尤衛(wèi)宏，張俊杰

（海洋石油工程股份有限公司檢驗公司，天津 300452）

海底管道AUT檢測方法的改進

尤衛(wèi)宏，張俊杰

（海洋石油工程股份有限公司檢驗公司，天津 300452）

現(xiàn)有AUT檢測方法不能準確檢測出相同內徑不同壁厚海底管道的焊縫質量。為此改進了焊縫坡口型式、確定了不同壁厚連接處的過渡比例、改造了探頭支架、優(yōu)選了調節(jié)塊材料。通過試驗與實際應用的結果對比，證明運用改進的AUT檢測方法可實現(xiàn)檢驗精度高、運行穩(wěn)定、安全可靠的目標。

相控陣；超聲波檢測；海底管道；檢測靈敏度

0 引言

海底管道是海洋油氣集輸?shù)囊粋€重要組成部分，其損傷或缺陷的存在很大程度上會降低管道的承載能力，縮短管道的使用壽命，一旦破裂將造成巨大的經濟損失和環(huán)境污染。為此，提高海底管道缺陷檢測和安全評估的準確性對促進海洋石油安全開發(fā)、預防海洋環(huán)境污染具有十分重要的意義。

目前，應用于海底管道焊縫檢測的方法和技術較多，國內比較流行的是射線檢測和超聲波檢測。隨著相控陣理論在超聲波檢測領域中的應用和自動化程度的提高，全自動相控陣超聲波檢測 （AUT）技術日趨成熟，并以其檢測速度快、缺陷定量準確、作業(yè)強度低等優(yōu)點被廣泛應用于石油工程中的鋼結構焊接檢測。特別是在海底管道鋪設過程中對焊接檢測和工作環(huán)境的特殊要求，全自動相控陣超聲波檢測更全面地體現(xiàn)了其優(yōu)越性能。本文結合海洋石油工程股份有限公司在海底管道鋪設過程中AUT技術的實際應用，根據(jù)相同內徑不同壁厚海底管道檢測的特殊需要，對現(xiàn)有的檢測方法進行改進，使其滿足相同內徑不同壁厚海底管道檢測的性能要求。

1 相控陣超聲波檢測 （AUT）系統(tǒng)

1.1 相控陣超聲波檢測的基本原理

與傳統(tǒng)超聲波檢測不同，相控陣超聲波檢測系統(tǒng)采用多聲束掃描成像技術，超聲波檢測探頭是由多個晶片組成的換能器陣列，陣列單元在激發(fā)電路激勵下以可控的相位激發(fā)出超聲波，并使超聲波聲束在確定的聲場處聚焦，其基本原理如圖1所示。聲場控制通過在發(fā)射脈沖和接收信號的過程中引入相位控制來實現(xiàn)。

1.2 相控陣探頭

超聲線性相控陣探頭是超聲檢測中實現(xiàn)電聲轉換的器件，它由換能器、殼體、電纜和其他附件組成。換能器是探頭的功能件，具有發(fā)射超聲波和接收超聲波信息的功能。超聲線性相控陣換能器的結構形式如圖2所示，由壓電元件、內外匹配層、保護層和背襯塊組成。

相控陣探頭由多個相互獨立的壓電晶片組成陣列，每個晶片稱為一個單元，按一定的規(guī)則和時序用電子系統(tǒng)控制激發(fā)各個單元，使陣列中各單元發(fā)射的超聲波疊加形成一個新的波陣面。同樣，在反射波的接收過程中，按一定規(guī)則的時序控制接收單元的信號接收并進行信號合成。

1.3 相控陣聚焦特性

使用超聲線性相控陣探頭時，聲束的聚焦是通過向陣列中的內部晶片增加延時 （ΔT）得到的。聚焦時，陣列中每個小晶片發(fā)射的能量累積疊加到某一點。聚焦原理如圖3所示。

因此，利用一個探頭即可得到聚焦在不同深度的聲束，但聚焦只發(fā)生在近場區(qū)范圍內。

2 AUT檢測方法的改進

由于海洋環(huán)境的多樣化與不確定性，海底管道存在多種規(guī)格尺寸。目前使用的AUT焊縫檢測設備，系統(tǒng)調試和初始設定的規(guī)則都是基于兩段規(guī)格完全相同的管道來完成的 （如圖4所示），對于相同內徑不同壁厚的對接焊縫，原有AUT設備和檢測方法無法準確檢測出焊縫處的焊接質量。

為了在相同內徑不同壁厚的對接環(huán)焊縫 （見圖5）檢測中使用AUT設備，通過對實際操作中現(xiàn)行海底管道焊接工藝要求的深入研究，參照焊接程序設計和評定標準，并結合現(xiàn)有AUT設備導軌及探頭分部的特點，改造設計出合適的焊縫坡口型式 （不同尺寸的可參考圖5中的比例），并經過多次實驗確定了厚壁側表面1∶4的過渡比例，使焊縫兩側過渡平滑，既滿足焊接工藝和工序的要求，也滿足AUT設備的使用要求。

焊縫坡口型式及過渡段比例問題解決后，由于AUT設備原有探頭支架長度無法滿足差異壁厚焊縫掃查的需要，因此必須對探頭支架進行適應性改造。此外，根據(jù)探頭支架所需強度、剛度等力學性能要求，向材料工程師咨詢后選取調節(jié)塊的材料，并對其進行了大量的機械性能方面的試驗，以保證整改后設備使用的穩(wěn)定性。

3 改進的AUT檢測方法的試驗研究

3.1 設備調試

試驗試塊尺寸：609.6 mm×13.6 mm/18.7 mm。在設置時，全自動相控陣超聲波檢測裝置設置是以薄壁側為基準，在厚壁側生成的掃查波束、閘門位置、波束聚焦位置等都將偏離原有位置，使得厚壁側無法得到合格的圖像顯示。以根部通道為例，掃查角度為70°，采用 “自發(fā)自收 （PE）”模式。同等尺寸的對接環(huán)焊縫，入射點至焊縫中心線的距離為35 mm，聲束從入射點至反射體的距離為42 mm；同等內徑不同壁厚對接環(huán)焊縫，入射點至焊縫中心線的距離為49 mm，聲束從入射點至反射體的距離為65 mm，這將增加整個系統(tǒng)靈敏度。通過改變校準試塊的形狀，并調整全自動相控陣超聲波檢測裝置相關參數(shù)，改變聚焦延遲時間等，使得波束聚焦位置、閘門位置在指定區(qū)域，系統(tǒng)靈敏度達到技術要求。

3.2 現(xiàn)場性能分析

3.2.1 掃查軌道安裝

為確保現(xiàn)場應用效果，應嚴格控制軌道安裝精度。通過現(xiàn)場測量分析，軌道最大誤差 （與校準試塊軌道距離比較）為±0.5 mm，當軌道誤差超過此范圍后，檢測精度將大幅降低。

3.2.2 檢出率分析

將調試好的設備檢驗結果與常規(guī)射線結果進行綜合對比，改進后的AUT檢測方法的檢出率高于常規(guī)射線檢出率，尤其對未焊透、坡口未熔合等類型缺陷檢出率明顯高于常規(guī)射線，對比結果得到了業(yè)主及第三方的認可。

4 改進的AUT檢測方法現(xiàn)場應用的優(yōu)越性

在樂東海底管道項目中，存在相同內徑不同壁厚的海底管道對接焊縫約800道口，改造前的AUT設備無法適應這種焊縫的檢測，使用中由于探頭聚焦失真容易造成缺陷定位不準、類型判定偏差大、甚至漏檢等情況。為了增加準確度，還需要人為增加掃查次數(shù)并不斷調整探頭的角度。有時只能采用RT（射線檢測）來替代，以保證質量。

采用改造后的AUT檢測方法，檢測準確率提高了70%，掃查次數(shù)的減少降低了現(xiàn)場檢測勞動強度，同時減少了RT檢驗需要量，提高了現(xiàn)場作業(yè)的安全性。該項目采用此技術為整個工程節(jié)約了5~8船天，經濟效益達數(shù)百萬美元。檢驗結果滿足相關技術要求，得到了現(xiàn)場項目組、業(yè)主的高度認可?，F(xiàn)場校準試塊掃查圖見圖6。

5 結束語

通過對現(xiàn)有僅適用于同壁厚管道焊縫AUT檢測方法的改進，使其能夠應用于相同內徑不同壁厚

的海底管道對接焊縫的檢測，有效地解決了工程中遇到的難題。通過大量試驗和工程實踐的結果對比，充分證明改進后的檢測方法運行穩(wěn)定、安全可靠、準確率高，為提高海底管道鋪設工程中此類特殊焊縫的檢測效率提供了強有力的技術支持，具有很大的推廣價值。

[1]DNV-OS-F101，海底管道系統(tǒng)規(guī)范[S].

[2]黃晶.超聲相控陣理論及其在海洋平臺結構焊縫缺陷檢測中的應用研究[D].上海：上海交通大學，2005.

[3]慶紅若，徐進.PipeWIZARD相控陣超聲波檢測缺陷評定技巧[J].石油工程建設，2010，（4）：63-64.

Improvement of AUT Inspection Method for Submarine Pipeline Testing

YOU Wei-hong（Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.Inspection Company,Tianjin 300452,China），ZHANG Jun-jie

Present AUT inspection method is imprecise to inspect weld seam quality of submarine pipeline with the same inner diameter but different wall thicknesses.Therefore,some improvements were done including bevel form,wall thickness transition ratio at the joint with different wall thicknesses,sensor bracket and regulation block material selection.The results comparison between the testing and the practical application showed that the improved AUT inspection method was able to realize the aims of high precision,stable operation,safety and reliability.

ultrasonic testing;submarine pipeline;inspection sensitivity

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.01.019

尤衛(wèi)宏 （1966-），男，天津人，主要從事海底管道檢測技術研究及相關管理工作。

2011-04-02