海底管道對(duì)接環(huán)焊縫焊接質(zhì)量控制分析與研究

常宇 曹雷 徐振 張永波 李亞川 張衛(wèi)東(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

0 引言

能源需求促進(jìn)海洋油氣資源的開發(fā)，海底管道作為海上油氣集輸?shù)拇髣?dòng)脈正發(fā)揮著日益重要的作用。伴隨著海底管道施工船舶作業(yè)能力的提高，速度更快、穩(wěn)定性更好的自動(dòng)焊技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，對(duì)檢驗(yàn)技術(shù)也提出了更高要求。全自動(dòng)超聲波檢測(Automatic Ultrasonic Testing，簡稱AUT)技術(shù)，由于其缺陷檢出率高、定位準(zhǔn)確、定量精度高、檢測速度快、安全環(huán)保等諸多優(yōu)勢，逐步發(fā)展成為海底管道對(duì)接環(huán)焊縫無損檢驗(yàn)的首選方法。

1 海底管道

海底管道長期服役在低溫、高壓、強(qiáng)腐蝕的海洋環(huán)境中，不僅承受著內(nèi)外壓力、軸向力、彎矩等靜載荷和溫度荷載的聯(lián)合作用，而且還要承受交變的外壓、波浪、海流等動(dòng)載荷的作用，使管道承受著多種載荷的聯(lián)合作用并引發(fā)多種形式的破壞。相比陸地用管，惡劣的海洋環(huán)境對(duì)海底管線用鋼及鋼管的強(qiáng)度與韌性、抗壓性能、尺寸精度等指標(biāo)都有著嚴(yán)格的要求。目前，國內(nèi)海底管道項(xiàng)目常用的管線鋼材質(zhì)為X65。以某海底管道項(xiàng)目為例，選用的管道信息如表1 所示。

表1 海底管道信息

2 對(duì)接環(huán)焊縫焊接

全自動(dòng)焊接方法采用填充量更小的J 型坡口。本項(xiàng)目選用熔化極氣體保護(hù)焊 (Gas Metal Arc Welding)，簡稱GMAW。它是利用焊絲與工件間產(chǎn)生的電弧作熱源將金屬熔化的焊接方法。焊接過程中，電弧熔化焊絲和母材形成的熔池及焊接區(qū)域在惰性氣體或活性氣體的保護(hù)下，可以有效地阻止周圍環(huán)境空氣的有害作用。本項(xiàng)目選用的焊接工藝參數(shù)詳見表2。

3 AUT檢驗(yàn)

海底管道對(duì)接環(huán)焊縫采用更加先進(jìn)、準(zhǔn)確、高效、清潔的全自動(dòng)超聲波檢測(AUT)系統(tǒng)。

3.1 AUT技術(shù)的基本原理

AUT 技術(shù)屬于相控陣超聲波的一種。相控陣超聲波的原理是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制相控陣多組單元形成的“動(dòng)態(tài)聚焦”和“聲束偏轉(zhuǎn)”，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位檢測。相控陣探頭是一個(gè)較長的常規(guī)超聲探頭，將其切割成許多小的晶片，每個(gè)小晶片都可以獨(dú)立激發(fā)，就像是將許多小的常規(guī)超聲探頭集成進(jìn)入一個(gè)探頭中。相控陣超聲波可形成的不同掃描類型，包括線性掃描、扇形掃描和深度聚焦等。

3.2 AUT系統(tǒng)

AUT 系統(tǒng)包括控制單元、掃查器單元和耦合單元。其中，控制單元由數(shù)據(jù)采集單元DAU，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)單元MCDU，工業(yè)計(jì)算機(jī)組成；掃查器單元包括了探頭(相控陣+TOFD)，編碼器，電機(jī)，基盤等；耦合單元提供掃查過程的耦合劑。

3.3 AUT工藝

AUT 工藝采用分區(qū)法，即根據(jù)檢查焊縫壁厚坡口形式將焊縫分成幾個(gè)垂直的分區(qū)(圖1)。每個(gè)分區(qū)的高度一般為1～3mm，根部分區(qū)高度一般為1mm，熱焊區(qū)分區(qū)高度為圓弧半徑，若半徑大于3mm，需增加分區(qū)數(shù)量，填充分區(qū)一般不大于3.5mm。每一個(gè)分區(qū)采用專門的聲束進(jìn)行檢測，由一組獨(dú)立的晶片控制。每一組聲束利用AUT 校準(zhǔn)試塊中每一個(gè)分區(qū)對(duì)應(yīng)的反射體進(jìn)行校準(zhǔn)。每個(gè)分區(qū)以焊縫中心線為界，分為上游、下游兩個(gè)通道，其檢測結(jié)果在帶狀圖上以項(xiàng)對(duì)應(yīng)的通道顯示出。

圖1 焊縫分區(qū)

表2 選用的焊接工藝參數(shù)

3.4 AUT圖像顯示

AUT 檢測結(jié)果采用帶狀圖顯示，包括A 掃、B 掃、根部Map、TOFD 和耦合監(jiān)測等數(shù)據(jù)信息。

每個(gè)帶狀圖代表一個(gè)分區(qū)，標(biāo)準(zhǔn)的輸出顯示包括每個(gè)通道的帶狀圖加上TOFD 圖形通道， 耦合與位置。帶狀圖顯示為包含渡越時(shí)間門和波幅門的雙門帶狀圖顯示，讓焊縫看起來好像是從中間“剖開”一樣。相對(duì)于RT 技術(shù)，AUT 不僅能夠定量缺陷長度，還能定位缺陷深度和高度，有利于焊接過程控制，有助于分析缺陷產(chǎn)生的位置和原因，提高焊接質(zhì)量。

4 缺陷返修統(tǒng)計(jì)與分析

4.1 合格率統(tǒng)計(jì)與分析

本海底管道項(xiàng)目共包含710 道環(huán)焊縫，其中返修31 道，一次合格率為95.63%。超聲波檢測技術(shù)對(duì)危害性較大的面積性缺陷檢出率高，本項(xiàng)目未熔合、未焊透等面積性缺陷29個(gè)，氣孔等體積缺陷2個(gè)。經(jīng)過對(duì)每100 道焊縫的合格率統(tǒng)計(jì)與分析，項(xiàng)目初期返修較低，合格率低。焊接工程師通過AUT 數(shù)據(jù)分析缺陷產(chǎn)生的原因，并采取了有效措施進(jìn)行改進(jìn)，焊縫合格率逐漸上升，并最終維持在97%～98%之間。

4.2 缺陷深度位置統(tǒng)計(jì)與分析

將缺陷焊縫在壁厚方向上的深度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)(表3)，根部區(qū)占比32.26%，熱焊區(qū)占比41.94%，填充占比16.13%，蓋帽占比6.45%。

表3 缺陷深度位置統(tǒng)計(jì)

本項(xiàng)目自動(dòng)焊采用J 型坡口，根部區(qū)域?yàn)?.5mm，沒有間隙，需要熔合金屬將根部金屬熔透，完成根部成型。填充區(qū)角度為3°，幾乎為一個(gè)垂直面，根部焊接時(shí)焊槍的焊嘴伸入長度較長，觀察視線較差，對(duì)焊工技能要求較高。因此根部焊接難度大，出現(xiàn)缺陷的幾率較大。熱焊區(qū)域是根部區(qū)域和填充區(qū)域的過渡區(qū)，在圓弧位置的上下區(qū)域都存在角度的變化，出現(xiàn)缺陷的幾率較大。填充區(qū)域是相同角度的不同焊道層的堆積，焊接難度相對(duì)較小，合格率較高。蓋帽區(qū)域是坡口焊滿后的加強(qiáng)高焊接，視線好，焊接難度小，合格率高。

4.3 缺陷圓周位置統(tǒng)計(jì)與分析

將管道環(huán)焊縫在圓周方向上位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，5 點(diǎn)～7點(diǎn)的仰焊位置缺陷占比48.39%，11 點(diǎn)～1 點(diǎn)的平焊位置缺陷占比16.13%，其余立焊位置缺陷總共占比35.58%，詳見表4。

表4 缺陷圓周位置統(tǒng)計(jì)

海底管道對(duì)接環(huán)焊縫焊接用兩名焊工分別在管子的左右兩側(cè)焊接，在12 點(diǎn)的平焊位置和6 點(diǎn)的仰焊位置存在焊道搭接。6 點(diǎn)仰焊位置因熔池金屬重力向下和焊工操作空間限制的原因?qū)е潞附与y度較大，因此出現(xiàn)缺陷的幾率較大。而焊接難度相對(duì)較小的12 點(diǎn)平焊位置也出現(xiàn)了較大比例的缺陷。從缺陷的分布和返修焊縫發(fā)現(xiàn)，缺陷容易出現(xiàn)在左右兩名焊工的接頭位置，因此合理的打磨過渡對(duì)接頭處的熔合起到重要作用。

5 結(jié)語

海底管道焊接質(zhì)量隨著項(xiàng)目開展逐漸向好，并趨于穩(wěn)定。焊接缺陷的產(chǎn)生包括人員、設(shè)備和環(huán)境條件等諸多原因。全自動(dòng)超聲波檢測(AUT)技術(shù)定位準(zhǔn)確、定量精度高，可以測量焊縫中缺陷的完整信息，包括位置、長度、深度和高度，為分析缺陷產(chǎn)生原因、提高焊接質(zhì)量提供數(shù)據(jù)支持。針對(duì)焊接缺陷產(chǎn)生的原因，有針對(duì)性地實(shí)施解決措施，顯著降低了焊縫返修率，提高施工效率，為項(xiàng)目對(duì)接環(huán)焊縫的質(zhì)量控制提供了有力保障。