基于CIVA仿真的FPSO船體管道相控陣超聲檢測(cè)

張子健,胡 健，鐘軍平，楊 福，陳旭杰，錢盛杰

(1.寧波市勞動(dòng)安全技術(shù)服務(wù)有限公司,寧波 315048;2.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院,寧波 315048)

FPSO (浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置) 是海洋油氣開采系統(tǒng)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于海上的油氣田開發(fā)，其可將采集得到的原油存儲(chǔ)在艙內(nèi)，再經(jīng)過加工處理后通過卸載系統(tǒng)輸往穿梭油輪[1]。FPSO通常由油氣處理系統(tǒng)、船體系統(tǒng)、儲(chǔ)油與外輸系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)、海底系統(tǒng)、卸載系統(tǒng)、供電供熱系統(tǒng)、生產(chǎn)指揮系統(tǒng)和生活基地等8大部分組成，壓力管道數(shù)量眾多，據(jù)統(tǒng)計(jì)每艘FPSO中包含的焊縫約有1700條，其中涉及彎頭的焊縫約占一半。由于服役于惡劣的海洋環(huán)境，且受力復(fù)雜，F(xiàn)PSO船體管道制造環(huán)節(jié)的質(zhì)量把控極為嚴(yán)格[2]。FPSO水下管體材料為2205雙相不銹鋼，相比于304和316L，該材料具有更加優(yōu)秀的耐點(diǎn)蝕和耐氯離子應(yīng)力腐蝕開裂性能[3]。厚壁2205雙相不銹鋼彎頭焊縫的相控陣超聲檢測(cè)目前還存在以下問題亟待解決，如厚壁材料導(dǎo)致的聲波衰減、各向異性焊縫導(dǎo)致的聲束偏移畸變和散射、晶粒粗大導(dǎo)致的噪聲過大、無法實(shí)現(xiàn)雙面雙側(cè)全覆蓋檢測(cè)等問題[4-7]。采用無損檢測(cè)專業(yè)仿真軟件CIVA 2017超聲模塊，建立了厚壁不銹鋼各向異性對(duì)接焊縫模型，運(yùn)用基于雙矩陣(DMA)探頭的超聲相控陣檢測(cè)工藝進(jìn)行了聲場(chǎng)模擬和缺陷響應(yīng)計(jì)算，應(yīng)業(yè)主方要求，加工了基于國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 13588-2019 《焊縫無損檢驗(yàn) 超聲檢測(cè) 自動(dòng)相控陣技術(shù)的使用》 中的對(duì)比試塊，采用CIVA仿真得到的相控陣工藝進(jìn)行了檢測(cè)驗(yàn)證，然后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)FPSO管道彎頭焊縫進(jìn)行了檢測(cè)。研究?jī)?nèi)容在一定程度上解決了FPSO管道厚壁2205雙相不銹鋼彎頭焊縫的檢測(cè)難題，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 CIVA仿真計(jì)算

1.1 各向異性焊縫建模

不銹鋼焊縫相控陣超聲檢測(cè)的主要難點(diǎn)在于焊縫的各向異性對(duì)聲波傳輸存在較大影響，NB/T 47013.15-2021 《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第15部分：相控陣超聲檢測(cè)》 單獨(dú)將奧氏體不銹鋼對(duì)接接頭的檢測(cè)技術(shù)在附錄I中列出，其在探頭選擇、對(duì)比試塊、聚焦法則、靈敏度設(shè)置等方面都和碳鋼檢測(cè)存在較大差別[8]。因此在CIVA超聲仿真時(shí)，焊縫模型必須考慮不銹鋼的各向異性特征。目前國內(nèi)外學(xué)者主要是通過建立各向異性焊縫的物理模型，對(duì)各向異性焊縫對(duì)相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果的影響進(jìn)行研究，這些模型主要有以下3種：Silk模型，Ogilvy模型和MINA模型[8]。Silk模型的建模思路是將晶粒取向相近的部分視為一個(gè)均勻區(qū)域，并將整個(gè)焊縫劃分為多個(gè)均勻的各向異性區(qū)域；Ogilvy模型通過復(fù)雜數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行建模；MINA模型需要對(duì)焊縫進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后對(duì)材料勁度系數(shù)矩陣和晶粒走向角度進(jìn)行設(shè)置[9]。筆者基于ISO 13588-2019和ISO 22825-2017 《焊接無損檢測(cè) 超聲波檢測(cè) 奧氏體鋼和鎳基合金焊縫試驗(yàn)中的對(duì)比試塊》，綜合考慮Silk模型和MINA模型的建模思路，提出了適用于CIVA仿真工程應(yīng)用的各向異性焊縫模型(見圖1)。

圖1 適用于CIVA仿真的各向異性焊縫模型

各向異性焊縫模型厚度為65 mm，坡口角度為60°，根部間隙為10 mm，材料為不銹鋼，根據(jù)文獻(xiàn)[10-11]將整個(gè)焊縫劃分為6個(gè)對(duì)稱的均勻區(qū)域，每個(gè)區(qū)域設(shè)定不同的晶粒取向角度，雖然在各向異性焊縫中不銹鋼晶粒的取向角度不同，但是存在一定的規(guī)律性，即在熔合線處，晶粒取向幾乎垂直于熔合線，越靠近焊縫中心，晶粒取向越接近90°。CIVA仿真設(shè)定的取向角度分別為30°，50°，80°，基本符合各向異性焊縫晶粒取向的角度規(guī)律。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，仿真材料的勁度系數(shù)矩陣C設(shè)置為：C11=263 GPa，C12=98 GPa，C13=145 GPa，C33=216 GPa，C44=129 GPa，C66=83 GPa，母材區(qū)域設(shè)定為各向同性材料，密度為7.8 g·cm-3。

1.2 聲場(chǎng)仿真

在CIVA仿真過程中，聲場(chǎng)仿真的計(jì)算是缺陷響應(yīng)計(jì)算的前提，只有相控陣超聲聲場(chǎng)能量集中，旁瓣小，無柵瓣，覆蓋范圍合理，檢測(cè)才具有較高靈敏度和缺陷檢出率。聲場(chǎng)仿真前，需要確定探頭和楔塊參數(shù)、檢測(cè)位置、聚焦法則、計(jì)算區(qū)域和精度等信息。

仿真采用的探頭型號(hào)為DMA 2.5-4×8-3×2.7，陣元數(shù)為64(32發(fā)32收)，-6 dB帶寬為80%，楔塊型號(hào)為SD27-55L，角度為18.9°，探頭前沿為16.7 mm，中心高度為12.6 mm。聚焦法則設(shè)置為：采用全激發(fā)模式；扇掃角度范圍為35°～60°；角度步進(jìn)為1°；聚焦深度為60 mm，僅計(jì)算一次波縱波聲場(chǎng)；計(jì)算區(qū)域包括熔合線兩側(cè)各10 mm的熱影響區(qū)，計(jì)算精度為1 mm。對(duì)所有聲束的聲場(chǎng)進(jìn)行合成處理計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，不銹鋼焊縫的各向異性對(duì)聲場(chǎng)的分布存在一定影響，首先圖中能量最高的藍(lán)色區(qū)域存在不連續(xù)性，而對(duì)于常用各向同性的碳鋼材料(20和Q345R)，一般能量最高的藍(lán)色區(qū)域是連續(xù)且均勻的，其次-6 dB范圍(圖中粉紅色區(qū)域)覆蓋范圍較大，在深度方向大致為12～50 mm，小角度范圍內(nèi)能量較強(qiáng)，大角度范圍內(nèi)能量較弱，但在近表面和底面能量偏低，需進(jìn)一步采用模擬缺陷驗(yàn)證檢測(cè)靈敏度。綜合分析后認(rèn)為采用DMA探頭檢測(cè)各向異性不銹鋼焊縫具有較高可行性，各向異性對(duì)聲場(chǎng)的影響在可接受范圍內(nèi)。

圖2 各向異性焊縫聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

1.3 缺陷響應(yīng)計(jì)算

業(yè)主方要求采用ISO 13588-2019和ISO 22825-2017中的對(duì)比試塊進(jìn)行工藝驗(yàn)證，因此在CIVA模型中添加長度為25 mm,直徑為3 mm的橫孔，深度分別為16，33，49 mm。考慮檢測(cè)要全覆蓋熱影響區(qū)，經(jīng)理論計(jì)算后探頭前端距分別設(shè)定為48，22，5 mm，采用縱波直射法進(jìn)行檢測(cè)，模擬聲束的覆蓋情況如圖3所示，缺陷響應(yīng)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖3 不同前端距下模擬聲束的覆蓋情況

圖4 不同前端距下缺陷響應(yīng)計(jì)算結(jié)果(左為S掃和右為A掃)

根據(jù)圖4計(jì)算結(jié)果可以看出，焊縫的各向異性特征對(duì)相控陣超聲聲束的傳播存在一定的影響，具體表現(xiàn)為,聲波不再沿直線傳播，存在一定的偏移(圖4中綠色線)，如果是橫波檢測(cè)，偏移程度會(huì)進(jìn)一步加大。在不同前端距條件下進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，3個(gè)不同深度的橫孔缺陷信號(hào)清晰可見，信噪比高，雜波信號(hào)低。S掃范圍內(nèi)中間聲束能量最大，靈敏度高，因此在檢測(cè)時(shí)，需使中間聲束直射檢測(cè)部位，同時(shí)，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)大聲程處的缺陷信號(hào)有放大作用。不同前端距下缺陷的檢測(cè)結(jié)果如表1所示(pts是CIVA仿真軟件中測(cè)量缺陷絕對(duì)幅值的計(jì)量單位)。

表1 不同前端距下缺陷的檢測(cè)結(jié)果

從表1可以看出，深度較大缺陷的回波幅值會(huì)降低，同時(shí)深度測(cè)量誤差也增大，但總體誤差水平較低；對(duì)于深度較小的缺陷，由于距離近場(chǎng)區(qū)較近，回波幅值略低，和聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果吻合度較高；處于中部的缺陷檢測(cè)靈敏度高，誤差小。基于CIVA仿真的結(jié)果可知，采用DMA探頭檢測(cè)各向異性焊縫效果較好，可進(jìn)一步采用模擬試塊進(jìn)行工藝驗(yàn)證。

2 工藝驗(yàn)證

2.1 對(duì)比試塊

上述CIVA仿真研究充分考慮了焊縫各向異性對(duì)相控陣超聲檢測(cè)的影響，提供了基于DMA探頭的檢測(cè)思路，為驗(yàn)證擬定的檢測(cè)工藝在實(shí)際檢測(cè)中的效果，基于ISO 13588-2019和ISO 22825-2017加工了對(duì)比試塊，試塊材料為S32205雙相不銹鋼，焊接方法為鎢極惰性氣體保護(hù)焊+二氧化碳?xì)獗：杆幮竞附z+埋弧自動(dòng)焊，坡口角度為60°，根部間隙為10 mm，余高磨平，缺陷為3 mm×25 mm(直徑×長度)的橫孔缺陷，試塊結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖5所示。

圖5 對(duì)比試塊結(jié)構(gòu)及實(shí)物

2.2 檢測(cè)工藝

檢測(cè)設(shè)備為國產(chǎn)HS PA30-E型相控陣儀器，通道數(shù)為32…128(一次最多激發(fā)32通道，共128通道)，探頭和楔塊的參數(shù)與CIVA仿真設(shè)置的參數(shù)相同，采用手動(dòng)掃查編碼器記錄。根據(jù)檢測(cè)要求，需對(duì)焊縫部位及其兩側(cè)各10 mm的熱影響區(qū)進(jìn)行全覆蓋檢測(cè)，因此設(shè)定的掃查方式為縱向垂直掃查+縱向平行掃查+鋸齒形掃查(見圖6)。因?yàn)榭v向垂直掃查時(shí)存在盲區(qū)，所以應(yīng)增加鋸齒形掃查來彌補(bǔ)。在該掃查方案下，對(duì)于一道焊縫，要實(shí)現(xiàn)相控陣超聲全覆蓋檢測(cè)需要進(jìn)行14次掃查。

圖6 相控陣超聲檢測(cè)掃查方式示意

2.3 檢測(cè)結(jié)果

因?yàn)閷?duì)比試塊只包含所設(shè)計(jì)的橫孔缺陷，且比對(duì)試塊的作用主要是檢測(cè)校準(zhǔn)，所以試驗(yàn)只進(jìn)行縱向垂直掃查，驗(yàn)證DMA探頭在各向異性S32205不銹鋼焊縫中的檢測(cè)靈敏度和信噪比。對(duì)比試塊的檢測(cè)結(jié)果如圖7所示，缺陷參數(shù)測(cè)量結(jié)果如表2所示。

圖7 對(duì)比試塊的相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果

表2 對(duì)比試塊缺陷參數(shù)測(cè)量結(jié)果

從圖7可以看出，DMA探頭檢測(cè)各向異性S32205焊縫的成像效果好，缺陷清晰可見，信噪比高，與CIVA仿真結(jié)果吻合度高，說明CIVA軟件可用于指導(dǎo)前期工藝編制。通過測(cè)量缺陷參數(shù)，并與CIVA仿真結(jié)果比對(duì)可知，實(shí)際檢測(cè)時(shí)，缺陷回波幅值隨深度增加而明顯下降，深度誤差隨深度增加也明顯下降，但測(cè)量誤差始終保持在較小范圍內(nèi)，在工程應(yīng)用中屬于可接受范圍。在CIVA仿真中，回波幅值下降幅度小于實(shí)際檢測(cè)時(shí)回波幅值的下降幅度，原因?yàn)槁暡ㄔ趯?shí)際傳播中，存在偏移、波型轉(zhuǎn)換、散射及衰減等復(fù)雜機(jī)理，建立的CIVA模型在一定程度上會(huì)存在偏差。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)對(duì)象為FPSO船體管道的管件，包括45°彎頭、90°彎頭、異徑三通、等徑三通、偏心異徑管等結(jié)構(gòu)中的縱向焊縫，檢測(cè)嚴(yán)格按照前面章節(jié)所確定的工藝進(jìn)行。對(duì)發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行單面雙側(cè)檢測(cè)復(fù)驗(yàn)，檢件規(guī)格為406 mm×65 mm(直徑×長度)，材料為S32205，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為ISO 13588-2019和ISO 22825-2017，檢測(cè)等級(jí)為B級(jí)，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為ISO 19285-2017 《焊縫的無損檢測(cè) 相控陣超聲檢測(cè)(PAUT) 驗(yàn)收等級(jí)》，合格級(jí)別為2級(jí)，掃查速度不大于9.6 mm·s-1，其余參數(shù)與仿真和工藝驗(yàn)證的參數(shù)相同。下面對(duì)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的典型缺陷進(jìn)行說明，由于FPSO船體管道總體焊接水平較高，主要存在缺陷為氣孔、條形缺陷、表面裂紋(見圖8)，未檢出大量危害性缺陷，例如未焊透、未熔合、埋藏裂紋等，部分缺陷經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)解剖或射線檢測(cè)驗(yàn)證，與相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果吻合。

圖8 焊縫現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果(氣孔缺陷)

從圖8可以看出，基于DMA探頭的相控陣檢測(cè)工藝現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)靈敏度高，信噪比高，缺陷定位準(zhǔn)確，與實(shí)體解剖和射線檢測(cè)結(jié)果相吻合，可用于FPSO船體管道的檢測(cè)，在一定程度上解決了各向異性焊縫的超聲檢測(cè)難題。圖8為一處回波幅度超過2級(jí)驗(yàn)收水平線的氣孔缺陷，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)解剖發(fā)現(xiàn)深度與相控陣檢測(cè)結(jié)果相同；圖9為一處條形缺陷，波幅位于記錄等級(jí)線和2級(jí)驗(yàn)收水平線之間，與射線檢測(cè)結(jié)果吻合；圖10為三通管件表面開口裂紋，在相控陣D掃和S掃信號(hào)中均清晰可見，與現(xiàn)場(chǎng)目視檢查結(jié)果吻合。

圖9 焊縫現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果(條形缺陷)

4 結(jié)語

(1) FPSO船體管道焊縫的各向異性會(huì)對(duì)超聲聲束傳播產(chǎn)生影響，降低定位的準(zhǔn)確性，需采用縱波直射法進(jìn)行檢測(cè)。

(2) CIVA仿真技術(shù)可以建立各向異性焊縫模型，優(yōu)化檢測(cè)工藝，節(jié)省人力和物力成本，對(duì)于相控陣超聲檢測(cè)疑難問題具有較好的指導(dǎo)作用。

(3) 對(duì)比試塊和現(xiàn)場(chǎng)管件的檢測(cè)驗(yàn)證說明，采用基于DMA探頭的相控陣超聲技術(shù)檢測(cè)FPSO船體壓力管道的縱向?qū)雍缚p具有較好的效果。