φ 50 mm海底管道焊縫的相控陣超聲檢測

陳 亮，張衛(wèi)東

(海洋石油工程股份有限公司 ，天津 300452)

海底管道是海洋油氣輸送的重要通道，提升管道鋪設焊縫質量是保證其安全運行的關鍵。對于直徑50 mm的小管徑管道焊縫，主要采用射線方法對其進行檢測，而射線檢測存在輻射危害，且檢測效率較低等缺點。近年來，鋪管船施工安全、環(huán)保等方面的要求越來越高，海上射線作業(yè)愈發(fā)不能適應目前鋪管作業(yè)的需求。隨著相控陣超聲(PAUT)檢測技術的快速發(fā)展和各類機械化掃查裝置的研發(fā)與應用，相控陣超聲檢測替代傳統(tǒng)射線檢測，逐漸受到各大海管施工單位的青睞，提高了海管鋪設檢驗效率[1]。由于海底管道鋪設施工流程的特殊性，標準DNV-ST-F101-2017 《海底管線系統(tǒng)》要求，施工前需進行檢測工藝缺陷定量精度及檢出率的試驗分析，確保管道鋪設過程中檢測工藝的實施可靠性，為工程質量提供保障。

1 相控陣超聲檢測基本原理

相控陣檢測系統(tǒng)利用了波動物理學的相位調整原理，即通過改變一系列超聲脈沖的發(fā)射時間，使陣列中的每個晶片生成的單個波前交匯在一起，以可以預見的方式加強或減弱聲波的能量，從而使聲波有效偏轉并合成波束，合成波束的生成如圖1所示。

圖1 合成波束的生成示意

2 PAUT扇形掃描技術及工藝

2.1 檢測裝備

采用奧林巴斯OMNISCAN MX2檢測系統(tǒng)，使用頻率為7.5 MHz，16晶片的相控陣探頭進行掃查。掃查器采用奧林巴斯COBRA型小徑管掃查器(見圖2)。

圖2 相控陣系統(tǒng)及掃查器實物

2.2 PAUT扇形掃描技術

PAUT超聲扇形掃描技術是將一對相控陣探頭對稱布置于焊縫兩側，每個探頭可同時激發(fā)兩組波束，一組角度范圍為40°～60°，另一組角度范圍為40°～70°，以實現(xiàn)對焊縫檢測區(qū)域的掃描，典型探頭波束配置如圖3所示，典型扇形掃描顯示如圖4所示，該方法可實現(xiàn)對缺陷高度、深度、長度等尺寸的測定。

圖3 典型探頭波束配置示意

圖4 典型扇形掃描顯示

2.3 校準試塊

校準試塊包括靈敏度校準試塊和工藝驗證試塊，使用與工程項目所用管材相同的材料制作。校準試塊設置反射體為直徑2 mm的橫通孔，橫通孔等距分布于焊縫厚度方向(校準試塊結構見圖5)。工藝驗證試塊設置反射體為面狀反射體，反射體分別設置于焊縫內外表面和內部兩側坡口面上，面狀反射體類型、尺寸為驗收標準允許的最小尺寸。

圖5 校準試塊結構示意

3 檢測能力評估

3.1 缺陷制作

制作一系列包含不同類型、不同尺寸缺陷的焊縫，焊接工藝為GTAW(鎢極惰性氣體保護焊)，管材直徑為50 mm，壁厚為6.4 mm，材料為API 5L X65；坡口形式為V型，坡口角度為30°；缺陷類型包括側壁未熔合、氣孔、夾渣等，分布于焊縫不同深度位置，未熔合缺陷高度為0.5～2.5 mm，長度為1015 mm。缺陷數(shù)量及具體分布如下：根部未熔合31處；填充處未熔合32處；表面未熔合31處；氣孔2處；夾渣2處；共計98處。

3.2 缺陷數(shù)據(jù)采集

依次掃描缺陷焊縫，采用端部6 dB方法測定缺陷的高度，缺陷下端點確定為缺陷深度，分別評定記錄PAUT檢測缺陷的高度、深度尺寸。對于選定的缺陷進行宏觀切片(典型宏觀切片圖像見圖6)，記錄缺陷的實際高度及深度，對比PAUT檢測結果與實際尺寸的偏差，選定焊縫缺陷的檢測數(shù)據(jù)與切片尺寸對比如表1所示。

圖6 典型缺陷宏觀切片圖像

表1 選定焊縫缺陷的檢測數(shù)據(jù)與切片尺寸對比 mm

由表1可知，表面區(qū)域未熔合缺陷高度PAUT評定結果與切片尺寸最大偏差為0.4 mm，深度最大偏差為1.7 mm；填充區(qū)域未熔合缺陷高度PAUT評定結果與切片尺寸最大偏差為0.8 mm，深度最大偏差為1.2 mm；根部區(qū)域未熔合缺陷高度PAUT評定結果與切片尺寸最大偏差為0.9 mm，深度最大偏差為0。

3.3 缺陷高度定量精度分析

直徑50 mm管線焊縫檢測通常采用經(jīng)驗驗收標準進行缺陷驗收，標準還要求進行缺陷高度定量精度分析。缺陷高度定量精度分析是通過對比PAUT檢測數(shù)據(jù)與缺陷宏觀切片數(shù)據(jù)進行的，即評估在5%機率漏檢的情況下，能可靠檢出的最小缺陷尺寸(高度)。通過對94個(另外4個體積型缺陷只用于檢出驗證)缺陷PAUT檢測結果與切片測定結果的對比分析，5%機率漏檢對應的缺陷最小高度為0.9 mm(PAUT檢測缺陷分布見圖7)，滿足標準要求(±1 mm)。

圖7 PAUT檢測缺陷分布

3.4 檢出率分析

檢出率(POD)分析是一種主流且可靠的評估缺陷檢出概率的方法，獲得特定評定閾值，檢出概率，檢測可靠性條件下的最小缺陷尺寸。通過對采集的數(shù)據(jù)進行分析，使用DNV-ST-F101-2017標準中的分析方法及最大似然法統(tǒng)計學模型，分析得到的30%評定閾值條件下的POD曲線如圖8。

由圖8可知，進行PAUT檢測缺陷評定，當波幅閾值設置為30%滿屏高度時，95%置信水平90%檢出率條件下，可靠檢出的缺陷高度為0.7 mm，滿足標準要求，該PAUT檢測工藝可使用DNV標準中經(jīng)驗驗收標準進行缺陷質量驗收。

圖8 30%評定閾值條件下的POD評定曲線

4 結語

試驗結果表明，PAUT可有效檢測出不同位置焊接缺陷，當評定閾值為30%時，95%置信水平，90%檢出率條件下，可檢出的缺陷最小尺寸為0.7 mm,5%機率漏檢的最小缺陷尺寸為0.9 mm，滿足標準要求。

經(jīng)評定后的PAUT檢測工藝可應用于海底管道鋪設過程的無損檢測，使用DNV標準經(jīng)驗驗收標準進行焊縫質量驗收，可替代傳統(tǒng)的射線檢測，大幅提升現(xiàn)場檢測效率，規(guī)避潛在輻射危害，同時，可為海底管道的PAUT工藝認證提供一些經(jīng)驗與借鑒。

本文獲“2022 Evident杯超聲檢測技術優(yōu)秀論文評選”活動三等獎。