基于DNVGL-ST-F101規(guī)范的海底管線碳鋼U型坡口焊縫的TOFD和PAUT檢測

陳 亮

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

自動焊接技術(shù)廣泛應(yīng)用于海底管線鋪設(shè)過程中，自動焊接的坡口形式為U型，坡口角度通常為3°6°。近年來，隨著衍射時差(TOFD)技術(shù)及相控陣超聲檢測(PAUT)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，DNVGL-ST-F101-2017 《海底管線系統(tǒng)》 規(guī)范允許使用相控陣扇形/線性掃描技術(shù)及TOFD檢測技術(shù)進(jìn)行海底管線的焊縫檢測。單一PAUT技術(shù)無法可靠地完成U型坡口焊縫的檢測，目前此類焊縫檢測主要采用射線檢測和一發(fā)一收超聲檢測。筆者通過將TOFD技術(shù)與PAUT技術(shù)有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了U型坡口焊縫的有效檢測，通過對大量缺陷的檢測，充分驗(yàn)證了TOFD與PAUT檢測工藝的準(zhǔn)確性及可靠性，為工程實(shí)踐提供了經(jīng)驗(yàn)參考。

1 U型坡口的特點(diǎn)及其檢測工藝配置

1.1 U型坡口缺陷的檢測特點(diǎn)

U型坡口主要包括根部、熱焊及填充區(qū)域，填充區(qū)角度小，典型U型坡口結(jié)構(gòu)如圖1所示。在U型坡口焊縫焊接過程中，由于焊接設(shè)備及焊接操作的問題，坡口面區(qū)域容易產(chǎn)生未熔合類缺陷，該類缺陷方向與坡口面平行，是檢測的重點(diǎn)。對于根部及熱焊區(qū)域，常規(guī)脈沖回波能夠獲得良好的檢測效果，但對于填充區(qū)域，由于其填充角度較小，脈沖回波無法有效檢測，因此在配置檢測工藝時，需增加相關(guān)掃描方式，以滿足U型坡口填充區(qū)域檢測的要求。

圖1 典型U型坡口結(jié)構(gòu)示意

1.2 TOFD和PAUT檢測工藝配置

采用相控陣檢測系統(tǒng)，依據(jù)U型坡口的特點(diǎn)，設(shè)置一組TOFD探頭[1]，覆蓋焊縫內(nèi)部檢測區(qū)域，TOFD工藝配置如圖2所示，選用的TOFD探頭頻率為10 MHz，晶片直徑為3 mm，配置楔塊角度為70°，深度聚焦位置在檢測壁厚的2/3處，覆蓋距離上表面4 mm以下及距離內(nèi)表面2 mm以上區(qū)域。同時設(shè)置一組相控陣探頭，對稱放置于焊縫兩側(cè)，每個探頭設(shè)置扇形掃描波束覆蓋焊縫內(nèi)外表面區(qū)域,PAUT工藝配置如圖3所示。采用5L32-A31型相控陣探頭，SA31-N55S型楔塊，扇形掃描角度為35°75°，角度步進(jìn)為1°，激發(fā)晶片數(shù)量為16個，確保波束對焊縫上表面的有效覆蓋，以檢測TOFD檢測時存在的內(nèi)外表面盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)U型坡口焊縫的有效檢測。采用機(jī)械化掃查進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，編碼記錄數(shù)據(jù)，一次周向掃查即可完成整個焊縫的檢測。

圖2 TOFD工藝配置示意

圖3 PAUT工藝配置示意

2 試驗(yàn)方法

2.1 檢測系統(tǒng)

使用奧林巴斯的OMNISCAN MX2檢測系統(tǒng)，配置一組TOFD探頭，一組相控陣探頭，探頭對稱布置于焊縫兩側(cè)，采用軌道式掃查裝置(見圖4)，編碼記錄數(shù)據(jù)，電機(jī)驅(qū)動探頭行走可實(shí)現(xiàn)焊縫的實(shí)時檢測及數(shù)據(jù)評判。

圖4 軌道式掃查裝置外觀

2.2 試驗(yàn)焊縫

選用管徑為168 mm，壁厚為18.6 mm及管徑為508 mm，壁厚為30 mm的兩種碳鋼管材，坡口形式為U型，坡口角度為6°，材料為API 5L X65。采用自動熔化極氣體保護(hù)焊焊接工藝，通過調(diào)整工藝參數(shù)制作一系列焊接缺陷，缺陷長度為1020 mm，缺陷高度為0.53.0 mm，位置分布于內(nèi)外表面、填充區(qū)、熱焊區(qū)等區(qū)域，類型為坡口面未熔合及焊縫內(nèi)部體積型缺陷。

2.3 檢測數(shù)據(jù)分析

對制作的缺陷焊縫進(jìn)行TOFD和PAUT檢測，逐一記錄所有缺陷顯示通道和波幅，按照數(shù)據(jù)評定方法進(jìn)行缺陷高度、長度及深度的評定，對所有缺陷進(jìn)行金相檢驗(yàn)，測量缺陷的實(shí)際高度及深度[2]，將每個缺陷的TOFD和PAUT檢測結(jié)果與金相檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證TOFD和PAUT檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，缺陷檢測結(jié)果如表1所示。

表1 缺陷焊縫的檢測結(jié)果 mm

由表1可知，根部區(qū)域有10個缺陷，高度為0.52.1 mm;熱焊區(qū)域有8個缺陷，高度為0.5～2.5 mm;填充區(qū)域有10個缺陷，高度為0.81.9 mm;蓋面區(qū)域有8個缺陷，高度為0.8～1.6 mm;焊縫內(nèi)部缺陷有2個。TOFD和PAUT檢測工藝能夠有效檢測出兩種尺寸焊縫坡口面不同位置的未熔合類面積型缺陷及焊縫內(nèi)部的層間未熔合、密集氣孔等體積型缺陷，檢測結(jié)果與金相檢驗(yàn)結(jié)果一致，高度測定平均偏差為0.1 mm，最大偏差為0.9 mm;深度測定平均偏差為0.05 mm，最大偏差為1.8 mm。根部區(qū)域高度平均偏差為0.2 mm，最大偏差為0.9 mm，最小偏差為0.1 mm；熱焊區(qū)域缺陷的高度平均偏差為0，最大偏差為0.9 mm，最小偏差為0.1 mm，深度偏差最大為1.8 mm；填充區(qū)域缺陷的高度平均偏差為-0.6 mm，最大為-0.8 mm，最小為0，深度偏差最大為1.8 mm；蓋面區(qū)域缺陷的高度平均偏差為0.15 mm，最大偏差為0.9 mm，最小偏差為0.1 mm，深度偏差最大為1.8 mm。

通過對缺陷高度及深度測定的誤差分析，可知TOFD和PAUT的檢測結(jié)果與缺陷實(shí)際尺寸具有良好的一致性，檢測精度能夠達(dá)到DNVGL-ST-F101標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 結(jié)語

對于碳鋼材料U型坡口焊縫，TOFD檢測能夠有效發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部坡口面及焊縫中心缺陷，PAUT能夠有效發(fā)現(xiàn)TOFD檢測上下表面盲區(qū)內(nèi)的缺陷。對不同位置、不同類型焊接缺陷的檢測驗(yàn)證表明，TOFD和PAUT檢測工藝能有效檢測出各個位置的缺陷，尺寸測量結(jié)果與金相檢驗(yàn)結(jié)果具有較高的一致性，高度測量結(jié)果與實(shí)際尺寸最大偏差為0.9 mm，深度測量結(jié)果與實(shí)際尺寸最大偏差為1.8 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)對檢測精度的要求，同時可為U型坡口焊縫TOFD和PAUT檢測技術(shù)的應(yīng)用提供可靠的參考。

相比于分區(qū)法自動超聲檢測技術(shù)，基于便攜式相控陣設(shè)備開發(fā)的TOFD和PAUT檢測工藝的檢測精度及可靠性可達(dá)到DNVGL-ST-F101標(biāo)準(zhǔn)的要求。