PAUT技術(shù)在海洋石油平臺(tái)卷管焊縫檢驗(yàn)上的應(yīng)用

蔣桂通，寇玉全，路正道，王鑫，陳明

（海洋石油工程股份有限公司，天津300450）

0 引言

PAUT 技術(shù)已成功應(yīng)用于海洋石油平臺(tái)的管線檢驗(yàn)、海管檢驗(yàn)以及船體結(jié)構(gòu)焊縫檢驗(yàn)[1]。在這些檢測(cè)對(duì)象上,PAUT 技術(shù)在取代RT 方面取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。而目前海洋石油平臺(tái)建造過(guò)程中的大量拉筋、立柱、鋼樁、導(dǎo)管及隔水套管等卷管焊縫依然在使用傳統(tǒng)的超聲波檢驗(yàn)。在卷管接長(zhǎng)規(guī)模化生產(chǎn)及PAUT 技術(shù)經(jīng)驗(yàn)成熟的今天，同時(shí)海洋石油平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)最常采用的AWS D1.1標(biāo)準(zhǔn)2020版也增加了關(guān)于PAUT技術(shù)的內(nèi)容[2]，詳細(xì)說(shuō)明了有關(guān)結(jié)構(gòu)焊縫采用相控陣超聲波檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行和驗(yàn)收細(xì)則。本文目的在于研究相控陣超聲波檢驗(yàn)鋼樁、立柱、導(dǎo)管等大厚度卷管焊縫的掃查工藝，驗(yàn)證PAUT 技術(shù)在海洋石油平臺(tái)卷管焊縫檢驗(yàn)上的應(yīng)用是可行的。

通過(guò)相控陣超聲波檢驗(yàn)與常規(guī)超聲波檢驗(yàn)的理論對(duì)比和試驗(yàn)對(duì)比，選用海洋石油平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)具有代表性的含自然焊接缺陷的大厚度的鋼樁、立柱、導(dǎo)管環(huán)焊縫和縱焊縫為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)進(jìn)行相控陣超聲波檢驗(yàn)及常規(guī)超聲波檢驗(yàn)對(duì)比分析。得出相控陣超聲波檢驗(yàn)技術(shù)在檢驗(yàn)鋼樁、立柱、導(dǎo)管等卷管焊縫時(shí)明顯優(yōu)于常規(guī)超聲波檢驗(yàn)的結(jié)論，主要體現(xiàn)在圖像的顯示更全面且直觀，缺陷的檢測(cè)效率更高，檢驗(yàn)的可重復(fù)性更高，采集數(shù)據(jù)不受人為因素的影響，為海洋石油平臺(tái)拉筋、立柱、鋼樁、導(dǎo)管及隔水套管等卷管焊縫的檢驗(yàn)效率的提升奠定了基礎(chǔ)。

1 PAUT原理

PAUT的全稱是Phased Array Ultrasonic Testing，即相控陣超聲波檢測(cè)，它是基于常規(guī)UT（Ultrasonic Testing，超聲波檢測(cè)）的一種先進(jìn)的超聲波檢測(cè)方法。相較于常規(guī)超聲波檢測(cè)而言，相控陣超聲波檢測(cè)的設(shè)備、探頭、軟件等都有明顯的升華，常規(guī)超聲波檢測(cè)只能呈現(xiàn)一維的A 掃波幅顯示，而PAUT 可呈現(xiàn)除A 掃以外的B 掃、C掃、D掃、S掃等端面顯示、側(cè)視圖和俯視圖，從而更直觀地顯示出缺陷的位置和大小[3]。常規(guī)超聲波檢驗(yàn)探頭只能是0°、45°、60°或70°，而PAUT 的探頭是由多個(gè)晶片組成的，每個(gè)晶片相當(dāng)于一個(gè)常規(guī)探頭，可實(shí)現(xiàn)波束偏轉(zhuǎn)、聚焦等功能，產(chǎn)生的是角度范圍，PAUT 與UT 原理對(duì)比如圖1 所示，因此PAUT 不需要頻繁地更換探頭，可實(shí)現(xiàn)一次掃查全體積覆蓋[4]。相控陣超聲波檢測(cè)編碼器的使用使得在缺陷測(cè)長(zhǎng)方面也非常的簡(jiǎn)單和直觀。

圖1 PAUT與UT原理對(duì)比

2 設(shè)備材料

PAUT儀器：OlympusOmniscan MX2；

PAUT探頭：5L32-A11，匹配楔塊SA11-N55S-IHC；

UT儀器：USM35；

UT探頭：5Z10X10A45、5Z10X10A60、5Z10X10A70；

試件：?1 969 mm×32 mm環(huán)焊縫、?2 240 mm×38 mm縱焊縫、?2 500 mm×60 mm縱焊縫。

3 試驗(yàn)方案

3.1 PAUT掃查

利用NDT Setutbuilder 制作PAUT 的掃查工藝，分別根據(jù)板厚、坡口型式、探頭、楔塊等參數(shù)，制作出相應(yīng)的掃查工藝，如圖2 所示，根據(jù)掃查工藝用OlympusOmniscan MX2 相控陣超聲波儀器對(duì)PAUT 探頭、楔塊、與試驗(yàn)件同材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)試塊和校準(zhǔn)試塊進(jìn)行聲速、靈敏度、楔塊延時(shí)校準(zhǔn)及TCG 曲線制作，校準(zhǔn)后對(duì)環(huán)焊縫和縱焊縫進(jìn)行PAUT 掃查。總共需要制作3 根TCG 曲線，完成3次掃查即可，如聲束覆蓋不全可進(jìn)行6次掃查。

圖2 掃查工藝

3.2 常規(guī)UT掃查

針對(duì)?1 969 mm×32 mm環(huán)焊縫制作出45°、60°、70°探頭的DAC 曲線，對(duì)焊縫進(jìn)行雙面雙側(cè)掃查，需要進(jìn)行12 次掃查。針對(duì)?2 240 mm×38 mm 縱焊縫制作出45°、60°、70°探頭的DAC 曲線，對(duì)焊縫進(jìn)行雙面雙側(cè)掃查，需要進(jìn)行12次掃查。針對(duì)?2 500 mm×60 mm 縱焊縫制作出45°、60°、70°探頭的DAC 曲線，對(duì)每個(gè)焊縫進(jìn)行3 次完整的UT 掃查。對(duì)焊縫進(jìn)行雙面雙側(cè)掃查，需要進(jìn)行12次掃查。總共至少需要制作9根DAC 曲線，完成36次掃查。時(shí)間花費(fèi)上要長(zhǎng)的多，效率較低。

4 對(duì)比PAUT和UT

4.1 掃查分析?1 969 mm×32 mm環(huán)焊縫

對(duì)?1 969 mm×32 mm環(huán)焊縫的PAUT掃查數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖3 所示，可以對(duì)應(yīng)地看A 掃、扇掃（聲束截面圖）、B 掃（側(cè)視圖），可以直觀地讀出缺陷的深度23.4 mm，缺陷的起始點(diǎn)198～245 mm，即長(zhǎng)度為47 mm，缺陷在焊縫中的水平位置距離焊縫中心線左側(cè)1.6 mm。如有需要，也可以調(diào)出C 掃圖像，即缺陷的俯視圖。而UT只顯示A 掃，A 掃只代表聲波傳播的時(shí)間（距離）和波幅，只能讀出缺陷的深度為18 mm（由于缺陷的方向性，所測(cè)深度有所差異屬正常[5]）。要想測(cè)得缺陷的長(zhǎng)度通常要在現(xiàn)場(chǎng)利用6dB 法或端點(diǎn)6dB 法測(cè)量探頭移動(dòng)的距離[6]，缺陷的具體位置須要一比一作圖才能確定。

圖3 ?1 969 mm×32 mm環(huán)焊縫PAUT與UT掃查數(shù)據(jù)對(duì)比

4.2 掃查分析?2 240 mm×38 mm縱焊縫

對(duì)?2 240 mm×38 mm 縱焊縫的PAUT 掃查數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖4所示，可以對(duì)應(yīng)地看A掃、扇掃（聲束截面圖）、B掃（側(cè)視圖），可以直觀地讀出缺陷的深度21.8 mm，缺陷的起始點(diǎn)112～150 mm，即長(zhǎng)度為38 mm，缺陷在焊縫中的水平位置距離焊縫中心線右側(cè)0.3 mm。而UT 只顯示A掃，只能讀出缺陷的深度為17.3 mm（由于缺陷的方向性，所測(cè)深度有所差異屬正常）。要想測(cè)得缺陷的長(zhǎng)度通常須要在現(xiàn)場(chǎng)利用6dB 法或端點(diǎn)6dB 法測(cè)量探頭移動(dòng)的距離，缺陷在具體位置須要一比一作圖才能確定。

圖4 ?2 240 mm×38 mm縱焊縫PAUT與UT掃查數(shù)據(jù)對(duì)比

4.3 掃查分析?2 500 mm×60 mm縱焊縫

對(duì)?2 500 mm×60 mm縱焊縫的PAUT掃查數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖5所示，可以對(duì)應(yīng)的看A掃、扇掃（聲束截面圖）、B掃（側(cè)視圖），可以直觀的讀出缺陷的深度40.9 mm，缺陷的起始點(diǎn)2～100 mm，即長(zhǎng)度為98 mm，缺陷在焊縫中的水平位置距離焊縫中心線右側(cè)3 mm。而UT 只顯示A 掃，只能讀出缺陷的深度為41 mm。要想測(cè)得缺陷的長(zhǎng)度通常須要在現(xiàn)場(chǎng)利用6dB 法或端點(diǎn)6dB 法測(cè)量探頭移動(dòng)的距離，缺陷在具體位置須要一比一作圖才能確定。

圖5 ?2 500 mm×60 mm縱焊縫PAUT與UT掃查圖像對(duì)比

4.4 對(duì)比

分析對(duì)相控陣超聲波和常規(guī)超聲波掃查數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，進(jìn)行圖像顯示、缺陷測(cè)長(zhǎng)、缺陷深度、缺陷自身高度、水平位置（距離焊縫中心線位置）、耗時(shí)等幾個(gè)方面的分析對(duì)比，如表1 所示。可看出，相控陣超聲波檢驗(yàn)大管徑，大厚度焊縫在技術(shù)上具有明顯的優(yōu)勢(shì)[7]，而且圖像可以永久保存。除此之外，在PAUT 掃查數(shù)據(jù)的過(guò)程中，只要使用的是同一設(shè)置，不同的檢驗(yàn)員或同一檢驗(yàn)員在不同時(shí)期對(duì)一道焊口采集的數(shù)據(jù)是一致的，只要按照工藝設(shè)置好掃查偏移，沿焊縫方向進(jìn)行非平行掃查就可以[8]，出現(xiàn)漏檢的概率較低，操作基本不受人為因素影響，對(duì)評(píng)圖人員的經(jīng)驗(yàn)和水平要求較高[9]；而常規(guī)超聲波檢測(cè)出現(xiàn)漏檢和誤判的概率較大，操作和評(píng)判非常依賴于檢驗(yàn)員的水平[10]。

表1 掃查數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)PAUT 與UT 的原理對(duì)比[11]，制定海洋石油平臺(tái)大厚度卷管環(huán)焊縫和縱焊縫PAUT 掃查工藝，選取典型的帶有自然缺陷的大厚度卷管環(huán)焊縫和縱焊縫進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析，得出在海洋石油平臺(tái)大厚度卷管焊縫的超聲檢驗(yàn)領(lǐng)域，PAUT 技術(shù)明顯優(yōu)于常規(guī)UT 技術(shù)的結(jié)論，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）PAUT 可呈現(xiàn)A 掃、B 掃、C 掃、D 掃、S 掃，圖像的顯示更全面和直觀，并且可永久保存；（2）由于聲束角度范圍大，缺陷的檢出率和效率更高[12]；（3）受人為因素的影響較低，檢驗(yàn)的可重復(fù)性和可靠性更高。綜上所述，PAUT 技術(shù)在海洋石油平臺(tái)卷管焊縫檢驗(yàn)上的應(yīng)用是可行的，而且是非常可靠的。