无损检测技术在海洋工程中的应用

2014-08-15张曙光邵建华

无损检测 2014年5期

张曙光，邵建华

（1.中兴海陆工程有限公司，东莞 523146；2.上海船舶工程质量检测有限公司，上海 200030）

随着国际海洋油气的发展不断向深海推进，我国海洋工程装备制造业已经迎来重大机遇。国家在“十二五”规划中，预计将在海洋工程中投入2 000亿元资金，海洋工程装备制造业到“十二五”末期产值也将达到千亿元以上，这对一个行业来说是一个机遇。同样，也为无损检测技术在海洋工程项目中的应用提供了广阔的技术平台。

1 海洋工程的范围

海洋工程从广义上说，所有涉及或与海洋环境有关的工程都可以归纳为海洋工程的范畴。如海洋平台、系泊系统、海底管线以及其它开发海洋资源的设备和工程建筑（如陆地终端处理系统、海上风力发电），可见范围还是比较广泛的。对于船舶工业系统来说，可以分为两个大的方面，即海洋平台和海洋工程作业船舶。

海洋平台又可以分为两类：一类是移动式平台，如坐底式平台、自升式平台、钻井船、半潜式平台；另一类是固定式平台，如钢制导管架平台、张力腿式平台、重力式平台。而系泊系统主要是指浮式储油轮的海上系泊单点结构。海底管线是指海上输送油、气、水管线，一般分为双层管和单层管两种。这些海洋工程结构及其设备基本都是由钢质材料焊接而成，加之由于恶劣的海况环境和工况条件，以及难以返回陆地等特点，使得海洋工程在结构材料选择、制造质量方面的要求非常高。制造原材料及重要钢结构焊缝在无损检测时，检测范围近于100%，验收标准也要求在一个比较高的水平。

2 无损检测技术在海洋工程的应用现状

由于海上平台及设施的恶劣作业环境及工况条件，在建平台和在役平台及设施的检验评估及维修工作显得尤为重要。因此，国家安监总局以及各船级社的入级规范都着重强调并且制定了建造检验和在役检验的规定和要求。特别对在役平台的检验，都是从平台以及设施一投入使用就开始了此项工作，并规定了年检和特检监控频度，以保证平台及设施的安全使用。对于在建的平台完全可以按照各船级社的建造规范的要求采用常规的无损检测方法（UT，MT，RT，PT）来完成检验。当然，有的船级社也已经在做推广新设备、新标准、新技术、新工艺的准备工作。

在役海洋平台的检验较在建海洋平台的检验还是有一定区别的：在役海洋平台检验一般分为水上检测和水下检测两部分。检测内容主要有结构完整性检验、结构测厚、焊缝的无损检测、阳极防腐检测等。目前采用的检测方法主要有目视检测（目视检测是最基本的检测，而其它所有的检测都是在目视检测完成之后再进行）、超声波测厚、磁粉检测、超声波检测、交流电磁场检测（ACFM）、阳极电化学电位测量等。其中磁粉检测和交流电磁场检测（ACFM）都是应用于表面裂纹的检测方法。但ACFM检测时，探头可以离开检测表面5～10mm，且无需对有涂层的表面进行处理。具体到水下检测的可靠性，有资料试验统计表明：仅就磁粉检测与ACFM检测而言，水下检测要比水上检测的可靠性低。检验检测所依据的规范为船级社相关入级规范要求。

3 海洋工程及其无损检测的特点

就目前而言，我国海洋工程结构在建造上大多采用了钢结构制造。其结构特点及与常规修造船的无损检测的区别主要体现在以下方面。

3.1 结构形式和材质

海洋工程从结构形式上分为移动式和固定式结构。其所有结构件的连接除了采用板状和管状对接全熔透焊缝外，管状TKY焊接接头的连接形式也占了一定的比例，并且都是重要的强力结构（如平台导管架，平台上部组块框架等）。由于结构属于高强度结构，故所用的钢材采用了低合金高强度钢，如D36，E36，E690，EQ56和Z向钢（Z35）等，按交货状态有正火态和热控扎制态（TMCP钢）；板材厚度一般在20～200mm间；焊接方法采用埋弧自动焊（SAW）、手工电弧焊（SMAW）和药芯焊丝保护焊（FCAW－S）等。由于随着材料强度及板厚的增加，焊接难度系数相应提高，各种缺陷出现的机率也会相应增加，甚至出现冷裂纹、热裂纹、延迟裂纹等缺陷；因此，在选择检测时机上至少要在48h或72h以后；而且检测时间必须严格控制，要求从焊接到最终检验进行准确追溯。

3.2 检测人员

常规修造船项目，检测人员只要持证就可以上岗，而对颁证机构没有特殊的、严格的要求，即国家技术监督局的证书，中国船级社颁发的证书，国外无损检测认证机构发的证书等均可以。而海洋工程的无损检测对人员的要求相对严格，如挪威DNV船级社管辖的海洋工程就必须通过DNV的现场考核认证后，才能有资格参加现场操作，而且必须由监督员（Ⅲ级人员）对每个操作人员和每种检测方法每月、每季度（方法不同）进行一次抽查验证并作出验证结论；12个月的验证结论作为当年的考核依据，对达到要求的人员保留资格，达不到要求的需离岗重新接受培训考核，考核合格后保留资格。美国ABS船级社对自升式（JACK－UP）系列海洋平台规定，检测人员必须取得 ABS－UT－TKY－Ⅱ级资格证书才有资格从事管状结构焊缝（T、K、Y型管节点焊缝）的技术操作；同时极为注重无损检测人员的职业道德及素质培训。同样，中国（CCS）船级社规定：从事管状结构焊缝（T、K、Y型管节点焊缝）的现场技术操作人员，必须在取得UT－Ⅱ资格证书后，实践操作时间满18个月才能报名参加UT－TKY－Ⅱ资格证书的认可考试。

3.3 采用的标准

常规修造船的检测标准采用船标或国标即可一步完成。海洋工程项目根据入级船级社的不同以及船东的要求不同而不同。目前涉及海洋工程制造最大的两家船级社为挪威DNV船级社和美国ABS船级社。对于DNV船级社来讲一般选用DNVOS－C401［1］和 DNV－OS－D101［2］及 DNV－OS－E101［3］标准。例如：根据DNV－OS－C401标准的要求，验收标准既要执行ISO 5817［4］标准，又要根据ISO 5817标准分别执行等效的 EN ISO 11666［5］，EN ISO 23278［6］，EN 23277［7］等相应的欧盟标准。对于美国ABS船级社则会选用美国焊接学会（ABS）标准，而对一些有特殊要求的部位如桩腿、克令吊及钻井平台的井架等重要的强受力部位的超声波检测，船东则会提出选用美国石油学会（AWS）标准，而船体部分则采用ABS标准，一些工艺管道和动力管道却要使用美国机械工程协会（ASME）标准以及美国石油学会（API）标准。而在使用这些标准和无损检测程序前必须对操作人员进行培训，经书面考试合格达到认证体系的要求后，才能上岗操作，且考试成绩要存档备查。

3.4 检测工艺

常规修造船项目和海洋工程项目由于选用检测标准不同，因此检测工艺也不完全相同。就拿超声波检测选择探头角度来说，对于常规造船的检测，基本上选用一种角度探头，最多两种探头；而对于海洋工程的检测，根据钢板的厚度、焊接接头的坡口型式不同，必须组合使用0°，45°，60°，70°探头；检测时至少使用三个探头，有时需要同时使用四个探头；对于角接焊缝必须进行双面扫查，而且对每一种缺陷都要进行性质评定；对某些复杂节点焊缝检测前的缺陷定位，甚至要用特殊工具进行现场1∶1作图后，才能确定缺陷在焊缝中的大致位置。要提前预知缺陷，这对检测人员的技术水平和工作经验要求非常高。特别是随着大量的使用高强度钢、TMCP钢以及Z向板的应用，各种裂纹尤是横向裂纹出现的机率大大增加。所以除了常规的纵向检测外，还必须增加非常规的横向扫查——即探头骑在焊缝上进行检测以发现横向裂纹。

4 无损检测技术在海洋工程中的发展趋势

4.1 无损检测新技术在海洋工程中的应用

无损检测新技术，如相控阵超声检测技术（PAUT）和超声波时差衍射法（TOFD）检测技术，已经在一些较大规模的海洋工程项目中得到了应用。如中远船务集团建造的，目前国际上钻井最深（3 050m）的钻井船“大连开拓者”号的重要结构和关键结构中使用了PAUT检测技术和TOFD检测技术，检测的可靠性得到了较大的提高。对钻井动力模块的结构焊缝的检测，其钢板厚度在50～120mm，组合采用PAUT和TOFD技术进行检测，其可以有3种方法同时显示一个缺陷，对缺陷的定位、定量的准确性有了很大的提高，同时工作效率也得到了大幅度的提高。将相控阵超声检测技术应用于检测全船管系的小径管环焊缝，检测直径范围76～200mm；管壁厚度6～50mm，取得了非常好的检测效果，达到了船级社的要求，可以完全或部分代替射线检测；该方法既提高了检测效率，又消除了不安全因素，还保证了工作环境不受到污染。

4.2 无损检测技术在海洋工程中的发展趋势

（1）管状TKY节点焊缝传统检测技术的完善提高及新检测方法研究

管状TKY节点焊缝在海洋工程结构中是非常重要的节点，但遗憾的是其传统超声波检测方法的可靠性并不十分理想，因此，对管状TKY节点焊缝的检测有待进一步完善和提高。据资料报道，一些专家和学者在对管状TKY节点焊缝利用相控阵技术进行研究，并取得了初步成果。文献［8－9］为解决TKY管节点焊缝超声检测缺陷定位难的问题，分析了节点焊缝超声相控阵检测的声束覆盖效果及对反射回波的定位方法，并制作了TKY试块进行试验验证。

（2）大量推广TOFD检测技术的应用

随着我国海洋工程技术的不断提高，向深海发展建造海上钻采平台已经成为趋势。据悉，就目前我国在建和将要建造的项目来看，仅导管架一项的建造吨位就在20 000t以上，高度超过200m。导管架管径最大超过3m，管壁厚度最厚处超过100mm。可想而知检测量是巨大的，而TOFD技术的大量推广应用［10］，将对较厚平板的对接焊缝的检测和卷管接长焊缝的检测发挥很大的作用，且检测速度和检测质量都能得到较大的提高。当然检测标准的制定和操作人员的资格培训也是必须要跟上的。

（3）采用相控阵超声检测技术［11］对海洋平台重要和关键结构中的奥氏体不锈钢及双相不锈钢工艺管线焊缝和异种钢结构焊缝的超声检测技术研究，以尽快取代常规超声检测和射线照相检测的方法。近年来，超声多维成像技术中的C扫描、D扫描、P扫描成像技术发展迅速，其中的面阵相控阵扫查技术利用面阵相控阵探头的可编程控制特性可完成不规则工件截面的完整扫查，而不需要移动探头，在检测空间受限或工件结构复杂时技术优势明显。

（4）利用导波技术以及远场涡流技术对在役平台工艺管线进行检测及评估

超声导波检测系统是近年快速发展起来的检测新技术，常用于快速检测内部和外部腐蚀以及轴向和周围的裂纹，在检测裂纹和金属损失（大于横断面的3%）方面有很多应用，特别在对在役海洋平台工艺管线进行长距离检测时具有其技术优势［12］。远场涡流检测是基于远场涡流效应的一种管道检测新技术［13］，它除了具有一般常规涡流的优点外，对铁磁性管道无需采用磁饱和等辅助方法，即可直接用内插式探头来检测管壁上的裂纹、腐蚀凹坑、磨蚀减薄等缺损，可以解决海洋平台工艺管线的在役快速探伤、测厚难题。

5 结语

随着海洋工程的装备制造业的大力发展，无损检测在海洋工程项目中的应用也越来越广泛。在分析海洋工程无损检测的特点的基础上，介绍了无损检测技术在海洋工程项目中的应用现状，总结了现阶段无损检测技术在海洋工程项目中的发展趋势，提出无损检测传统技术的完善提高与新技术的应用对确保海洋工程的安全可靠有着重要的意义。

［1］ DNV－OS－C401—2013 Fabrication and Testing of Offshore Structures［S］.

［2］ DNV－OS－D101—2013 Marine and Machinery Systems and Equipment［S］.

［3］ DNV－OS－E101—2013 Drilling Plant［S］.

［4］ ISO 5817—2003 钢、镍、钛及其合金熔焊接头（不包括电子束焊接）缺陷的质量等级［S］.

［5］ EN ISO 11666—2010 Non－destructive testing of welds－Ultrasonic testing－Acceptance levels［S］.

［6］ EN ISO 23278—2009 Non－destructive testing of welds－Magnetic particle testing of welds－Acceptance levels［S］.

［7］ EN ISO 23277—2009 Non－destructive testing of welds－Penetrant testing of welds－Acceptance levels［S］.

［8］陆铭慧，程俊，邵红亮，等.计算机辅助在TKY管节点焊缝超声相控阵检测中的应用［J］.焊接学报，2012（4）：49－52.

［9］陆铭慧，邵红亮，刘勋丰，等.TKY管接点焊缝形状模型在相控阵检测中的应用［J］.无损检测，2013，35（12）：13－15.

［10］陶红燕，张茂桐，郭强.TOFD检验技术在海洋平台压力管道检测中的应用［J］.新疆石油科技，2012（4）：80－81.

［11］单宝华，喻言，欧进萍.海洋平台结构超声相控阵检测成像技术的发展及应用［J］.海洋工程，2005（2）：107－110.

［12］王海波，贾巧玲，腾延平，等.管道超声导波腐蚀检测技术应用研究［J］.管道技术与设备，2009（3）：27－29.