綜合檢測法在海洋平臺吊機臂檢測中的應用

＊張充霖

（中海石油技術檢測有限公司 天津 300452）

在海洋油氣田開發過程中，平臺吊機是不可或缺的設備，而吊臂則是吊機的關鍵部件，是吊機最關鍵的受力結構。一旦吊機臂結構發生失穩乃至斷裂失效，將會釀成難以估量的后果。因此，基于對吊機安全性能的考慮，定期開展檢測工作，及時發現并修補可能出現的裂紋，特別是盡早發現吊機臂桿件相貫線焊縫及熱影響區周圍的疲勞型裂紋至關重要。常規無損檢測一般是采用渦流檢測法（ET）或磁粉檢測法（MT）。渦流檢測法的線圈不需與被測物直接接觸，可進行高速檢測，易于實現自動化，但不適用于形狀復雜的零件，缺陷檢出率不高；磁粉檢測法的缺陷檢出率高，是檢測表面缺陷的首選，但由于吊機臂結構的涂層較厚，需要去除涂層才可實施檢測，檢測速率較慢，且單一的檢測方法無法推斷缺陷的性質、成因以及對于吊機臂結構安全運行情況的影響。綜合檢測法的應用則將以上技術難題迎刃而解。

1.綜合檢測法

(1)綜合檢測法的概念

綜合檢測法，顧名思義即綜合運用無損檢測方法、理化檢測方法、顯微觀測技術、力學測試方法等技術手段，對待測試樣的材料性能進行多方位檢測，根據所檢測的實驗數據進行綜合分析，最終推斷出待測試樣的缺陷性質、成因以及對設備整體性能的影響等結論。綜合檢測法是材料失效分析技術中的一項重要的分支技術[1]，目前已越來越多的應用到海洋工程領域，多種檢測方法的交叉運用能夠綜合發揮各項技術的優勢，并彌補單一技術的不足。綜合檢測法的應用能及時發現海洋石油專業設施設備在全生命周期內存在的安全隱患，并提出相應的維保措施，從而幫助平臺管理者做好風險管理和決策。

(2)綜合檢測法的實施流程

綜合檢測法遵循“查找→分析→定論→整改”的原則，流程如下：①缺陷檢測實驗，應用無損檢測方法，進行缺陷的查找與定位；②缺陷分析實驗，應用理化檢測、力學測試等多種技術手段，開展材料性能分析實驗，得到相應的材料實驗數據；③綜合分析，結合以上實驗結果，確定缺陷的性質、成因以及對設備整體安全性的影響；④整改措施，根據上述分析結論，提出行之有效的維修改造措施。

2.綜合檢測法應用實例分析

以某海域FPSO（浮式生產儲油卸油裝置）上的一臺報廢吊機臂為例。該吊機臂在某次年度檢測中發現多處疑似裂紋，經打磨、修補后仍有大量裂紋存在，為弄清楚裂紋的性質、成因以及是否影響平臺吊機的正常運行，擬采用綜合檢測法對吊機臂開展全面實驗分析，包括裂紋檢測、材料成分、硬度測試以及力學性能實驗。

(1)吊機臂裂紋檢測

應用金屬磁記憶檢測儀對吊機臂分段進行應力集中掃查，發現了2處有比較明顯的應力集中區，結果如圖1所示。根據磁記憶理論，當磁場強度法向分量的值出現過零點時，往往預示著工件此處有應力集中的可能[2]，而應力集中區域的附近極有可能會出現應力釋放區，即裂紋區域。在將涂層打磨干凈后，用磁粉檢測儀發現若干較細的裂紋，且全部分布在鋼管母材表面，如圖2所示。因此將上述2處管段進行氣割取樣，保留裂紋區域。

圖1 應力集中檢測圖譜

圖2 磁粉檢測發現裂紋

(2)合金成分分析

為了獲得吊臂材質的合金元素含量，利用直讀光譜儀對材料進行合金成分分析，實驗結果如表1所示。

表1 吊機臂合金成分分析實驗結果

由于該吊機臂的材質為Q345D。根據標準GB1591-2008《低合金高強度結構鋼》[4]中有關該材質的規定，吊臂的材質符合標準GB1591-2008關于Q345D鋼材的要求。

(3)硬度實驗分析

本次實驗采用布氏硬度計進行硬度測量。參考GB/T 231.1-2009《金屬材料布氏硬度試驗第1部分：試驗方法》[5]，選擇壓頭直徑10mm，1000kgf砝碼，保荷時間12秒。實驗結果分別為146.2HBW、134.2HBW、139.4HBW和136.2HBW。

實驗結果表明，各組試件硬度值差別不大，最大值為146.2HBW，最小值為134.2HBW，相差值為12HBW，這表明吊機臂各部分的材質是比較均勻的，抵抗壓力和劃痕的能力也基本相同。

(4)沖擊實驗分析

本次實驗根據GB/T229 2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》[6]進行試樣制作和實驗分析，沖擊吸收功為193.7J和193.3J。參考標準GB1591-2008《低合金高強度結構鋼》中Q345D鋼材的沖擊吸收能量的要求，在-20℃時的最小沖擊功為34J。因此，沖擊實驗的結果表明，吊機臂的沖擊韌性滿足標準的要求。

(5)力學實驗分析

本次實驗根據標準GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》[7]進行試樣加工和實驗分析，實驗結果見表2。

表2 拉伸實驗結果

根據GB1591-2008《低合金高強度結構鋼》對Q345D的拉伸性能要求，屈服強度要求大于345MPa，抗拉強度在470～630MPa之間，斷后伸長率要求大于21%，以上實驗結果表明，吊機臂的拉伸力學性能滿足標準的要求。

3.檢測結論分析

通過以上綜合檢測，可對報廢吊機臂的裂紋的性質、成因以及對吊機臂整體性能的影響進行如下分析：（1）吊機臂的材質符合Q345D牌號的要求，即主要化學元素的含量符合標準的要求；（2）硬度比較均勻，抵抗硬物壓力和劃痕的能力基本相同；（3）沖擊韌性和拉伸力學性能亦均滿足標準要求，證明吊機臂材質的機械性能良好，符合GB1591-2008《低合金高強度結構鋼》中對于Q345D鋼材的要求；（4）無損檢測及應力集中分析實驗證明了吊機臂上有若干裂紋的存在，然而裂紋基本沿吊臂軸向方向呈縱向分布，其位置全部在吊機臂鋼管母材表面，而非弦管對接或支撐管角接焊縫處。

以上檢測實驗結果表明，該吊機臂表面的裂紋深度較淺，通過其走向、位置和深度基本可排除這批裂紋為疲勞性裂紋，可能是鋼管在切割、軋制過程中由于工藝方法不當導致的工藝性缺陷[8]，因此這批裂紋亦不會對吊機整體機械性能產生關鍵性影響。

4.結語

通過對報廢吊機臂應用綜合檢測法進行定量實驗與數據分析，可得出裂紋缺陷的性質、成因以及對吊機安全性能的影響，研究結果對于海洋平臺其他重要設備的失效分析具有重要指導意義。