海底管道無損檢測技術評定中人工缺欠的制作

(海洋石油工程股份有限公司海洋工程技術服務分公司, 天津 300452)

1 背景

隨著計算機數據處理能力的提高和數字化進程的加快，海底管道環焊縫檢測技術手段越來越豐富，如全自動超聲波檢測技術(AUT)，衍射時差法(TOFD)，相控陣超聲波檢測(PAUT)等，為不同需求的業主提供了更多選擇，但根據DNVGL-ST-F101《海底管道系統》及API1104《管道及相關設施焊接》等主流海底管道標準的要求，這些技術都要經過評定，確定其具有可靠性之后才能應用于實際工程中。在技術評定過程中，必須使用與焊接過程中自然產生的缺欠相同或者相似的缺欠來衡量無損技術的可靠性。目前，比較流行的焊接缺欠制作方法是通過控制焊接過程中的電流、電壓等焊接參數來產生缺欠，但很難控制缺欠的大小及位置。

為解決傳統的缺欠制作方法不能準確地控制缺欠的大小及位置的問題，筆者提供了一種可以比較精確地控制缺欠大小及位置的辦法，尤其是對海底管道焊接過程中比較常見也比較危險的側壁未融合模擬試塊的制作有較好的指導意義。

2 缺欠制作方法

2.1 側壁未融合缺欠

制作側壁未融合時，首先在缺欠設計區域坡口面的某一深度上通過電火花加工(EDM)或者機械加工出符合相關規范要求的，具有一定高度和長度的槽，槽的平面必須與坡口面平行，保證缺欠的走向與自然缺欠一致，槽的深度需要根據焊接方式的熔深確定，一般設置為1.5 mm(見圖1)，然后將厚度約1 mm，長度和寬度與預加工槽一致的長條狀不銹鋼片放入槽中，使用鎢極氬弧焊進行填埋，此時應注意以下幾點:① 只要將槽覆蓋即可，不要將槽填滿，亦不要使不銹鋼片完全融合；② 填埋長度只需要覆蓋槽并延長1～2 mm；③ 保證填埋質量，不要產生氣孔等缺欠。

最后使用完成評定的焊接方法完成整道焊縫的焊接。

圖1 側壁未融合缺欠槽結構示意

2.2 根部未融合缺欠

根部未融合缺欠的制作方法有兩種：一種是在缺欠設計區域停止焊接，形成缺欠后繼續完成剩余焊道的焊接，該方法的優點是產生的缺欠與自然缺欠基本一致，但其尺寸不可控，而且可能會影響其他焊道(層)的質量;第二種方法是在整體焊縫焊接完成后采用EDM等機加工的方式在內表面加工一定深度的槽，此方法能夠較好地模擬自然缺欠，而且其尺寸可以控制在理想的范圍內，一般情況下槽的寬度為1 mm。

圖2 根部未融合缺欠結構示意

2.3 表面缺欠

表面缺欠分為開口型缺欠以及近表面缺欠。加工開口型缺欠時，可在焊縫整體焊接完成后，直接使用EDM或者其他機加工的方式在表面開槽；加工近表面缺欠時，可采用與側壁未融合缺欠類似的制作方法。

2.4 體積型缺欠

體積型缺欠一般分為氣孔和夾渣，不同的焊接工藝會產生不同類型的體積型缺欠，比如手工電弧焊在焊接過程中易產生藥皮，從而形成夾渣。熔化極惰性氣體保護電弧焊因為只有保護氣而不會產生藥皮，所以體積型缺欠以氣孔為主，故需要根據焊接工藝的特點制作不同類型的體積型缺欠。氣孔的制作方法是在焊接過程中注入一定空氣干擾保護氣，形成氣孔。制作夾渣時，在焊縫中間放置藥皮等異物，并正常焊接。

2.5 其他注意事項

為了保證海底管道環焊縫人工缺欠制作的成功率并提高效率，需要注意以下幾點：

(1) 制作缺欠所用的焊接方法(包括坡口形式、焊接參數等)盡量與產品焊接方法相同，需經過評定并獲得權威第三方的認可，才可用于缺欠試驗件的焊接，不允許用其他焊接方法代替。焊接試驗件的焊工也需要經過資格認可，才可開展相關焊接工作，焊接過程中應保證焊接質量，盡量避免產生非目標缺欠。

(2) 制作側壁未融合缺欠時，槽的平面應與坡口面平行，槽的尺寸及位置誤差應在±0.2 mm之內。

(3) 制作試驗件的管材應與工程實際應用的管材相同，并選取橢圓度較好的管材，且盡量在同一管材上截取，使用鋼印等手段做好材料的跟蹤及記錄。

(4) 坡口加工完成后應使用劃線器劃制參考線，保證數據采集時掃查裝置安裝的精度，運輸時應注意保護坡口，防止坡口損壞。

(5) 缺欠之間應保持一定的距離，防止缺欠之間產生干擾，缺欠間距值推薦為2倍于相鄰缺欠中較小缺欠的長度。

3 缺欠質量的評估

缺欠制作完成后，應立即對第一條焊縫使用無損檢測手段以及破壞性試驗來評估缺欠的尺寸及質量，無損檢測方法包括相控陣超聲波檢測(PAUT)，衍射時差法(TOFD)以及射線檢測等，檢測是為了證明缺欠的存在，測量其相關尺寸并與預置值進行比較，且檢測數據應進行記錄并保存。為了驗證缺欠的數量和尺寸，盡量使用破壞性試驗的方式進行測量(見圖3)，也可根據DNVGL-ST-F101的要求進行，并根據無損檢測手段及破壞性試驗的結果及時調整缺欠制作工藝。

圖3 焊縫的破壞性試驗示意

4 結論

海底管道環焊縫無損檢測技術評定中人工缺欠的制作是一項復雜而且細致的工作，是無損檢測技術評定中難度較大的環節，缺欠制作的水平和效率將直接決定無損檢測技術評定工作的成敗。筆者在眾多項目實踐的基礎上，并結合DNVGL及API等相關標準的要求，總結了目前海底管道環焊縫無損檢測技術評定中人工缺欠的制作方法和主要問題，為類似的項目提供了參考，具有一定的可操作性和指導意義。