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        φ 50 mm海底管道焊縫的相控陣超聲檢測(cè)

        2022-02-08 08:08:32張衛(wèi)東
        無(wú)損檢測(cè) 2022年12期
        關(guān)鍵詞:焊縫標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)

        陳 亮,張衛(wèi)東

        (海洋石油工程股份有限公司 ,天津 300452)

        海底管道是海洋油氣輸送的重要通道,提升管道鋪設(shè)焊縫質(zhì)量是保證其安全運(yùn)行的關(guān)鍵。對(duì)于直徑50 mm的小管徑管道焊縫,主要采用射線方法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè),而射線檢測(cè)存在輻射危害,且檢測(cè)效率較低等缺點(diǎn)。近年來(lái),鋪管船施工安全、環(huán)保等方面的要求越來(lái)越高,海上射線作業(yè)愈發(fā)不能適應(yīng)目前鋪管作業(yè)的需求。隨著相控陣超聲(PAUT)檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展和各類機(jī)械化掃查裝置的研發(fā)與應(yīng)用,相控陣超聲檢測(cè)替代傳統(tǒng)射線檢測(cè),逐漸受到各大海管施工單位的青睞,提高了海管鋪設(shè)檢驗(yàn)效率[1]。由于海底管道鋪設(shè)施工流程的特殊性,標(biāo)準(zhǔn)DNV-ST-F101-2017 《海底管線系統(tǒng)》要求,施工前需進(jìn)行檢測(cè)工藝缺陷定量精度及檢出率的試驗(yàn)分析,確保管道鋪設(shè)過(guò)程中檢測(cè)工藝的實(shí)施可靠性,為工程質(zhì)量提供保障。

        1 相控陣超聲檢測(cè)基本原理

        相控陣檢測(cè)系統(tǒng)利用了波動(dòng)物理學(xué)的相位調(diào)整原理,即通過(guò)改變一系列超聲脈沖的發(fā)射時(shí)間,使陣列中的每個(gè)晶片生成的單個(gè)波前交匯在一起,以可以預(yù)見(jiàn)的方式加強(qiáng)或減弱聲波的能量,從而使聲波有效偏轉(zhuǎn)并合成波束,合成波束的生成如圖1所示。

        圖1 合成波束的生成示意

        2 PAUT扇形掃描技術(shù)及工藝

        2.1 檢測(cè)裝備

        采用奧林巴斯OMNISCAN MX2檢測(cè)系統(tǒng),使用頻率為7.5 MHz,16晶片的相控陣探頭進(jìn)行掃查。掃查器采用奧林巴斯COBRA型小徑管掃查器(見(jiàn)圖2)。

        圖2 相控陣系統(tǒng)及掃查器實(shí)物

        2.2 PAUT扇形掃描技術(shù)

        PAUT超聲扇形掃描技術(shù)是將一對(duì)相控陣探頭對(duì)稱布置于焊縫兩側(cè),每個(gè)探頭可同時(shí)激發(fā)兩組波束,一組角度范圍為40°~60°,另一組角度范圍為40°~70°,以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫檢測(cè)區(qū)域的掃描,典型探頭波束配置如圖3所示,典型扇形掃描顯示如圖4所示,該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷高度、深度、長(zhǎng)度等尺寸的測(cè)定。

        圖3 典型探頭波束配置示意

        圖4 典型扇形掃描顯示

        2.3 校準(zhǔn)試塊

        校準(zhǔn)試塊包括靈敏度校準(zhǔn)試塊和工藝驗(yàn)證試塊,使用與工程項(xiàng)目所用管材相同的材料制作。校準(zhǔn)試塊設(shè)置反射體為直徑2 mm的橫通孔,橫通孔等距分布于焊縫厚度方向(校準(zhǔn)試塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5)。工藝驗(yàn)證試塊設(shè)置反射體為面狀反射體,反射體分別設(shè)置于焊縫內(nèi)外表面和內(nèi)部?jī)蓚?cè)坡口面上,面狀反射體類型、尺寸為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)允許的最小尺寸。

        圖5 校準(zhǔn)試塊結(jié)構(gòu)示意

        3 檢測(cè)能力評(píng)估

        3.1 缺陷制作

        制作一系列包含不同類型、不同尺寸缺陷的焊縫,焊接工藝為GTAW(鎢極惰性氣體保護(hù)焊),管材直徑為50 mm,壁厚為6.4 mm,材料為API 5L X65;坡口形式為V型,坡口角度為30°;缺陷類型包括側(cè)壁未熔合、氣孔、夾渣等,分布于焊縫不同深度位置,未熔合缺陷高度為0.5~2.5 mm,長(zhǎng)度為1015 mm。缺陷數(shù)量及具體分布如下:根部未熔合31處;填充處未熔合32處;表面未熔合31處;氣孔2處;夾渣2處;共計(jì)98處。

        3.2 缺陷數(shù)據(jù)采集

        依次掃描缺陷焊縫,采用端部6 dB方法測(cè)定缺陷的高度,缺陷下端點(diǎn)確定為缺陷深度,分別評(píng)定記錄PAUT檢測(cè)缺陷的高度、深度尺寸。對(duì)于選定的缺陷進(jìn)行宏觀切片(典型宏觀切片圖像見(jiàn)圖6),記錄缺陷的實(shí)際高度及深度,對(duì)比PAUT檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際尺寸的偏差,選定焊縫缺陷的檢測(cè)數(shù)據(jù)與切片尺寸對(duì)比如表1所示。

        圖6 典型缺陷宏觀切片圖像

        表1 選定焊縫缺陷的檢測(cè)數(shù)據(jù)與切片尺寸對(duì)比 mm

        由表1可知,表面區(qū)域未熔合缺陷高度PAUT評(píng)定結(jié)果與切片尺寸最大偏差為0.4 mm,深度最大偏差為1.7 mm;填充區(qū)域未熔合缺陷高度PAUT評(píng)定結(jié)果與切片尺寸最大偏差為0.8 mm,深度最大偏差為1.2 mm;根部區(qū)域未熔合缺陷高度PAUT評(píng)定結(jié)果與切片尺寸最大偏差為0.9 mm,深度最大偏差為0。

        3.3 缺陷高度定量精度分析

        直徑50 mm管線焊縫檢測(cè)通常采用經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行缺陷驗(yàn)收,標(biāo)準(zhǔn)還要求進(jìn)行缺陷高度定量精度分析。缺陷高度定量精度分析是通過(guò)對(duì)比PAUT檢測(cè)數(shù)據(jù)與缺陷宏觀切片數(shù)據(jù)進(jìn)行的,即評(píng)估在5%機(jī)率漏檢的情況下,能可靠檢出的最小缺陷尺寸(高度)。通過(guò)對(duì)94個(gè)(另外4個(gè)體積型缺陷只用于檢出驗(yàn)證)缺陷PAUT檢測(cè)結(jié)果與切片測(cè)定結(jié)果的對(duì)比分析,5%機(jī)率漏檢對(duì)應(yīng)的缺陷最小高度為0.9 mm(PAUT檢測(cè)缺陷分布見(jiàn)圖7),滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(±1 mm)。

        圖7 PAUT檢測(cè)缺陷分布

        3.4 檢出率分析

        檢出率(POD)分析是一種主流且可靠的評(píng)估缺陷檢出概率的方法,獲得特定評(píng)定閾值,檢出概率,檢測(cè)可靠性條件下的最小缺陷尺寸。通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,使用DNV-ST-F101-2017標(biāo)準(zhǔn)中的分析方法及最大似然法統(tǒng)計(jì)學(xué)模型,分析得到的30%評(píng)定閾值條件下的POD曲線如圖8。

        由圖8可知,進(jìn)行PAUT檢測(cè)缺陷評(píng)定,當(dāng)波幅閾值設(shè)置為30%滿屏高度時(shí),95%置信水平90%檢出率條件下,可靠檢出的缺陷高度為0.7 mm,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,該P(yáng)AUT檢測(cè)工藝可使用DNV標(biāo)準(zhǔn)中經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行缺陷質(zhì)量驗(yàn)收。

        圖8 30%評(píng)定閾值條件下的POD評(píng)定曲線

        4 結(jié)語(yǔ)

        試驗(yàn)結(jié)果表明,PAUT可有效檢測(cè)出不同位置焊接缺陷,當(dāng)評(píng)定閾值為30%時(shí),95%置信水平,90%檢出率條件下,可檢出的缺陷最小尺寸為0.7 mm,5%機(jī)率漏檢的最小缺陷尺寸為0.9 mm,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

        經(jīng)評(píng)定后的PAUT檢測(cè)工藝可應(yīng)用于海底管道鋪設(shè)過(guò)程的無(wú)損檢測(cè),使用DNV標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊縫質(zhì)量驗(yàn)收,可替代傳統(tǒng)的射線檢測(cè),大幅提升現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)效率,規(guī)避潛在輻射危害,同時(shí),可為海底管道的PAUT工藝認(rèn)證提供一些經(jīng)驗(yàn)與借鑒。

        本文獲“2022 Evident杯超聲檢測(cè)技術(shù)優(yōu)秀論文評(píng)選”活動(dòng)三等獎(jiǎng)。

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