相控阵超声波检测在海底管道子母管中的应用

左艳青 张勋 牟惟义 眭辉 宋旭光

摘 要：随着海洋油气资源的不断开发，海底管道作为油气传输的重要组成部分，在海洋油气工程设施中起着关键性的作用。子母管海管是不同于传统单线海管的一种特殊方式，其中对子管的焊接质量有很高的要求。相控阵超声波检测技术具有设备便携、操作空间要求低、操作人员少、检验数据可数字化存储、对裂纹和未熔合等高危害性线性缺陷更加敏感、检出率更高等优点，相比射线检测技术更安全环保，效率更高，费用更低，所以相控阵超声波检测在海底管线的中应用逐渐增多。

关键词：海底管道;子母管;射线检测;相控阵超声波检测

在海洋石油工程海底油气管道中，由于传输介质种类和压力等级涉及多种形式，例如单层管、双层管、子母管等多种形式。子母管有着特殊结构形式和焊接工艺，常出现裂纹和未熔合、未焊透等缺陷，而此类缺陷大多数属于面积性缺陷。因检测工艺和操作空间受限、交叉作业、辐射防护等原因，射线检测不适用于子母管海管中子管的检测，因此在渤海区域首次采用相控阵超声波检测。相控超声波检测技术具有检测速度快、检测灵敏度高，无射线辐射等优点，由此可以看出相控超声波检测技术的实际应用具有非常重要的现实意义。

1.相控阵超声波检测相关設备简介

在子管进行相控超声波检测时，利用加拿大OLYMPUS公司的OMNISCAN MX II相控阵超声波检测仪系统、ESBeamtool软件和Tomoview软件。该系统主要是由数据采集和编码器、扫查器以及数据评判计算机等多个部件相互组合而成。主要是利用MXU-2.0 R27英文版操作系统进行，并利用Tomoview软件进行检测数据的评判。软件在经过优化配置之后，可以实现对结果进行记录扫查，并且可对各类数据有效储存。这种相控超声波检测设备在国内外海洋钢结构组块的工艺管线检测中应用广泛，取得良好的应用效果。

2.相控阵超声波检测的原理

相控阵超声波检测技术是区别于传统的单晶片超声检测的特殊检测形式。相控阵超声波检测是基于“惠更斯原理”，惠更斯原理的定义为：行进中的波阵面上的任一点都可以看作为新的次波源，因此，如果知道了任意时刻一个波阵面的位置，就可以绘出下一时刻波阵面的位置。波阵面是由很多晶片激发的小波阵面叠加而成，这是相控阵超声波检测的基础。但事实上仍要考虑主波的波阵面，以便使用其他超声波处理手段。相对于传统的单晶片超声检测，常使用“压缩波模式”的换能器，这些被极化的换能器晶片在施加一定的电压后，会产生伸展。最为典型的是将电压脉冲通过连接导线加载到晶片的任意一侧。脉冲电压持续时间短，当电压达到最大值时会使晶片伸展，当电压消失时，晶片恢复原位。整个晶片平面的扩张与回位造成周围介质的偏移，如此以来一个平面的波阵面便被触发。

相控阵超声波检测所用探头由多个晶片组成，应用时按照一定的规则和时序对探头中的一组或者全部晶片进行激活（晶片的激活数量取决于相控阵仪器控制能力和检测需要）每个激活晶片发出的超声波为次波，次波相互干涉，形成所需的新的波阵面传播开去成为超声波束对工件进行检测。

对晶片进行激活时所遵循的规则（即进行何种方式的延时的触发）称之为聚焦法（focal law），不同的延时能发射出不同的超声波束，使超声波束具有相应的波形。并且聚焦在不同的深度（根据干涉原理仅能在近场区范围内聚焦）。在一次扫查过程中，可以设置多组聚焦法则，也就是说可以设置多组波束进行扫查，提高扫查效率和保证扫查部位，这是相控阵超声波检测技术的一个显著的优点。

3.相控阵超声波检测技术在子母管中的应用

3.1工艺设计

相控阵超声波检测工艺设计利用ESBeamtool软件根据子管的管径、壁厚、坡口形式模拟出结构图，然后根据检测结构形式，选择探头类型（频率、尺寸，激发晶片等）、楔块（与探头匹配），模拟焊缝区域覆盖情况，且须采用一次波保证检测根部，二次波覆盖上表面盖帽区域，形成完整的检验工艺。此次子母管中子管的管径为2英寸，壁厚为6.4mm，焊缝坡口角度为30°，根部间隙为2mm，根据子管的焊缝信息选用7.5CCEV35-16-A15的探头和SA15的楔块。利用ESBeamtool软件设计子管相控阵超声波检测检验工艺模拟图如下：

3.2 工艺验证

根据子管的管线管径、壁厚、坡口形式和焊接工艺容易出现缺陷类型、位置、方向等因素设计相控阵超声波检测工艺验证试块，在焊缝中部，内外表面各设置标准允许的最小缺陷尺寸，利用调试好的工艺参数，扫查验证试块，验证工艺的完整性。

3.3 现场应用

子母管海管现场铺设施工时，子管单独于母管之外进行铺设。子管相控阵超声波检测采用COBRA（手持式直管焊缝扫查器）对2寸6.04mm的对接环焊缝双侧进行数据采集，以防止漏检现象。现场利用水来作为耦合介质，通过电动水泵来进行自动供水以保证耦合良好。检测辅助人员操作COBRA在焊缝上采集完整的检测数据，在电脑上利用Tomoview软件根据相应的检验标准进行数据评判，评判完成出具检验报告并报送业主方和第三方签字确认。整个子管相控阵超声波检测流程大约5到7分钟左右，如果利用常规射线检验将花费40分钟左右的时间，相控阵超声波检测相比射线检测检测效率提升了8倍，大大缩短了子管的检测时间;同时有效的避免了射线辐射危害，使母线6英寸/12英寸双层海管的焊接也可以同时进行。整个子母管海管铺设施工期间，相控阵超声波检测系统运行稳定操作流畅，证明相控阵超声波检测在海底管道小径管上的应用取得不错的成效。

4.结束语

综上所述，在子母管海管进行检测时，通过便携式相控阵超声波检测小径管检测系统的成功应用，不仅完善了海管检测技术体系，还提升了小径管的定量精度，对于推动国内海底油气管线的无损检测和质量保证具有重要意义，将为今后海底油气管线提供一套可靠的检测技术方案。

参考文献：

[1] 郑耀民 左艳青 卫增光 李亚川.全自动相控阵超声波检测技术在提高海底管道检验质量中的应用分析 [J]. 大科技.2017.11

[2]相控阵培训手册[J].北京欧宁航宇检测技术有限公司.2010.01

（海洋石油工程股份有限公司  天津  300452）