海底管道AUT檢測(cè)方法的改進(jìn)

尤衛(wèi)宏，張俊杰

（海洋石油工程股份有限公司檢驗(yàn)公司，天津 300452）

海底管道AUT檢測(cè)方法的改進(jìn)

尤衛(wèi)宏，張俊杰

（海洋石油工程股份有限公司檢驗(yàn)公司，天津 300452）

現(xiàn)有AUT檢測(cè)方法不能準(zhǔn)確檢測(cè)出相同內(nèi)徑不同壁厚海底管道的焊縫質(zhì)量。為此改進(jìn)了焊縫坡口型式、確定了不同壁厚連接處的過(guò)渡比例、改造了探頭支架、優(yōu)選了調(diào)節(jié)塊材料。通過(guò)試驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果對(duì)比，證明運(yùn)用改進(jìn)的AUT檢測(cè)方法可實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠的目標(biāo)。

相控陣；超聲波檢測(cè)；海底管道；檢測(cè)靈敏度

0 引言

海底管道是海洋油氣集輸?shù)囊粋€(gè)重要組成部分，其損傷或缺陷的存在很大程度上會(huì)降低管道的承載能力，縮短管道的使用壽命，一旦破裂將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。為此，提高海底管道缺陷檢測(cè)和安全評(píng)估的準(zhǔn)確性對(duì)促進(jìn)海洋石油安全開(kāi)發(fā)、預(yù)防海洋環(huán)境污染具有十分重要的意義。

目前，應(yīng)用于海底管道焊縫檢測(cè)的方法和技術(shù)較多，國(guó)內(nèi)比較流行的是射線檢測(cè)和超聲波檢測(cè)。隨著相控陣?yán)碚撛诔暡z測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用和自動(dòng)化程度的提高，全自動(dòng)相控陣超聲波檢測(cè) （AUT）技術(shù)日趨成熟，并以其檢測(cè)速度快、缺陷定量準(zhǔn)確、作業(yè)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于石油工程中的鋼結(jié)構(gòu)焊接檢測(cè)。特別是在海底管道鋪設(shè)過(guò)程中對(duì)焊接檢測(cè)和工作環(huán)境的特殊要求，全自動(dòng)相控陣超聲波檢測(cè)更全面地體現(xiàn)了其優(yōu)越性能。本文結(jié)合海洋石油工程股份有限公司在海底管道鋪設(shè)過(guò)程中AUT技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，根據(jù)相同內(nèi)徑不同壁厚海底管道檢測(cè)的特殊需要，對(duì)現(xiàn)有的檢測(cè)方法進(jìn)行改進(jìn)，使其滿足相同內(nèi)徑不同壁厚海底管道檢測(cè)的性能要求。

1 相控陣超聲波檢測(cè) （AUT）系統(tǒng)

1.1 相控陣超聲波檢測(cè)的基本原理

與傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)不同，相控陣超聲波檢測(cè)系統(tǒng)采用多聲束掃描成像技術(shù)，超聲波檢測(cè)探頭是由多個(gè)晶片組成的換能器陣列，陣列單元在激發(fā)電路激勵(lì)下以可控的相位激發(fā)出超聲波，并使超聲波聲束在確定的聲場(chǎng)處聚焦，其基本原理如圖1所示。聲場(chǎng)控制通過(guò)在發(fā)射脈沖和接收信號(hào)的過(guò)程中引入相位控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2 相控陣探頭

超聲線性相控陣探頭是超聲檢測(cè)中實(shí)現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換的器件，它由換能器、殼體、電纜和其他附件組成。換能器是探頭的功能件，具有發(fā)射超聲波和接收超聲波信息的功能。超聲線性相控陣換能器的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，由壓電元件、內(nèi)外匹配層、保護(hù)層和背襯塊組成。

相控陣探頭由多個(gè)相互獨(dú)立的壓電晶片組成陣列，每個(gè)晶片稱為一個(gè)單元，按一定的規(guī)則和時(shí)序用電子系統(tǒng)控制激發(fā)各個(gè)單元，使陣列中各單元發(fā)射的超聲波疊加形成一個(gè)新的波陣面。同樣，在反射波的接收過(guò)程中，按一定規(guī)則的時(shí)序控制接收單元的信號(hào)接收并進(jìn)行信號(hào)合成。

1.3 相控陣聚焦特性

使用超聲線性相控陣探頭時(shí)，聲束的聚焦是通過(guò)向陣列中的內(nèi)部晶片增加延時(shí) （ΔT）得到的。聚焦時(shí)，陣列中每個(gè)小晶片發(fā)射的能量累積疊加到某一點(diǎn)。聚焦原理如圖3所示。

因此，利用一個(gè)探頭即可得到聚焦在不同深度的聲束，但聚焦只發(fā)生在近場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)。

2 AUT檢測(cè)方法的改進(jìn)

由于海洋環(huán)境的多樣化與不確定性，海底管道存在多種規(guī)格尺寸。目前使用的AUT焊縫檢測(cè)設(shè)備，系統(tǒng)調(diào)試和初始設(shè)定的規(guī)則都是基于兩段規(guī)格完全相同的管道來(lái)完成的 （如圖4所示），對(duì)于相同內(nèi)徑不同壁厚的對(duì)接焊縫，原有AUT設(shè)備和檢測(cè)方法無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)出焊縫處的焊接質(zhì)量。

為了在相同內(nèi)徑不同壁厚的對(duì)接環(huán)焊縫 （見(jiàn)圖5）檢測(cè)中使用AUT設(shè)備，通過(guò)對(duì)實(shí)際操作中現(xiàn)行海底管道焊接工藝要求的深入研究，參照焊接程序設(shè)計(jì)和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合現(xiàn)有AUT設(shè)備導(dǎo)軌及探頭分部的特點(diǎn)，改造設(shè)計(jì)出合適的焊縫坡口型式 （不同尺寸的可參考圖5中的比例），并經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)確定了厚壁側(cè)表面1∶4的過(guò)渡比例，使焊縫兩側(cè)過(guò)渡平滑，既滿足焊接工藝和工序的要求，也滿足AUT設(shè)備的使用要求。

焊縫坡口型式及過(guò)渡段比例問(wèn)題解決后，由于AUT設(shè)備原有探頭支架長(zhǎng)度無(wú)法滿足差異壁厚焊縫掃查的需要，因此必須對(duì)探頭支架進(jìn)行適應(yīng)性改造。此外，根據(jù)探頭支架所需強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能要求，向材料工程師咨詢后選取調(diào)節(jié)塊的材料，并對(duì)其進(jìn)行了大量的機(jī)械性能方面的試驗(yàn)，以保證整改后設(shè)備使用的穩(wěn)定性。

3 改進(jìn)的AUT檢測(cè)方法的試驗(yàn)研究

3.1 設(shè)備調(diào)試

試驗(yàn)試塊尺寸：609.6 mm×13.6 mm/18.7 mm。在設(shè)置時(shí)，全自動(dòng)相控陣超聲波檢測(cè)裝置設(shè)置是以薄壁側(cè)為基準(zhǔn)，在厚壁側(cè)生成的掃查波束、閘門(mén)位置、波束聚焦位置等都將偏離原有位置，使得厚壁側(cè)無(wú)法得到合格的圖像顯示。以根部通道為例，掃查角度為70°，采用 “自發(fā)自收 （PE）”模式。同等尺寸的對(duì)接環(huán)焊縫，入射點(diǎn)至焊縫中心線的距離為35 mm，聲束從入射點(diǎn)至反射體的距離為42 mm；同等內(nèi)徑不同壁厚對(duì)接環(huán)焊縫，入射點(diǎn)至焊縫中心線的距離為49 mm，聲束從入射點(diǎn)至反射體的距離為65 mm，這將增加整個(gè)系統(tǒng)靈敏度。通過(guò)改變校準(zhǔn)試塊的形狀，并調(diào)整全自動(dòng)相控陣超聲波檢測(cè)裝置相關(guān)參數(shù)，改變聚焦延遲時(shí)間等，使得波束聚焦位置、閘門(mén)位置在指定區(qū)域，系統(tǒng)靈敏度達(dá)到技術(shù)要求。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)性能分析

3.2.1 掃查軌道安裝

為確保現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，應(yīng)嚴(yán)格控制軌道安裝精度。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量分析，軌道最大誤差 （與校準(zhǔn)試塊軌道距離比較）為±0.5 mm，當(dāng)軌道誤差超過(guò)此范圍后，檢測(cè)精度將大幅降低。

3.2.2 檢出率分析

將調(diào)試好的設(shè)備檢驗(yàn)結(jié)果與常規(guī)射線結(jié)果進(jìn)行綜合對(duì)比，改進(jìn)后的AUT檢測(cè)方法的檢出率高于常規(guī)射線檢出率，尤其對(duì)未焊透、坡口未熔合等類型缺陷檢出率明顯高于常規(guī)射線，對(duì)比結(jié)果得到了業(yè)主及第三方的認(rèn)可。

4 改進(jìn)的AUT檢測(cè)方法現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的優(yōu)越性

在樂(lè)東海底管道項(xiàng)目中，存在相同內(nèi)徑不同壁厚的海底管道對(duì)接焊縫約800道口，改造前的AUT設(shè)備無(wú)法適應(yīng)這種焊縫的檢測(cè)，使用中由于探頭聚焦失真容易造成缺陷定位不準(zhǔn)、類型判定偏差大、甚至漏檢等情況。為了增加準(zhǔn)確度，還需要人為增加掃查次數(shù)并不斷調(diào)整探頭的角度。有時(shí)只能采用RT（射線檢測(cè)）來(lái)替代，以保證質(zhì)量。

采用改造后的AUT檢測(cè)方法，檢測(cè)準(zhǔn)確率提高了70%，掃查次數(shù)的減少降低了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)減少了RT檢驗(yàn)需要量，提高了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的安全性。該項(xiàng)目采用此技術(shù)為整個(gè)工程節(jié)約了5~8船天，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)數(shù)百萬(wàn)美元。檢驗(yàn)結(jié)果滿足相關(guān)技術(shù)要求，得到了現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目組、業(yè)主的高度認(rèn)可。現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試塊掃查圖見(jiàn)圖6。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有僅適用于同壁厚管道焊縫AUT檢測(cè)方法的改進(jìn)，使其能夠應(yīng)用于相同內(nèi)徑不同壁厚

的海底管道對(duì)接焊縫的檢測(cè)，有效地解決了工程中遇到的難題。通過(guò)大量試驗(yàn)和工程實(shí)踐的結(jié)果對(duì)比，充分證明改進(jìn)后的檢測(cè)方法運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠、準(zhǔn)確率高，為提高海底管道鋪設(shè)工程中此類特殊焊縫的檢測(cè)效率提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，具有很大的推廣價(jià)值。

[1]DNV-OS-F101，海底管道系統(tǒng)規(guī)范[S].

[2]黃晶.超聲相控陣?yán)碚摷捌湓诤Ｑ笃脚_(tái)結(jié)構(gòu)焊縫缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2005.

[3]慶紅若，徐進(jìn).PipeWIZARD相控陣超聲波檢測(cè)缺陷評(píng)定技巧[J].石油工程建設(shè)，2010，（4）：63-64.

Improvement of AUT Inspection Method for Submarine Pipeline Testing

YOU Wei-hong（Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.Inspection Company,Tianjin 300452,China），ZHANG Jun-jie

Present AUT inspection method is imprecise to inspect weld seam quality of submarine pipeline with the same inner diameter but different wall thicknesses.Therefore,some improvements were done including bevel form,wall thickness transition ratio at the joint with different wall thicknesses,sensor bracket and regulation block material selection.The results comparison between the testing and the practical application showed that the improved AUT inspection method was able to realize the aims of high precision,stable operation,safety and reliability.

ultrasonic testing;submarine pipeline;inspection sensitivity

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.01.019

尤衛(wèi)宏 （1966-），男，天津人，主要從事海底管道檢測(cè)技術(shù)研究及相關(guān)管理工作。

2011-04-02