薛 方* 陳 勇 張大偉 張 宇 王慧斌

（海洋石油工程股份有限公司）

0 引言

隨著海洋石油行業(yè)高速發(fā)展，海上石油生產(chǎn)設(shè)施越來(lái)越多，為了保證設(shè)施安全運(yùn)行，需要按照一定的周期和頻率對(duì)海上結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期的詳細(xì)檢查和例行年檢，從而了解和掌握海上結(jié)構(gòu)物當(dāng)前或隨機(jī)狀態(tài)及其發(fā)展趨勢(shì)，并提供安全性評(píng)估數(shù)據(jù)，以便開(kāi)展例行的維護(hù)和必要的維修。

水下結(jié)構(gòu)焊縫的完好性是影響水下結(jié)構(gòu)安全的重要因素，因此水下結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)是檢測(cè)中的重要項(xiàng)目。目前通常的做法是對(duì)水下結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行II類(lèi)目視檢測(cè)和無(wú)損探傷檢測(cè)，通過(guò)這兩種手段確定焊縫有無(wú)缺陷，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估和計(jì)算，進(jìn)而給出對(duì)應(yīng)的處理方法。

水下結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)前需對(duì)焊縫表面的海洋生物進(jìn)行清理，焊縫表面清理的光潔程度會(huì)對(duì)后續(xù)的檢測(cè)產(chǎn)生直接影響，需依據(jù)不同的焊縫檢測(cè)方法、檢測(cè)焊縫作業(yè)環(huán)境及海洋生物的類(lèi)型，采用不同的方法清理焊縫。

1 焊縫前期表面處理階段

由于水下結(jié)構(gòu)物長(zhǎng)時(shí)間處在海洋環(huán)境中，海洋生物會(huì)不斷附著在水下結(jié)構(gòu)的表面并生長(zhǎng)，因此在檢查水下結(jié)構(gòu)焊縫表面之前需要將影響檢查的海洋生物清除干凈。目前焊縫的清理方法主要有手動(dòng)工具清理、高壓水射流清理、空化射流清理、液壓打磨以及水下噴砂方法等。

1.1 手動(dòng)工具清理方法

手動(dòng)工具清理主要使用鏟刀、刮刀等將焊縫表面的海生物清理干凈，該方法在渤海灣使用較為普遍，主要由于渤海灣水下能見(jiàn)度較低，部分海區(qū)的水下能見(jiàn)度在條件較好的情況下也不足0.5 m，因此，高壓水射流等高壓設(shè)備的水下使用安全隱患較大，為了保證潛水員的人身安全，避免發(fā)生安全事故，只能使用鏟刀、刮刀等手動(dòng)工具進(jìn)行清理。但使用手動(dòng)工具清理焊縫表面海生物的方法缺點(diǎn)較多：（1）清理效率較低，且表面有一定的殘留物；（2）清理過(guò)程中，由于海洋生物附著力較大，潛水員在清理過(guò)程中的力度不好控制，很容易在焊縫表面留下劃痕，這些劃痕會(huì)對(duì)焊縫后期的無(wú)損檢測(cè)造成較大干擾，影響檢測(cè)人員的判斷，且很容易被認(rèn)為是焊縫缺陷。因此在使用手動(dòng)工具清理焊縫表面海生物時(shí)，一般使用較大的鏟刀將表面大量的海洋生物清理干凈，再使用小刮刀逐步將焊縫表面海洋生物清除，減少和避免鏟刀對(duì)焊縫表面的損傷，如圖1所示。

圖1 潛水員使用手動(dòng)工具清理海洋生物

1.2 高壓水射流清理技術(shù)

使用高壓水射流技術(shù)清理焊縫表面海洋生物時(shí)，一般應(yīng)盡可能選擇水下能見(jiàn)度高的海域，目前國(guó)內(nèi)東海部分海域及南海海域海上設(shè)施的水下結(jié)構(gòu)表面海洋生物清理一般選用該方法。高壓水射流技術(shù)是水通過(guò)高壓水泵再經(jīng)噴嘴小孔后形成高速的高能量射流束，這種射流具有強(qiáng)大的動(dòng)能，射流束對(duì)材料表面產(chǎn)生的沖擊力大于附著物的附著力時(shí)，就可清除設(shè)施表面的附著物。高壓水射流設(shè)備在運(yùn)行時(shí)的噴射壓力通常為68 947～137 895 kPa，當(dāng)其壓力超過(guò)137 895 kPa就可以切割鋼鐵類(lèi)材料，所以風(fēng)險(xiǎn)較高。當(dāng)其用于清理海洋生物時(shí)，壓力一般控制在48 263～75 842 kPa[1]。高壓水射流雖然清理效率較高，清理效果較好，但由于其壓力也高，在水下能見(jiàn)度較低的海域工作時(shí)，安全隱患較大，如果使用不當(dāng)，可能會(huì)對(duì)潛水員身體造成傷害，如圖2所示。同時(shí)，高壓水射流也很難將焊縫表面的銹蝕點(diǎn)清理干凈。

圖2 潛水員使用高壓水槍清理節(jié)點(diǎn)焊縫

1.3 空化射流清理技術(shù)

空化射流清理技術(shù)是將空化作用引入水射流技術(shù)中而形成的新型水下設(shè)施清洗技術(shù)。通過(guò)控制壓力、流速等參數(shù)使水流束經(jīng)過(guò)空化噴嘴時(shí)產(chǎn)生大量的空化泡，利用空化泡在材料表面的狹小區(qū)域內(nèi)潰滅產(chǎn)生高達(dá)140～170 MPa 的微射流沖擊待清理表面[2]，達(dá)到清理設(shè)施表面附著物和污垢層的目的?？栈淞髟O(shè)備在運(yùn)行時(shí)的噴射壓力通常為25 510 kPa，噴射的介質(zhì)為空化氣泡，使用過(guò)程中槍嘴與潛水員身體直接接觸，潛水員能感覺(jué)到疼痛，但對(duì)身體無(wú)傷害。但由于空化泡潰滅瞬時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)壓力脈沖部分會(huì)被海水吸收，導(dǎo)致空化射流的沖蝕能力降低，且空化射流清理設(shè)備需要將工作壓力控制在25 510 kPa左右，才能產(chǎn)生穩(wěn)定的空化射流，壓力過(guò)低將導(dǎo)致空化泡數(shù)不足，壓力過(guò)高又將導(dǎo)致空化泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)壓力脈沖互相抵消。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，空化射流對(duì)軟質(zhì)海洋生物的清理效果較好，但對(duì)硬質(zhì)海洋生物的清理效果差，如圖3所示，而焊縫表面的海洋生物大多為硬質(zhì)海洋生物，在國(guó)內(nèi)導(dǎo)管架水下結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)中，較少使用該方法清理焊縫表面海洋生物。

圖3 使用空化射流清理水下結(jié)構(gòu)表面海洋生物

1.4 液壓打磨清理技術(shù)

液壓打磨清理技術(shù)是在焊縫表面大量海洋生物清理完成后，再使用液壓打磨刷對(duì)焊縫表面殘留的海洋生物進(jìn)行清理，一般使用硬質(zhì)的打磨頭進(jìn)行清理，軟質(zhì)的打磨刷（如鋼絲刷等）清理效果較差，無(wú)法將殘留的硬質(zhì)海洋生物清理完全。使用水下磁粉對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，對(duì)焊縫表面的光潔度要求較高，一般使用該方法對(duì)焊縫進(jìn)行進(jìn)一步打磨處理，如圖4所示。該方法相對(duì)安全可靠，但由于液壓打磨刷體積較大，無(wú)法對(duì)導(dǎo)管架的樁腿和桿件之間焊縫的狹小區(qū)域進(jìn)行清理，該區(qū)域需要采用高壓水槍或其他工具進(jìn)行清理，同時(shí)使用液壓打磨機(jī)，若壓力過(guò)大，會(huì)將焊縫表面的金屬打磨掉，損傷水下結(jié)構(gòu)，同時(shí)會(huì)造成應(yīng)力集中，提高形成裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 水下液壓打磨機(jī)

1.5 水下噴砂清理技術(shù)

該方法在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少，目前僅在LF7-2項(xiàng)目前期檢測(cè)中使用過(guò)。該方法是將水上的噴砂處理技術(shù)應(yīng)用在水下，該技術(shù)將水和砂混合，通過(guò)高壓泵控制其輸出壓力，使形成的水砂混合高速射流噴在焊縫表面，利用砂粒對(duì)焊縫的作用力將焊縫表面的海洋生物清理干凈，如圖5所示。該方法綜合了高壓水射流技術(shù)和液壓打磨清理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可以將焊縫狹小區(qū)域的海洋生物清理干凈，并將焊道中銹蝕點(diǎn)打磨掉，且焊縫表面不會(huì)出現(xiàn)打磨不均勻而造成的應(yīng)力集中，并且其光潔度滿足水下磁粉檢測(cè)對(duì)于焊縫清理的要求。但使用水下噴砂技術(shù)的成本太高，因此目前采用該技術(shù)清理焊縫表面海洋生物的情況較少。

圖5 使用水下噴砂清理焊縫表面海洋生物

1.6 幾種清理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析

幾種清理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析可見(jiàn)表1。

表1 幾種清理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，這幾種清理技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，在清理導(dǎo)管架焊縫時(shí)，可以根據(jù)項(xiàng)目情況、環(huán)境情況及檢測(cè)方法的要求合理選取適用的方法或?qū)追N方法結(jié)合，從而為后續(xù)的焊縫檢測(cè)做好準(zhǔn)備工作。

2 檢測(cè)實(shí)施階段

焊縫前期處理完成后，應(yīng)對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)，主要包括II類(lèi)檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)。

2.1 焊縫II類(lèi)檢測(cè)

II類(lèi)檢測(cè)是在清理表面海洋生物后進(jìn)行的近距離目視檢測(cè)，一般可借助于皮尺、量具等簡(jiǎn)單的測(cè)量工具。焊縫II類(lèi)檢測(cè)首先將焊縫沿圓周分為12個(gè)時(shí)鐘點(diǎn)，潛水員沿時(shí)鐘點(diǎn)位對(duì)焊縫進(jìn)行近距離目視檢查，檢查過(guò)程中要甄別焊縫上是否有開(kāi)裂或裂紋、氣孔、銹蝕、夾渣、劃痕等異常情況，同時(shí)要注意檢測(cè)焊縫3點(diǎn)和9點(diǎn)處位置，一般桿件制造后會(huì)留下焊接橫向焊縫。在對(duì)焊縫進(jìn)行II類(lèi)目視檢測(cè)時(shí)，潛水員進(jìn)行檢查同時(shí)還應(yīng)口述檢查情況，對(duì)于出現(xiàn)異常的情況，潛水監(jiān)督要及時(shí)記錄，潛水員使用皮尺等工具進(jìn)行測(cè)量并拍照或錄像。同時(shí)為了確保檢測(cè)規(guī)范化，測(cè)量均應(yīng)放置標(biāo)牌，注明平臺(tái)名稱(chēng)、構(gòu)件名稱(chēng)、水深、檢查日期等，并照相記錄。

2.2 焊縫無(wú)損檢測(cè)

導(dǎo)管架水下結(jié)構(gòu)焊縫無(wú)損檢測(cè)主要為水下磁粉檢測(cè)和ACFM檢測(cè)兩種方式。

2.2.1 節(jié)點(diǎn)焊縫水下磁粉檢測(cè)

水下磁粉檢測(cè)是利用漏磁場(chǎng)與磁粉檢測(cè)鐵磁材料表面和近表面不連續(xù)的一種無(wú)損檢測(cè)方法。為了確保在水下黑暗環(huán)境中對(duì)磁痕進(jìn)行有效的觀察和評(píng)定，目前水下磁粉檢測(cè)主要采用熒光磁粉探傷方法。在有足夠白光光源的情況下，也可以使用非熒光磁粉探傷方法。水下磁粉檢測(cè)步驟主要包括清理焊縫檢測(cè)區(qū)域表面，選擇磁化方法靈敏度校準(zhǔn)，磁化與觀察，驗(yàn)證缺陷及退磁。

2.2.2 節(jié)點(diǎn)焊縫水下ACFM檢測(cè)

水 下ACFM（Alternating current field measurement）是利用電磁感應(yīng)原理檢測(cè)工件的缺陷裂紋，通過(guò)磁軛產(chǎn)生原磁場(chǎng)在金屬板表面產(chǎn)生電流，通過(guò)霍爾效應(yīng)傳感器來(lái)檢測(cè)次級(jí)磁場(chǎng)變化情況。如果工件沒(méi)有缺陷，則交流電流會(huì)在表面產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)。如果表面存在缺陷，缺陷將干擾電流，使缺陷周?chē)拇艌?chǎng)發(fā)生變化，ACFM探頭中的傳感器測(cè)量到磁場(chǎng)變化后再判斷缺陷。

ACFM檢測(cè)技術(shù)可測(cè)量表面裂紋的長(zhǎng)度，并計(jì)算裂紋深度，其檢測(cè)方法為非接觸式[2]，可透過(guò)非導(dǎo)電涂層檢測(cè)出細(xì)微表面的斷裂缺陷（一般涂層厚度不超過(guò)5 mm），無(wú)論該覆蓋層是油漆層或是其他物質(zhì)（如海洋生物根部鈣質(zhì)層），該檢測(cè)技術(shù)依然可以正常實(shí)施，無(wú)需清理至金屬層裸露，同時(shí)可檢測(cè)深度范圍為0～30 mm的缺陷，對(duì)于缺陷深度超過(guò)30 mm的缺陷，ACFM檢測(cè)設(shè)備只能測(cè)量出缺陷的長(zhǎng)度，但無(wú)法測(cè)量其深度。

2.2.3 水下磁粉檢測(cè)和ACFM檢測(cè)的對(duì)比分析

水下磁粉檢測(cè)和ACFM檢測(cè)對(duì)比分析可見(jiàn)表2。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，ACFM檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)效果和效率方面明顯優(yōu)于水下磁粉技術(shù)，正是由于其具有便捷、高效的優(yōu)點(diǎn)，自產(chǎn)品面世后，被廣泛應(yīng)用于水上、水下的焊縫檢測(cè)工作中，但水下磁粉技術(shù)可以直觀地顯示裂紋在焊縫表面的走向，通常被用來(lái)驗(yàn)證ACFM檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的缺陷，在缺陷進(jìn)行打磨處理時(shí)也會(huì)以輔助裂紋打磨處理。

表2 水下磁粉檢測(cè)和ACFM檢測(cè)對(duì)比分析

3 結(jié)論

在焊縫表面海洋生物清理和焊縫檢測(cè)過(guò)程中，需要根據(jù)焊縫表面的海洋生物種類(lèi)、作業(yè)環(huán)境的可見(jiàn)度等因素選擇恰當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)完成焊縫表面的前期處理。在檢測(cè)實(shí)施階段目前一般采用ACFM檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行焊縫檢測(cè)，但也可以結(jié)合水下磁粉檢測(cè)進(jìn)行相互驗(yàn)證。文中對(duì)導(dǎo)管架水下結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)的前期焊縫表面處理、焊縫的檢測(cè)的實(shí)施過(guò)程中的不同方法的原理、注意事項(xiàng)進(jìn)行了論述，并對(duì)這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，希望能夠?yàn)楹罄m(xù)導(dǎo)管架水下結(jié)構(gòu)焊縫表面海洋生物的清理和焊縫檢測(cè)提供參考。