钢悬链线立管焊缝的自动超声检测

2021-12-22张天江

无损检测 2021年7期

陈亮，张天江，吴员

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

钢悬链线立管(SCR)是深海油气开发半潜平台的重要组成部分，由于其受力状态特殊，所以需要严格控制焊缝质量，目前自动超声检测(AUT)已成为此类管线的首选检测方法。DNVGL-ST-F101-2017和API 1104-2008标准中的基于经验的焊接缺陷验收标准已不能满足此类焊缝的检测需求，需根据工程临界分析(ECA)技术建立项目专用的焊缝缺陷验收标准，要求AUT技术具有高定量精度，以满足工程应用的需要。笔者介绍了SCR焊缝质量检测技术，对缺陷的高度定量进行了修正，提高了缺陷高度的定量精度。

1 检测对象

钢悬链线立管集海底管线与立管于一身，用来连接海底生产系统与油气处理平台，其分为常规海管区域、非关键区域和关键区域。SCR管线设计如图1所示。

图1 SCR管线设计示意

2 检测方法

SCR管线在服役期间受到循环应力的作用，但不允许对焊缝进行任何返修作业，因此精确评定缺陷的尺寸至关重要。射线检测不能测定缺陷的高度和深度，常规超声检测和相控阵检测技术的高度定量精度不足，所以均不适用于此类管线的焊缝检测。相控阵AUT既具有发现微小缺陷的能力，也能满足高度定量精度的要求，可以用来检测海底管线焊缝。

DNVGL-ST-F101-2017标准规定了用分区法相控阵AUT对海底管线焊缝进行检测。管线采用ECA技术验收，某SCR海底管线项目的典型ECA验收标准如表1所示。

表1 某海底管线项目的典型ECA验收标准 mm

3 AUT的原理

3.1 相控阵原理

相控阵技术分别对阵列中的每个晶片延时发射激励脉冲，从而可创建不同的声束角度及聚焦距离。一个分区的波束检测如图2所示，相控阵技术使用一组探头就可覆盖检测焊缝区域。

图2 一个分区的波束检测示意

3.2 分区法AUT原理

分区法检测技术依据焊缝的坡口形式设置焊缝根部、热焊、填充及盖面等分区，每个分区高度为13 mm，同时采用超声衍射时差法(TOFD)及体积检测通道，以提升不同类型缺陷的AUT检测能力及定量精度。每个分区设置独立的检测波束，其以焊缝中心线对称布置(波束设置见图3)，并有效覆盖焊缝中心，实现焊缝检测区域的有效检测，检测结果以带状图的方式显示(见图4)。

图3 分区法波束设置示意

图4 焊缝检测结果的带状图显示

4 试验方法

4.1 AUT检测系统

使用PipeWIZARD-V4检测系统，配置一组相控阵探头，一组TOFD探头，探头对称放置于焊缝两侧，扫查装置安装在固定式导轨上，通过PipeWIZARD系统软件控制扫查器行走，实现焊缝的机械化扫查、数据实时显示及评判。

4.2 检测对象

检测对象为X65碳钢管，外径为168 mm，壁厚为18.6 mm。采用自动熔化极气体保护焊(GMAW)焊接工艺，通过调整焊接工艺参数制作了46个焊接缺陷，缺陷高度为0.5～2 mm，长度为5～15 mm，高度覆盖验收标准的最小值，长度接近验收标准的极限值，验证AUT对最小缺陷的检测能力。焊缝缺陷的类型包括坡口未熔合、根部未熔合、内部密集气孔及层间未熔合等体积型缺陷。

4.3 缺陷高度定量方法及修正

每个通道设置独立的反射体进行灵敏度校准，焊缝表面设置规格(长×宽)为1 mm×1 mm的槽，根部设置规格(长×宽)为1 mm×1 mm的槽，填充及热焊区设置直径为2 mm的平底孔，焊缝中心设置直径为1.5 mm的平底孔[1]，所有反射体与坡口平行。每个通道的基准波幅设置为满屏高度的80%，填充区相邻通道覆盖15%～50%的满屏高度，典型AUT校准试块反射体布置如图5所示。

图5 典型AUT校准试块反射体布置示意

缺陷的高度采用波幅法评定[2]，缺陷高度与波幅成正比，设定波幅为80%满屏高度对应的尺寸为该通道反射体尺寸，波幅超过满屏高度时，分区高度即是缺陷高度(波幅法定量数据如表2所示)。若TOFD通道有清晰显示，且能区分上下尖端信号，则采用TOFD方法测定缺陷的高度。

表2 波幅法定量数据 mm

AUT缺陷显示分为单通道显示和多通道显示，缺陷D6的单通道AUT显示如图6所示，缺陷D7的多通道AUT显示如图7所示，对两个缺陷的AUT数据进行常规高度评定及波幅高度修正评定，通过金相检验测量缺陷的实际尺寸(见图8，9)，将AUT结果与金相检验测量缺陷的实际尺寸进行对比，验证AUT数据修正后的评定精度。AUT修正前后数据与金相检验测量数据的对比如表3所示，由表3可知，修正后的AUT评定值更精确。