基于DNVGL-ST-F101規范的海底管線碳鋼U型坡口焊縫的TOFD和PAUT檢測

陳 亮

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

自動焊接技術廣泛應用于海底管線鋪設過程中，自動焊接的坡口形式為U型，坡口角度通常為3°6°。近年來，隨著衍射時差(TOFD)技術及相控陣超聲檢測(PAUT)技術的發展與應用，DNVGL-ST-F101-2017 《海底管線系統》 規范允許使用相控陣扇形/線性掃描技術及TOFD檢測技術進行海底管線的焊縫檢測。單一PAUT技術無法可靠地完成U型坡口焊縫的檢測，目前此類焊縫檢測主要采用射線檢測和一發一收超聲檢測。筆者通過將TOFD技術與PAUT技術有效結合，實現了U型坡口焊縫的有效檢測，通過對大量缺陷的檢測，充分驗證了TOFD與PAUT檢測工藝的準確性及可靠性，為工程實踐提供了經驗參考。

1 U型坡口的特點及其檢測工藝配置

1.1 U型坡口缺陷的檢測特點

U型坡口主要包括根部、熱焊及填充區域，填充區角度小，典型U型坡口結構如圖1所示。在U型坡口焊縫焊接過程中，由于焊接設備及焊接操作的問題，坡口面區域容易產生未熔合類缺陷，該類缺陷方向與坡口面平行，是檢測的重點。對于根部及熱焊區域，常規脈沖回波能夠獲得良好的檢測效果，但對于填充區域，由于其填充角度較小，脈沖回波無法有效檢測，因此在配置檢測工藝時，需增加相關掃描方式，以滿足U型坡口填充區域檢測的要求。

圖1 典型U型坡口結構示意

1.2 TOFD和PAUT檢測工藝配置

采用相控陣檢測系統，依據U型坡口的特點，設置一組TOFD探頭[1]，覆蓋焊縫內部檢測區域，TOFD工藝配置如圖2所示，選用的TOFD探頭頻率為10 MHz，晶片直徑為3 mm，配置楔塊角度為70°，深度聚焦位置在檢測壁厚的2/3處，覆蓋距離上表面4 mm以下及距離內表面2 mm以上區域。同時設置一組相控陣探頭，對稱放置于焊縫兩側，每個探頭設置扇形掃描波束覆蓋焊縫內外表面區域,PAUT工藝配置如圖3所示。采用5L32-A31型相控陣探頭，SA31-N55S型楔塊，扇形掃描角度為35°75°，角度步進為1°，激發晶片數量為16個，確保波束對焊縫上表面的有效覆蓋，以檢測TOFD檢測時存在的內外表面盲區，實現U型坡口焊縫的有效檢測。采用機械化掃查進行數據采集，編碼記錄數據，一次周向掃查即可完成整個焊縫的檢測。

圖2 TOFD工藝配置示意

圖3 PAUT工藝配置示意

2 試驗方法

2.1 檢測系統

使用奧林巴斯的OMNISCAN MX2檢測系統，配置一組TOFD探頭，一組相控陣探頭，探頭對稱布置于焊縫兩側，采用軌道式掃查裝置(見圖4)，編碼記錄數據，電機驅動探頭行走可實現焊縫的實時檢測及數據評判。

圖4 軌道式掃查裝置外觀

2.2 試驗焊縫

選用管徑為168 mm，壁厚為18.6 mm及管徑為508 mm，壁厚為30 mm的兩種碳鋼管材，坡口形式為U型，坡口角度為6°，材料為API 5L X65。采用自動熔化極氣體保護焊焊接工藝，通過調整工藝參數制作一系列焊接缺陷，缺陷長度為1020 mm，缺陷高度為0.53.0 mm，位置分布于內外表面、填充區、熱焊區等區域，類型為坡口面未熔合及焊縫內部體積型缺陷。

2.3 檢測數據分析

對制作的缺陷焊縫進行TOFD和PAUT檢測，逐一記錄所有缺陷顯示通道和波幅，按照數據評定方法進行缺陷高度、長度及深度的評定，對所有缺陷進行金相檢驗，測量缺陷的實際高度及深度[2]，將每個缺陷的TOFD和PAUT檢測結果與金相檢驗結果進行對比分析，驗證TOFD和PAUT檢測結果的準確性，缺陷檢測結果如表1所示。

表1 缺陷焊縫的檢測結果 mm

由表1可知，根部區域有10個缺陷，高度為0.52.1 mm;熱焊區域有8個缺陷，高度為0.5～2.5 mm;填充區域有10個缺陷，高度為0.81.9 mm;蓋面區域有8個缺陷，高度為0.8～1.6 mm;焊縫內部缺陷有2個。TOFD和PAUT檢測工藝能夠有效檢測出兩種尺寸焊縫坡口面不同位置的未熔合類面積型缺陷及焊縫內部的層間未熔合、密集氣孔等體積型缺陷，檢測結果與金相檢驗結果一致，高度測定平均偏差為0.1 mm，最大偏差為0.9 mm;深度測定平均偏差為0.05 mm，最大偏差為1.8 mm。根部區域高度平均偏差為0.2 mm，最大偏差為0.9 mm，最小偏差為0.1 mm；熱焊區域缺陷的高度平均偏差為0，最大偏差為0.9 mm，最小偏差為0.1 mm，深度偏差最大為1.8 mm；填充區域缺陷的高度平均偏差為-0.6 mm，最大為-0.8 mm，最小為0，深度偏差最大為1.8 mm；蓋面區域缺陷的高度平均偏差為0.15 mm，最大偏差為0.9 mm，最小偏差為0.1 mm，深度偏差最大為1.8 mm。

通過對缺陷高度及深度測定的誤差分析，可知TOFD和PAUT的檢測結果與缺陷實際尺寸具有良好的一致性，檢測精度能夠達到DNVGL-ST-F101標準的要求。

3 結語

對于碳鋼材料U型坡口焊縫，TOFD檢測能夠有效發現焊縫內部坡口面及焊縫中心缺陷，PAUT能夠有效發現TOFD檢測上下表面盲區內的缺陷。對不同位置、不同類型焊接缺陷的檢測驗證表明，TOFD和PAUT檢測工藝能有效檢測出各個位置的缺陷，尺寸測量結果與金相檢驗結果具有較高的一致性，高度測量結果與實際尺寸最大偏差為0.9 mm，深度測量結果與實際尺寸最大偏差為1.8 mm，滿足標準對檢測精度的要求，同時可為U型坡口焊縫TOFD和PAUT檢測技術的應用提供可靠的參考。

相比于分區法自動超聲檢測技術，基于便攜式相控陣設備開發的TOFD和PAUT檢測工藝的檢測精度及可靠性可達到DNVGL-ST-F101標準的要求。