襯里復(fù)合鋼管對(duì)接焊縫的自動(dòng)超聲檢測(cè)

常 宇

(海洋石油工程股份有限公司, 天津 300452)

隨著AUT(自動(dòng)超聲檢測(cè))技術(shù)的發(fā)展，其在海底管線焊縫檢測(cè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。不銹鋼復(fù)合材料管線的內(nèi)表面增強(qiáng)了一層不銹鋼材料，以增強(qiáng)管線的抗腐蝕性，其管端常采用堆焊方式進(jìn)行焊接以保證檢測(cè)的可行性。焊縫填充材料與堆焊材料一致，通常為鎳基625不銹鋼，此類(lèi)焊縫材料晶粒粗大，與碳鋼層存在清晰的界面，該界面會(huì)導(dǎo)致超聲發(fā)生反射，偏轉(zhuǎn)，折射及衰減，給超聲檢測(cè)帶來(lái)極大的困難。文章采用相控陣AUT技術(shù)對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)，獲得了較好的檢測(cè)效果，達(dá)到了海底管線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，為工程應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)支撐。

1 襯里復(fù)合鋼管對(duì)接焊縫AUT檢測(cè)難點(diǎn)

典型的襯里復(fù)合材料對(duì)接焊縫如圖1所示。AUT檢測(cè)時(shí)，聲波在復(fù)合材料與碳鋼材料的界面處會(huì)產(chǎn)生反射、折射，由于焊縫內(nèi)部晶粒粗大及存在各向異性，聲波散射嚴(yán)重，信噪比較低。另外，采用常規(guī)橫波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，聲束偏轉(zhuǎn)嚴(yán)重，定位偏差大，無(wú)法實(shí)施有效檢測(cè)。

圖1 典型的襯里復(fù)合鋼管對(duì)接焊縫

2 相控陣AUT檢測(cè)原理

2.1 相控陣基本原理

相控陣技術(shù)通過(guò)控制陣列中的每個(gè)晶片延時(shí)發(fā)射激勵(lì)脈沖，形成所需角度的聲束及焦距，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的檢測(cè)[1-2]。典型的聚焦聲場(chǎng)如圖2所示。

圖2 相控陣典型的聚焦聲場(chǎng)

相控陣探頭相當(dāng)于一個(gè)較長(zhǎng)的常規(guī)超聲探頭，其由許多小晶片組成，每個(gè)小晶片都可以獨(dú)立激發(fā)。典型相控陣線性陣列探頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 典型的相控陣線性陣列探頭結(jié)構(gòu)示意

2.2 分區(qū)法檢測(cè)原理

分區(qū)法檢測(cè)時(shí)，將焊縫聲波沿壁厚方向劃分為若干個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)高度為1～3 mm，每個(gè)分區(qū)配置獨(dú)立的檢測(cè)波束，波束沿焊縫中心線對(duì)稱布置。典型分區(qū)法波束配置示意如圖4所示。檢測(cè)結(jié)果以帶狀圖方式顯示，典型帶狀圖如圖5所示[3-4]。

圖4 典型分區(qū)法波束配置示意

圖5 相控陣檢測(cè)典型帶狀圖顯示

3 相控陣AUT檢測(cè)工藝設(shè)置

檢測(cè)時(shí)應(yīng)選擇合適的頻率，波束類(lèi)型及探頭類(lèi)型，以獲得良好的檢測(cè)靈敏度。試驗(yàn)選用64/128(總通道數(shù)為128個(gè)，一次可激發(fā)64個(gè))相控陣檢測(cè)系統(tǒng)，采用線性相控陣探頭，使用一次縱波檢測(cè)方式，對(duì)焊縫進(jìn)行常規(guī)的分區(qū)法檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果以帶狀圖顯示。對(duì)上表面區(qū)域增加爬波檢測(cè)，將探頭沿著焊縫中心線對(duì)稱放置，以實(shí)現(xiàn)焊縫的檢測(cè)及缺陷的準(zhǔn)確評(píng)定[5]。典型檢測(cè)波束路徑如圖6所示。

圖6 典型檢測(cè)波束路徑示意

4 檢測(cè)過(guò)程

4.1 缺陷制作

使用兩種規(guī)格(外徑為273 mm，壁厚為18.9 mm及外徑為219 mm,壁厚為14.1 mm)的管道制作缺陷，坡口形成為U型，堆焊層高度約為3 mm，母材材料為API 5L X65, 堆焊層及焊縫填充金屬材料為鎳基625，缺陷分別位于焊縫外表面填充區(qū)，熱焊區(qū)，根部及內(nèi)部填充區(qū)域，缺陷高度為1～3 mm，長(zhǎng)度為10～20 mm，類(lèi)型為側(cè)壁未熔合、層間未熔及氣孔。缺陷高度分布如圖7所示。共制作330個(gè)焊接缺陷，選擇130個(gè)缺陷進(jìn)行切片，同時(shí)每個(gè)位置缺陷數(shù)量大于30個(gè)，以滿足檢測(cè)能力評(píng)估的需求。

圖7 缺陷高度分布

4.2 數(shù)據(jù)記錄及評(píng)定

記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)，包括缺陷的長(zhǎng)度、高度、深度，選擇不同位置的缺陷進(jìn)行宏觀切片(見(jiàn)圖8)，測(cè)定缺陷的實(shí)際尺寸。對(duì)比檢測(cè)數(shù)據(jù)與切片尺寸的偏差，使用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理進(jìn)行檢出率(POD)分析，檢出率分析結(jié)果如圖9所示，AUT檢測(cè)數(shù)據(jù)與宏觀切片數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

圖8 缺陷宏觀切片顯示

由表1可知，AUT檢測(cè)工藝可檢測(cè)出焊縫外表面填充區(qū)，熱焊區(qū)，根部及內(nèi)部填充區(qū)域位置的缺陷。計(jì)算缺陷AUT測(cè)量尺寸與宏觀切片尺寸的偏差可得到，對(duì)于缺陷高度，蓋面區(qū)域的最大偏差為1 mm，熱焊區(qū)域的最大偏差為0.8 mm，填充區(qū)域的最大偏差為0.9 mm，根部區(qū)域的最大偏差為0.7 mm；對(duì)于缺陷深度，蓋面區(qū)域的最大偏差為2.2 mm，熱焊區(qū)域的最大偏差為1.9 mm，填充區(qū)域的最大偏差為2.7 mm，根部區(qū)域的最大偏差為1 mm。

表1 AUT檢測(cè)數(shù)據(jù)與宏觀切片數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖9可知，襯里復(fù)合鋼管對(duì)接焊縫AUT檢測(cè)工藝在置信度為95%，檢出率為90%時(shí)，缺陷高度為0.9 mm，滿足海底管線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的要求(-1～1 mm)。

圖9 檢出率分析結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)襯里復(fù)合鋼管對(duì)接焊縫進(jìn)行AUT檢測(cè)并對(duì)比分析了其結(jié)果與宏觀切片結(jié)果，表明了AUT可檢測(cè)出焊縫不同位置的焊接缺陷，缺陷高度最大偏差為1 mm，缺陷深度最大偏差為2.7 mm，在置信度為95%，檢出率為90%條件下，缺陷高度為0.9 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。