海洋石油平台小壁厚工艺管道相控阵超声波检测应用研究

2015-02-07陈亮孙晓明尤卫宏张天江吴员姜华张立艳

石油工程建设 2015年1期

关键词：扫查相控阵薄壁

陈亮，孙晓明，尤卫宏，张天江，吴员，姜华，张立艳

海洋石油工程股份有限公司，天津300452

海洋石油平台小壁厚工艺管道相控阵超声波检测应用研究

陈亮，孙晓明，尤卫宏，张天江，吴员，姜华，张立艳

海洋石油工程股份有限公司，天津300452

文章介绍了相控阵超声波检测（PAUT）工艺的原理，并对薄壁管人工缺陷焊缝分别进行PAUT及RT检测，分析PAUT检测在薄壁管焊缝检测中的能力及可靠性。通过试验数据分析表明，PAUT检测在薄壁管焊缝检测中具有良好的能力及可靠性，且满足标准相关要求。最后介绍了PAUT检测影响因素及其在海洋石油平台工艺管道检测中的优势。

海洋石油平台；小壁厚工艺管道；超声波检测；应用研究

0 引言

在海洋石油平台工艺管道制造过程中，射线检测作为主要的检验方法发挥着重要的作用，但随着安全环保意识的不断增强，射线作业存在的风险日益凸显。近年来，随着相控阵超声波检测技术（PAUT）的快速发展，在石油化工领域得到了广泛的应用。尤其不同类型相控阵超声波扫查装置的开发，降低了对焊缝周围空间的需求，大大提高了小空间焊缝的PAUT检测应用比例，产生了巨大的经济及社会效益。

1 相控阵超声波检测基本原理

相控阵超声波检测技术利用电子控制声束成形的原理，生成和接收超声波。相控阵超声波检测系统采用多声束扫描成像技术，超声波检测探头是由多个晶片组成的换能器阵列，阵列单元在激发电路激励下以可控的相位激发出超声波，并使超声波声束在确定的声场处聚焦，其基本原理如图1所示。

典型的相控阵探头由压电晶片、匹配层、金属镀层、内套、背衬及多芯同轴电缆组成，如图2所示，通过对阵列中的每个晶片延时发射激励脉冲，从而可创建许多声束角度及聚焦距离。

图1 相控阵超声波检测基本原理

图2 典型相控阵探头组成

2 试验数据及分析

2.1 设备

选用OLYMPUS生产的OMNISCAN MX2设备，配备7.5 MHz相控阵探头，直径50.8 mm（2 in）扫查装置。

2.2 人工缺陷制作

在规格为50.8 mm×5.5 mm的管段上制作人工缺陷焊缝，缺陷类型包括根部未熔合/未焊透、侧壁未熔合、上表面侧壁未熔合、密集气孔等缺陷，位置覆盖整个壁厚范围。

2.3 PAUT图像显示（见图3）

PAUT图像显示包括A型显示（图3（a））、B型显示（图3（b））、C型显示（图3（c））和S型显示（图3（d））。

图3 PAUT图像显示

2.4 试验数据

为了验证PAUT在薄壁焊缝中的检测能力及可靠性，对人工缺陷焊缝进行PAUT及RT（射线）检测结果对比，验证PAUT对于不同位置缺陷的检测能力，PAUT与RT对比数据见表1。

由表1可知，对于薄壁焊缝，PAUT能有效检测出根部、上表面及填充区等不同类型的缺陷，检测结果与RT检测结果相吻合。对于根部及侧壁未熔合类缺陷，PAUT表现出了更高的检测灵敏度及可靠性，同时，PAUT可进行缺陷高度的测量，可有效评定缺陷的严重程度。

3 PAUT影响因素及优势

3.1 影响因素

（1）探头步进偏移量。数据采集过程中，探头步进偏移会造成根部或表面区域漏检，影响检测完整性。因此，数据采集过程中，探头步进偏移应控制在±2 mm范围之内，以确保整个工艺的完整性。

（2）扫查速度。要保证合适的扫查速度，避免数据丢失。

（3）温度。确保检测焊缝表面温度小于40℃，且试块与焊缝温差控制在±10℃范围之内。

表1 PAUT与RT检测结果对比

3.2 PAUT优势

PAUT检测技术在检测时间、精度及安全性方面具有诸多优势：

（1）采用的扫查装置运行稳定，最大扫查速度可达40 mm/s。

（2）可准确测量缺陷的高度、长度，且具有检测可重复性，使焊缝缺陷定量、定位。

（3）完全由电子设备操作完成，采用水耦合，检测过程无污染，可实现交叉作业，从而提升整体施工效率。

（4）检测数据可实现电子化存储，此外还可进行离线分析。

4 结束语

海洋石油平台工艺管道制造过程中有大量的小壁厚管道需进行100%射线检测，通过此次试验研究表明，PAUT检测技术在小壁厚管道焊缝检测中具有更高可靠性，对未熔合类缺陷具有更好的检测灵敏度，同时在安全性、环境保护、检测速度等方面优势明显。本研究成果可为今后推进PAUT检测技术在海洋平台工艺管道制造过程中更广泛的应用提供有力的支持。

[1]ASME B31.3-2012，工艺管线[S].

[2]ASME B31 CASE 181-2007，压力管线标准181案例[S].

[3]黄晶.超声相控阵理论及其在海洋平台结构焊缝缺陷检测中的应用研究[D].上海：上海交通大学，2005.

Phase ArrayUltrasonic Testing for Thin WallPiping ofOffshore OilPlatform

Chen Liang，Sun Xiaoming，You Weihong，Zhang Tianjiang，Wu Yuan，Jiang Hua，Zhang Liyan
Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China

This paper introduces the principle of phase array ultrasonic testing（PAUT）technique and the PAUTand RT inspections of artificial defects made in welds in thin wall pipes，and analyzes the inspection ability and reliability of PAUT for welds of thin wall pipes.The experiment results show that PAUT is a perfect means to inspect weld defects of thin wall pipes.Also，the influence factors of PAUT and its application advantages in offshoreoilplatform piping inspection are described.

offshore oilplatform；thin wallprocess piping；ultrasonic testing；applicative research