基于TRL探头的双相不锈钢对接焊缝的超声相控阵检测

2018-01-18,,,,

无损检测 2018年1期

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(1.海洋石油工程股份有限公司，青岛 266520;2.中海石油深海开发有限公司,深圳 518000)

双相不锈钢具有奥氏体和铁素体的双相组织,而且单相含量一般都大于30%。双相不锈钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点:与铁素体不锈钢相比，其塑性、韧性更高，耐晶间腐蚀性能和焊接性能也很高;与奥氏体不锈钢相比，其强度高，且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀能力也明显提高[1]。

位于我国南海的某海洋石油天然气平台随着服役时间的延长,平台工作压力有所下降。在通过新增湿气压缩机模块来满足平台后期生产要求的过程中,考虑到传输介质为高压天然气,并且又处在高腐蚀性的海洋环境中,双相不锈钢材料是首选,但随之而来就是如何对其进行无损检测的问题。笔者结合最新的TRL(纵波一发一收)相控阵探头，并利用超声波相控阵检测方法,通过纵波一发一收的方式提高了信噪比,在演示试块及产品焊缝中证明了该方法的可行性。

1 双相不锈钢焊缝的无损检测

目前，在海洋石油天然气平台的建造过程中，通常采用传统的射线检测方法检测双相不锈钢焊缝的内部缺陷。射线检测技术比较成熟，对体积型缺陷较为敏感，并且检测结果能够永久保存，因此射线检测在工程项目的应用中属于稳定且保守的检测方法。但射线检测也存在“致命”的缺点，即电离辐射，因此射线作业必须在隔离的条件下进行，在周边一定区域内不允许有其他任何施工人员;尤其是管线工作进入安装阶段后，射线检测往往难以实现中心曝光，导致检验效率低下，严重影响项目进度。

超声波检测也是针对焊缝内部缺陷的传统检测方法之一，并且对坡口未熔合等高危面状缺陷较为敏感。但双相不锈钢焊缝及其邻近区域的晶粒较为粗大，声波能量衰减严重、信噪比差，甚至无法区分缺陷信号和杂波信号[2-3]；另外，由于超声波检测对检测数据的可记录性差，且受人员技能水平的影响较大，在某种程度上制约了其在双相不锈钢管线焊缝中的应用。

超声波相控阵技术是传统超声波检测的延伸应用，其探头采用的是集成多个晶片的阵列模式，通过对某一组晶片采取一定的激发延时，来实现声波的移动、偏转和聚焦。近年来，随着压电晶片材料及计算机技术的发展，相控阵检测技术也在飞速发展，在海洋工程项目中，超声相控阵检测低合金钢的方法越来越广泛。面对双相不锈钢焊缝的粗大晶粒时，为了提高声束的穿透能力，相控阵利用声束的可控性会生成一定角度范围的纵波。但由于受偏转能力的制约，为了实现焊缝内部和热影响区的声束有效覆盖，必须去除焊缝表面余高，使探头横跨在焊缝上扫查[4]。但去除余高后的焊缝表面粗糙度较大，耦合探头时在声束初始位置(约2～3 mm)有较为强烈的耦合信号，横跨焊缝耦合的杂波示意如图1所示，此信号可能会掩盖上表面区域的缺陷,存在漏检风险；另外此工艺需要多次扫查，检验效率不高。

图1 横跨焊缝耦合的杂波示意

2 基于TRL探头的检测工艺

2.1 检测对象

被检管线焊缝规格为直径450 mm、壁厚14.27 mm，采用“V”型坡口氩弧焊焊接方法，材料为双相不锈钢(牌号S31803)，被检焊缝截面示意及外观如图2所示。

图2 被检焊缝截面示意及外观

2.2 TRL探头的特点

DMA(Dual Matrix Array的简写)是属于TRL系列的二维矩阵相控阵探头,其能大幅改善声束的穿透能力和信噪比，主要是由于该探头具有下述优点。

(1) 采用低频纵波模式。

(2) 采用一发一收模式。

(3) 楔块尺寸小(见图3)，声波在楔块中损失的能量较小。

图3 DMA探头楔块外观

2.3 声束模拟及检测工艺

相控阵检测区域应包含焊缝内部、热影响区及其邻近区域，为保证声束有效地覆盖被检区域，需对声束传播进行模拟，以确定和优化超声相控阵检测工艺[5]。SetupBuilder声束模拟软件简单实用，其基于理论声学公式，通过计算、模拟各种型号换能器在特定工艺设置下产生的波束覆盖，从而指导检测工艺参数的设置。

通过理论分析和声束模拟，同时考虑到坡口未熔合的方向性，检测工艺确定为使用DMA探头进行单面双侧扇形扫描为主，低频线性阵列探头激发横波检测为辅的检测方法(见图4)。

图4 DMA探头和线性阵列探头检测工艺示意

2.4 工艺认证

为确保工艺的可靠性，在带有缺陷的演示试块上进行工艺认证，以确保演示试块中的所有缺陷均能被有效检出，并且检测的尺寸和位置能够和实际情况相匹配。

2.4.1 演示试块的设计

为了更真实地模拟被检焊缝的实际状态，演示试块的材料直接在被检管线上截取，并且按照被检焊缝的焊接工艺焊接，演示试块结构示意如图5所示(A为表面槽，用于模拟焊趾裂纹等表面缺陷；B为坡口处槽，用于模拟焊缝内部坡口未熔合等面状缺陷；C为根部槽，用于模拟根部处的缺陷；D为焊缝内部孔，用于模拟焊缝内部气孔、夹渣等体积型缺陷)[6-7]。

图5 演示试块结构示意

2.4.2 试块扫查

试验采用奥林巴斯OMNISCAN MX2超声相控阵检测仪，依次校准声速、楔块延时、角度校准增益及TCG(深度补偿)曲线，安装适当的编码器和扫查架，按照检测工艺进行扫查并保存数据。

2.4.3 数据分析及结果

该检测工艺能很好地检测出演示试块中的所有缺陷，并且定位和定量结果与实际值基本吻合，说明在误差允许范围之内，该工艺是可行的。演示试块的超声相控阵检测结果如表1所示。

表1 演示试块的超声相控阵检测结果 mm

图6 演示试块超声相控阵检测效果图

3 现场应用

在某液化天然气(LNG)管线应用超声相控阵检测工艺代替传统射线检测过程中，发现某焊缝根部位置存在长度约50 mm的缺陷，现场相控阵检测结果如图7所示。在拆除焊口附近管线内部，通过目视发现根部单侧未熔合，经测量其长度约48 mm，缺陷实际外观如图8所示。目视结果和相控阵检测结果几乎相同，进一步验证了其工艺的有效性和可靠性。