海底管道对接环焊缝焊接质量控制分析与研究

常宇 曹雷 徐振 张永波 李亚川 张卫东(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

0 引言

能源需求促进海洋油气资源的开发，海底管道作为海上油气集输的大动脉正发挥着日益重要的作用。伴随着海底管道施工船舶作业能力的提高，速度更快、稳定性更好的自动焊技术也得到了迅速发展，对检验技术也提出了更高要求。全自动超声波检测(Automatic Ultrasonic Testing，简称AUT)技术，由于其缺陷检出率高、定位准确、定量精度高、检测速度快、安全环保等诸多优势，逐步发展成为海底管道对接环焊缝无损检验的首选方法。

1 海底管道

海底管道长期服役在低温、高压、强腐蚀的海洋环境中，不仅承受着内外压力、轴向力、弯矩等静载荷和温度荷载的联合作用，而且还要承受交变的外压、波浪、海流等动载荷的作用，使管道承受着多种载荷的联合作用并引发多种形式的破坏。相比陆地用管，恶劣的海洋环境对海底管线用钢及钢管的强度与韧性、抗压性能、尺寸精度等指标都有着严格的要求。目前，国内海底管道项目常用的管线钢材质为X65。以某海底管道项目为例，选用的管道信息如表1 所示。

表1 海底管道信息

2 对接环焊缝焊接

全自动焊接方法采用填充量更小的J 型坡口。本项目选用熔化极气体保护焊 (Gas Metal Arc Welding)，简称GMAW。它是利用焊丝与工件间产生的电弧作热源将金属熔化的焊接方法。焊接过程中，电弧熔化焊丝和母材形成的熔池及焊接区域在惰性气体或活性气体的保护下，可以有效地阻止周围环境空气的有害作用。本项目选用的焊接工艺参数详见表2。

3 AUT检验

海底管道对接环焊缝采用更加先进、准确、高效、清洁的全自动超声波检测(AUT)系统。

3.1 AUT技术的基本原理

AUT 技术属于相控阵超声波的一种。相控阵超声波的原理是利用计算机系统控制相控阵多组单元形成的“动态聚焦”和“声束偏转”，实现对结构关键部位检测。相控阵探头是一个较长的常规超声探头，将其切割成许多小的晶片，每个小晶片都可以独立激发，就像是将许多小的常规超声探头集成进入一个探头中。相控阵超声波可形成的不同扫描类型，包括线性扫描、扇形扫描和深度聚焦等。

3.2 AUT系统

AUT 系统包括控制单元、扫查器单元和耦合单元。其中，控制单元由数据采集单元DAU，马达驱动单元MCDU，工业计算机组成；扫查器单元包括了探头(相控阵+TOFD)，编码器，电机，基盘等；耦合单元提供扫查过程的耦合剂。

3.3 AUT工艺

AUT 工艺采用分区法，即根据检查焊缝壁厚坡口形式将焊缝分成几个垂直的分区(图1)。每个分区的高度一般为1～3mm，根部分区高度一般为1mm，热焊区分区高度为圆弧半径，若半径大于3mm，需增加分区数量，填充分区一般不大于3.5mm。每一个分区采用专门的声束进行检测，由一组独立的晶片控制。每一组声束利用AUT 校准试块中每一个分区对应的反射体进行校准。每个分区以焊缝中心线为界，分为上游、下游两个通道，其检测结果在带状图上以项对应的通道显示出。

图1 焊缝分区

表2 选用的焊接工艺参数

3.4 AUT图像显示

AUT 检测结果采用带状图显示，包括A 扫、B 扫、根部Map、TOFD 和耦合监测等数据信息。

每个带状图代表一个分区，标准的输出显示包括每个通道的带状图加上TOFD 图形通道， 耦合与位置。带状图显示为包含渡越时间门和波幅门的双门带状图显示，让焊缝看起来好像是从中间“剖开”一样。相对于RT 技术，AUT 不仅能够定量缺陷长度，还能定位缺陷深度和高度，有利于焊接过程控制，有助于分析缺陷产生的位置和原因，提高焊接质量。

4 缺陷返修统计与分析

4.1 合格率统计与分析

本海底管道项目共包含710 道环焊缝，其中返修31 道，一次合格率为95.63%。超声波检测技术对危害性较大的面积性缺陷检出率高，本项目未熔合、未焊透等面积性缺陷29个，气孔等体积缺陷2个。经过对每100 道焊缝的合格率统计与分析，项目初期返修较低，合格率低。焊接工程师通过AUT 数据分析缺陷产生的原因，并采取了有效措施进行改进，焊缝合格率逐渐上升，并最终维持在97%～98%之间。

4.2 缺陷深度位置统计与分析

将缺陷焊缝在壁厚方向上的深度进行统计发现(表3)，根部区占比32.26%，热焊区占比41.94%，填充占比16.13%，盖帽占比6.45%。

表3 缺陷深度位置统计

本项目自动焊采用J 型坡口，根部区域为1.5mm，没有间隙，需要熔合金属将根部金属熔透，完成根部成型。填充区角度为3°，几乎为一个垂直面，根部焊接时焊枪的焊嘴伸入长度较长，观察视线较差，对焊工技能要求较高。因此根部焊接难度大，出现缺陷的几率较大。热焊区域是根部区域和填充区域的过渡区，在圆弧位置的上下区域都存在角度的变化，出现缺陷的几率较大。填充区域是相同角度的不同焊道层的堆积，焊接难度相对较小，合格率较高。盖帽区域是坡口焊满后的加强高焊接，视线好，焊接难度小，合格率高。

4.3 缺陷圆周位置统计与分析

将管道环焊缝在圆周方向上位置进行统计发现，5 点～7点的仰焊位置缺陷占比48.39%，11 点～1 点的平焊位置缺陷占比16.13%，其余立焊位置缺陷总共占比35.58%，详见表4。

表4 缺陷圆周位置统计

海底管道对接环焊缝焊接用两名焊工分别在管子的左右两侧焊接，在12 点的平焊位置和6 点的仰焊位置存在焊道搭接。6 点仰焊位置因熔池金属重力向下和焊工操作空间限制的原因导致焊接难度较大，因此出现缺陷的几率较大。而焊接难度相对较小的12 点平焊位置也出现了较大比例的缺陷。从缺陷的分布和返修焊缝发现，缺陷容易出现在左右两名焊工的接头位置，因此合理的打磨过渡对接头处的熔合起到重要作用。

5 结语

海底管道焊接质量随着项目开展逐渐向好，并趋于稳定。焊接缺陷的产生包括人员、设备和环境条件等诸多原因。全自动超声波检测(AUT)技术定位准确、定量精度高，可以测量焊缝中缺陷的完整信息，包括位置、长度、深度和高度，为分析缺陷产生原因、提高焊接质量提供数据支持。针对焊接缺陷产生的原因，有针对性地实施解决措施，显著降低了焊缝返修率，提高施工效率，为项目对接环焊缝的质量控制提供了有力保障。