海油平臺導管架裂紋的超聲精細化檢測技術

林影煉，張 勇，楊振宇

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，深圳 518000；2.通標標準技術服務(上海)有限公司，上海 201319)

導管架式海洋采油平臺主體的支撐完全依靠鋼結構導管架。導管架鋼結構一部分在水面上，一部分在水面下，其結構主體采用管節(jié)點角焊縫的連接形式，屬于管座相貫線角接接頭，工廠制造階段導管架焊接接頭外觀如圖1所示。

圖1 工廠制造階段導管架焊接接頭外觀

由于采油平臺在海上運行，長期受到海上臺風、自身重力、震動、焊接應力和海水侵蝕、腐蝕等作用，焊接接頭容易產(chǎn)生疲勞裂紋，最終發(fā)生低應力斷裂失效。這種因疲勞和應力腐蝕產(chǎn)生的斷裂容易集中在管節(jié)點角接接頭部位，而焊縫的焊趾部位的結構截面具有形狀突變特點，易產(chǎn)生應力集中，是產(chǎn)生裂紋的主要部位。這種裂紋往往自表面或近表面產(chǎn)生，在應力的作用下逐漸向下擴展，對結構安全危害最大。

針對導管架海平面以上部分，利用磁粉檢測能很好地發(fā)現(xiàn)始于材料表面和近表面的裂紋(見圖2)，但是磁粉檢測無法評估裂紋深度。隨著國內(nèi)海洋油氣田的開發(fā)，超過設計壽命服役的導管架也越來越多，出現(xiàn)疲勞裂紋的概率亦大幅上升，部分早期投產(chǎn)的導管架已陸續(xù)產(chǎn)生裂紋。因此，尋找一種對這些磁粉檢測出的裂紋進行相對快速、成本低廉且相對精確的裂紋測深方法，對平臺導管架的檢修具有重要意義。

圖2 導管架焊接接頭表面裂紋磁痕顯示

1 精細化裂紋測深方法

在役海油平臺導管架結構維修必須根據(jù)標準和程序?qū)嵤?，其中標準SY/T 10002—2000 《鋼結構管制造規(guī)范》和API SPEC 2B:1996 《結構鋼管制造規(guī)范》為裂紋的處理提供了參照。根據(jù)這兩個標準規(guī)范要求，通常深度小于3.2 mm的裂紋可采用打磨消除，然而相對精確地測量表面淺裂紋深度仍然是裂紋治理決策和裂紋風險評估中的一項挑戰(zhàn)。筆者提出的海油平臺導管架裂紋超聲精細化檢測技術突破了常規(guī)超聲檢測技術的局限性，使用先進超聲檢測設備，將裂紋測深最淺極限提高為2.0～3.2 mm。

裂紋測深有很多檢測方法可以實現(xiàn)。渦流檢測方法測深深度一般為1 mm左右，測量深度能力不足；同時渦流檢測會受到焊縫結構形狀的限制，如角焊縫結構不平整時(裂紋一側是母材，一側是焊縫)探頭無法同等條件跨越放置在裂紋兩側。超聲檢測也可進行測深[1～3]，例如常用的超聲波衍射時差法(TOFD)、端點最高波法、端點6 dB法等。但對這種受限部位(只有一側能接近，另外一側是未經(jīng)打磨的焊縫)，超聲測深無法實施；結構的特殊性使得全跨距檢測時存在聲束明顯擴散和底面狀態(tài)不確定等問題，從而無法準確評估裂紋深度。

相控陣超聲檢測作為一種新技術，未來會得到更廣泛的應用。其裂紋測深檢測原理與常規(guī)超聲相同，精度也一致。但如果用于淺裂紋測深，則需要定制探頭，并且相控陣超聲檢測也存在設備價格相對較高、人員需要專門特殊培訓等問題。

2 海油平臺導管架裂紋超聲精細化檢測技術

筆者通過一系列試驗制定出一種簡單有效的導管架水上裂紋超聲檢測精細化測深技術方案。該技術采用半跨距反射法原理，應用較大折射角度，較窄聲束掃查裂紋找出最深端點，以此確定裂紋深度。同時在此基礎上優(yōu)化檢測設備和探頭的配置，使設備和探頭滿足精細化測深的要求。

2.1 超聲檢測設備

采用定制的具有多種顯示模式的奧林巴斯OMNISCAN SX-UT型定制模塊設備。該設備是在通用OMNISCAN SX型相控陣設備的基礎上，去除部分相控陣功能，保留數(shù)據(jù)采集和顯示等模塊，并保留離線軟件功能，僅用于超聲檢測；具備常規(guī)超聲一般不具備的采集所有A掃數(shù)據(jù)、同時A,B顯示以及離線分析等功能，兼顧了功能先進性和低成本。

2.2 特制探頭

定制探頭時，從折射角、頻率、晶片材料、晶片尺寸、信噪比、脈沖持續(xù)時間、帶寬、前沿長度以及聚焦深度等多方面考慮，采用圓形球面(或橢球面)聚焦晶片；設計工作溫度為-20 ℃～60 ℃；探頭頻率為5 MHz；探頭類型為70°橫波小晶片單晶探頭。采用該窄脈沖圓形球面或橢球面表面裂紋測深探頭進行檢測，探頭前沿不覆蓋裂紋，能夠測量深度為2.0～6.0 mm的裂紋。該探頭能精確測定定制試塊上深度為1.0～6.0 mm的φ1 mm橫通孔。試驗采用的部分定制探頭如圖3所示，從CR(計算機射線照相)照片中可以看到實際采用的球面晶片的曲面投影。

圖3 部分定制自聚焦探頭實物

2.3 參考試塊

為了多方面驗證裂紋測深技術的實際效果，采用定制探頭和定制超聲檢測設備對人工制造的疲勞裂紋進行檢測，定制疲勞裂紋試塊結構如圖4所示。裂紋長25 mm，貫穿試塊寬度方向，以便控制裂紋深度均勻，驗證試驗時通過觀察裂紋截面就可直接測量裂紋深度。

圖4 定制疲勞裂紋試塊結構示意

2.4 動態(tài)包絡逐幀分析端點最高波法

檢測設備和探頭校準后，采用動態(tài)波形包絡逐幀分析大折射角聚焦聲束端點最高波法確定裂紋的高度(深度)，探頭和聲束位置如圖5所示，具體檢測步驟如下。

(1) 按照圖5，加編碼器手動驅(qū)動掃查。將探頭在垂直待測裂紋長度方向前沿對齊裂紋，向后移動，找到裂紋顯示的最大波幅。將裂紋顯示高度調(diào)整到顯示屏全高(FSH)的50%～100%，不用確認表面波背景干擾。應避免探頭前沿覆蓋裂紋，以免檢測到開口的上端點強反射信號。

圖5 探頭和聲束位置示意

(2) 在圖5中的探頭前沿緊靠裂紋處，將最高波所在位置探頭遠離已知裂紋向后(右)移動，直至顯示高度開始迅速下降，經(jīng)過若干突變起伏點，一直到最后一個緩變起伏點后波高穩(wěn)定變化為止。裂紋回波的數(shù)據(jù)采集結果如圖6所示。

圖6 裂紋回波的數(shù)據(jù)采集結果

掃查速度要保證至少每隔0.1～0.2 mm采集一個A掃信號，確保損失A掃信號不在突變部分，推薦每隔0.1 mm采集一個A掃數(shù)據(jù)，使用拉線式或輪式雙向編碼器，設定掃查分辨率小于0.1 mm。

(3) 找到這個最后突變起伏點，即為裂紋下端點所在位置，原則上聲束軸線對應在裂紋下端點位置。這個位置即對應裂紋深度值。記錄此時的深度值，或者存儲下來后續(xù)進行離線分析。

最后需注意的是，當裂紋較淺時，可能會出現(xiàn)端點回波緊靠最高回波，無法明顯與之分開的情況，從A型包絡顯示可以容易看到。此時在第一個最高波之后緊挨著的位置會有類似鋸齒形的明顯比最高波低的波形出現(xiàn)，測量這個波所在位置即得到裂紋深度值。2.0～3.5 mm深度(裂紋下端點距表面距離)的檢測結果分別如圖7～10所示。

圖7 2.0 mm深度測量數(shù)據(jù)采集結果

圖8 2.5 mm深度測量數(shù)據(jù)采集結果

圖9 3.0 mm深度測量數(shù)據(jù)采集結果

圖10 3.5 mm深度測量數(shù)據(jù)采集結果

對一個隨機TKY試件上的焊趾裂紋進行數(shù)據(jù)采集，其結果如圖11所示，從圖中能清晰看到裂紋最高波幅點、裂紋最后突變起伏點和緩變起伏點。

圖11 TKY試件焊趾裂紋的數(shù)據(jù)采集結果

3 結果與分析

3.1 疲勞裂紋深度測量

試驗用含疲勞裂紋、橫通孔、刻槽的試塊實物如圖12所示，采用動態(tài)包絡端點最高波法進行檢測，最終保留了兩個試驗效果最佳的探頭數(shù)據(jù)，略去了試驗效果不佳的普通探頭和方形球面探頭數(shù)據(jù)。不同型號球面晶片聚焦探頭檢測結果如表1，2所示。表中X為誤差值與裂紋下端點距離表面深度的商。

圖12 試驗用含疲勞裂紋、橫通孔、刻槽的試塊實物

表1 KGZ032型70°(校正值68.5°)球面晶片聚焦探頭(晶片直徑6 mm)檢測結果

表2 KGJB784型70°球面晶片聚焦探頭(晶片直徑8 mm)檢測結果

由表1，2可知，KGZ032型探頭對2.0～4.5 mm深度裂紋進行檢測，效果較好，KGJB784探頭對4.5～6.0 mm深度裂紋進行檢測，效果較好。

設計探頭前沿為6.0 mm，在裂紋緊靠焊趾的極限情況下，折射角為70°的探頭理論上檢測的最淺深度為2.2 mm，(掃查)原定目標檢測裂紋深度最淺極限3.2 mm，即能直接磨除的最深深度。掃查時探頭前沿緊靠裂紋位置，模擬緊靠焊趾的最不利情況。測試結果表明探頭能夠滿足檢測要求。

3.2 近表面缺陷(橫通孔)深度測量

圖14 標稱深度2.5 mm橫通孔超聲檢測結果(實際反射面深度2.33 mm)

非開口類缺陷因為不受表面波影響，非常容易進行信號采集和分析，標稱深度2.0 mm和2.5 mm橫通孔的超聲檢測結果如圖13，14所示。從圖13、14中未見如開口缺陷的明顯表面波干擾，容易找到端點回波顯示。不同埋藏深度橫通孔的測深試驗結果也說明了這一點。采用70°(校正值68.5°)KGZ032型球面晶片點聚焦探頭(晶片直徑6 mm)檢測不同埋藏深度φ1 mm橫通孔所得數(shù)據(jù)如表3所示。

圖13 標稱深度2.0 mm橫通孔超聲檢測結果(實際反射面深度1.83 mm)

表3 不同深度φ1 mm橫通孔檢測數(shù)據(jù)

4 結語

(1) 提出了一種端點最高波裂紋測深方法，采用動態(tài)波形包絡逐幀分析技術使超聲檢測精細化。該檢測技術適應現(xiàn)場條件，操作簡單，容易實施，減少了檢測人員的主觀判斷。

(2) 該技術結合了最新超聲設備發(fā)展成果，且設備成本相對低廉，可以比較全面精確地對裂紋延展深度做出評估；具有采集數(shù)據(jù)被完整記錄，離線軟件具有多種顯示分析，檢測數(shù)據(jù)可追溯等優(yōu)點。