(yàn)效率較高，受人為因素影響較小。

3.3.2 缺點(diǎn)

（1） 設(shè)備成本高，投入較大；

（2） 材質(zhì)、尺寸、坡口參數(shù)不同，都需要重新制作AUT校準(zhǔn)試塊；

（3） AUT系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)間較長。

4 鋼懸鏈立管環(huán)焊縫無損檢驗(yàn)方法的適用性

陵水17-2氣田群開發(fā)工程項(xiàng)目中每一條鋼懸鏈立管管線的尺寸規(guī)格一致，海上鋪設(shè)施工采用鋪管作業(yè)船。焊縫材料檢驗(yàn)、坡口加工、組對焊接、外觀檢驗(yàn)、無損檢驗(yàn)、節(jié)點(diǎn)防腐等工作在鋪管船上依次進(jìn)行流水線作業(yè)，各工種固定站點(diǎn)同時(shí)施工。由于施工船舶作業(yè)空間有限，焊接方法采用效率較高的的自動(dòng)焊。結(jié)合射線檢驗(yàn)、常規(guī)超聲檢驗(yàn)和相控陣超聲波檢驗(yàn)三種方法的原理和技術(shù)特點(diǎn)，對比分析了其在鋼懸鏈立管環(huán)焊縫焊接中的適用性，如表1所示。

表1 射線檢驗(yàn)常規(guī)超聲檢驗(yàn)和相控陣超聲檢驗(yàn)的原理和技術(shù)對比

5 結(jié)論

鋼懸鏈立管受到循環(huán)載荷作用，因此鋼懸鏈立管的焊縫質(zhì)量要求十分嚴(yán)格，必須對焊縫內(nèi)缺陷的位置和尺寸進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，包括深度、高度和長度等。本文結(jié)合鋼懸鏈立管鋪設(shè)特點(diǎn)，對常用的無損檢驗(yàn)方法原理及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比。結(jié)果顯示， AUT技術(shù)無輻射危害，可交叉作業(yè)；可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測，數(shù)據(jù)可記錄；自動(dòng)掃查，檢測效率高，受人為因素影響較??；缺陷檢出率高，定位、定量準(zhǔn)確；可反饋缺陷的詳細(xì)信息，可用于焊接工程師查找缺陷產(chǎn)生的原因，實(shí)現(xiàn)過程控制，有效降低返修率；耦合劑為水，成本低，無殘留物，不影響后續(xù)施工。綜合以上因素，采用全自動(dòng)相控陣超聲波檢驗(yàn)技術(shù)對鋼懸鏈立管環(huán)焊縫進(jìn)行檢驗(yàn)更為適宜。