基于TRL探頭的雙相不銹鋼對接焊縫的超聲相控陣檢測

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(1.海洋石油工程股份有限公司，青島 266520;2.中海石油深海開發有限公司,深圳 518000)

雙相不銹鋼具有奧氏體和鐵素體的雙相組織,而且單相含量一般都大于30%。雙相不銹鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點:與鐵素體不銹鋼相比，其塑性、韌性更高，耐晶間腐蝕性能和焊接性能也很高;與奧氏體不銹鋼相比，其強度高，且耐晶間腐蝕和耐氯化物應力腐蝕能力也明顯提高[1]。

位于我國南海的某海洋石油天然氣平臺隨著服役時間的延長,平臺工作壓力有所下降。在通過新增濕氣壓縮機模塊來滿足平臺后期生產要求的過程中,考慮到傳輸介質為高壓天然氣,并且又處在高腐蝕性的海洋環境中,雙相不銹鋼材料是首選,但隨之而來就是如何對其進行無損檢測的問題。筆者結合最新的TRL(縱波一發一收)相控陣探頭，并利用超聲波相控陣檢測方法,通過縱波一發一收的方式提高了信噪比,在演示試塊及產品焊縫中證明了該方法的可行性。

1 雙相不銹鋼焊縫的無損檢測

目前，在海洋石油天然氣平臺的建造過程中，通常采用傳統的射線檢測方法檢測雙相不銹鋼焊縫的內部缺陷。射線檢測技術比較成熟，對體積型缺陷較為敏感，并且檢測結果能夠永久保存，因此射線檢測在工程項目的應用中屬于穩定且保守的檢測方法。但射線檢測也存在“致命”的缺點，即電離輻射，因此射線作業必須在隔離的條件下進行，在周邊一定區域內不允許有其他任何施工人員;尤其是管線工作進入安裝階段后，射線檢測往往難以實現中心曝光，導致檢驗效率低下，嚴重影響項目進度。

超聲波檢測也是針對焊縫內部缺陷的傳統檢測方法之一，并且對坡口未熔合等高危面狀缺陷較為敏感。但雙相不銹鋼焊縫及其鄰近區域的晶粒較為粗大，聲波能量衰減嚴重、信噪比差，甚至無法區分缺陷信號和雜波信號[2-3]；另外，由于超聲波檢測對檢測數據的可記錄性差，且受人員技能水平的影響較大，在某種程度上制約了其在雙相不銹鋼管線焊縫中的應用。

超聲波相控陣技術是傳統超聲波檢測的延伸應用，其探頭采用的是集成多個晶片的陣列模式，通過對某一組晶片采取一定的激發延時，來實現聲波的移動、偏轉和聚焦。近年來，隨著壓電晶片材料及計算機技術的發展，相控陣檢測技術也在飛速發展，在海洋工程項目中，超聲相控陣檢測低合金鋼的方法越來越廣泛。面對雙相不銹鋼焊縫的粗大晶粒時，為了提高聲束的穿透能力，相控陣利用聲束的可控性會生成一定角度范圍的縱波。但由于受偏轉能力的制約，為了實現焊縫內部和熱影響區的聲束有效覆蓋，必須去除焊縫表面余高，使探頭橫跨在焊縫上掃查[4]。但去除余高后的焊縫表面粗糙度較大，耦合探頭時在聲束初始位置(約2～3 mm)有較為強烈的耦合信號，橫跨焊縫耦合的雜波示意如圖1所示，此信號可能會掩蓋上表面區域的缺陷,存在漏檢風險；另外此工藝需要多次掃查，檢驗效率不高。

圖1 橫跨焊縫耦合的雜波示意

2 基于TRL探頭的檢測工藝

2.1 檢測對象

被檢管線焊縫規格為直徑450 mm、壁厚14.27 mm，采用“V”型坡口氬弧焊焊接方法，材料為雙相不銹鋼(牌號S31803)，被檢焊縫截面示意及外觀如圖2所示。

圖2 被檢焊縫截面示意及外觀

2.2 TRL探頭的特點

DMA(Dual Matrix Array的簡寫)是屬于TRL系列的二維矩陣相控陣探頭,其能大幅改善聲束的穿透能力和信噪比，主要是由于該探頭具有下述優點。

(1) 采用低頻縱波模式。

(2) 采用一發一收模式。

(3) 楔塊尺寸小(見圖3)，聲波在楔塊中損失的能量較小。

圖3 DMA探頭楔塊外觀

2.3 聲束模擬及檢測工藝

相控陣檢測區域應包含焊縫內部、熱影響區及其鄰近區域，為保證聲束有效地覆蓋被檢區域，需對聲束傳播進行模擬，以確定和優化超聲相控陣檢測工藝[5]。SetupBuilder聲束模擬軟件簡單實用，其基于理論聲學公式，通過計算、模擬各種型號換能器在特定工藝設置下產生的波束覆蓋，從而指導檢測工藝參數的設置。

通過理論分析和聲束模擬，同時考慮到坡口未熔合的方向性，檢測工藝確定為使用DMA探頭進行單面雙側扇形掃描為主，低頻線性陣列探頭激發橫波檢測為輔的檢測方法(見圖4)。

圖4 DMA探頭和線性陣列探頭檢測工藝示意

2.4 工藝認證

為確保工藝的可靠性，在帶有缺陷的演示試塊上進行工藝認證，以確保演示試塊中的所有缺陷均能被有效檢出，并且檢測的尺寸和位置能夠和實際情況相匹配。

2.4.1 演示試塊的設計

為了更真實地模擬被檢焊縫的實際狀態，演示試塊的材料直接在被檢管線上截取，并且按照被檢焊縫的焊接工藝焊接，演示試塊結構示意如圖5所示(A為表面槽，用于模擬焊趾裂紋等表面缺陷；B為坡口處槽，用于模擬焊縫內部坡口未熔合等面狀缺陷；C為根部槽，用于模擬根部處的缺陷；D為焊縫內部孔，用于模擬焊縫內部氣孔、夾渣等體積型缺陷)[6-7]。

圖5 演示試塊結構示意

2.4.2 試塊掃查

試驗采用奧林巴斯OMNISCAN MX2超聲相控陣檢測儀，依次校準聲速、楔塊延時、角度校準增益及TCG(深度補償)曲線，安裝適當的編碼器和掃查架，按照檢測工藝進行掃查并保存數據。

2.4.3 數據分析及結果

該檢測工藝能很好地檢測出演示試塊中的所有缺陷，并且定位和定量結果與實際值基本吻合，說明在誤差允許范圍之內，該工藝是可行的。演示試塊的超聲相控陣檢測結果如表1所示。

表1 演示試塊的超聲相控陣檢測結果 mm

圖6 演示試塊超聲相控陣檢測效果圖

3 現場應用

在某液化天然氣(LNG)管線應用超聲相控陣檢測工藝代替傳統射線檢測過程中，發現某焊縫根部位置存在長度約50 mm的缺陷，現場相控陣檢測結果如圖7所示。在拆除焊口附近管線內部，通過目視發現根部單側未熔合，經測量其長度約48 mm，缺陷實際外觀如圖8所示。目視結果和相控陣檢測結果幾乎相同，進一步驗證了其工藝的有效性和可靠性。

圖7 現場相控陣檢測結果

圖8 缺陷實際外觀

4 結語

通過演示試塊及現場應用表明,基于DMA探頭的檢測工藝能夠有效檢測雙相不銹鋼焊縫,并且很好地解決了傳統檢測方法及工藝的不足。在海洋工程多個項目中，采用該檢測工藝替代射線檢測，能在保證工程質量的同時為項目進度做出巨大貢獻，具有較大的應用價值。

[1] 王鎖根.雙相不銹鋼焊接顯微組織狀態[J].焊接技術，2009,38(2):21-22.

[2] 夏有玉,吳鳳錦.奧氏體不銹鋼焊縫中超聲波衰減對缺陷定位的影響[J].無損檢測,2012,34(6):82-84.

[3] 宋波，喬江偉,劉志毅.基于超聲相控陣技術的不銹鋼超聲檢測方法[J].中國船檢,2013(8):109-112.

[4] 李鵬頻，李江,劉貴吉,等.雙晶聚焦縱波相控陣檢測系統在雙相不銹鐵管線中的應用[J].中國造船,2014(4):331-339.

[5] 王少軍,宋盼,程俊,等.聲束可視化在管節點焊縫超聲檢測中的應用[J].無損檢測,2016,38(6):17-20.

[6] 薛擁軍,張典禮,高軍.奧氏體不銹鋼對接焊接接頭超聲波檢測對比試塊的制作[J].無損檢測,2011,33 (7):47-49.

[7] 趙曉鑫,王伏喜,鄂楠,等.相控陣檢測與射線檢測的缺陷識別對比[J].無損檢測,2016,38(1)：41-43.