陳 亮

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

自動(dòng)焊接技術(shù)廣泛應(yīng)用于海底管線鋪設(shè)過程中，自動(dòng)焊接的坡口形式為U型，坡口角度通常為3°6°。近年來，隨著衍射時(shí)差(TOFD)技術(shù)及相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，DNVGL-ST-F101-2017 《海底管線系統(tǒng)》 規(guī)范允許使用相控陣扇形/線性掃描技術(shù)及TOFD檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行海底管線的焊縫檢測(cè)。單一PAUT技術(shù)無法可靠地完成U型坡口焊縫的檢測(cè)，目前此類焊縫檢測(cè)主要采用射線檢測(cè)和一發(fā)一收超聲檢測(cè)。筆者通過將TOFD技術(shù)與PAUT技術(shù)有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了U型坡口焊縫的有效檢測(cè)，通過對(duì)大量缺陷的檢測(cè)，充分驗(yàn)證了TOFD與PAUT檢測(cè)工藝的準(zhǔn)確性及可靠性，為工程實(shí)踐提供了經(jīng)驗(yàn)參考。

1 U型坡口的特點(diǎn)及其檢測(cè)工藝配置

1.1 U型坡口缺陷的檢測(cè)特點(diǎn)

U型坡口主要包括根部、熱焊及填充區(qū)域，填充區(qū)角度小，典型U型坡口結(jié)構(gòu)如圖1所示。在U型坡口焊縫焊接過程中，由于焊接設(shè)備及焊接操作的問題，坡口面區(qū)域容易產(chǎn)生未熔合類缺陷，該類缺陷方向與坡口面平行，是檢測(cè)的重點(diǎn)。對(duì)于根部及熱焊區(qū)域，常規(guī)脈沖回波能夠獲得良好的檢測(cè)效果，但對(duì)于填充區(qū)域，由于其填充角度較小，脈沖回波無法有效檢測(cè)，因此在配置檢測(cè)工藝時(shí)，需增加相關(guān)掃描方式，以滿足U型坡口填充區(qū)域檢測(cè)的要求。

圖1 典型U型坡口結(jié)構(gòu)示意

1.2 TOFD和PAUT檢測(cè)工藝配置

采用相控陣檢測(cè)系統(tǒng)，依據(jù)U型坡口的特點(diǎn)，設(shè)置一組TOFD探頭[1]，覆蓋焊縫內(nèi)部檢測(cè)區(qū)域，TOFD工藝配置如圖2所示，選用的TOFD探頭頻率為10 MHz，晶片直徑為3 mm，配置楔塊角度為70°，深度聚焦位置在檢測(cè)壁厚的2/3處，覆蓋距離上表面4 mm以下及距離內(nèi)表面2 mm以上區(qū)域。同時(shí)設(shè)置一組相控陣探頭，對(duì)稱放置于焊縫兩側(cè)，每個(gè)探頭設(shè)置扇形掃描波束覆蓋焊縫內(nèi)外表面區(qū)域,PAUT工藝配置如圖3所示。采用5L32-A31型相控陣探頭，SA31-N55S型楔塊，扇形掃描角度為35°75°，角度步進(jìn)為1°，激發(fā)晶片數(shù)量為16個(gè)，確保波束對(duì)焊縫上表面的有效覆蓋，以檢測(cè)TOFD檢測(cè)時(shí)存在的內(nèi)外表面盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)U型坡口焊縫的有效檢測(cè)。采用機(jī)械化掃查進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，編碼記錄數(shù)據(jù)，一次周向掃查即可完成整個(gè)焊縫的檢測(cè)。

圖2 TOFD工藝配置示意

圖3 PAUT工藝配置示意

2 試驗(yàn)方法

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)

使用奧林巴斯的OMNISCAN MX2檢測(cè)系統(tǒng)，配置一組TOFD探頭，一組相控陣探頭，探頭對(duì)稱布置于焊縫兩側(cè)，采用軌道式掃查裝置(見圖4)，編碼記錄數(shù)據(jù)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)探頭行走可實(shí)現(xiàn)焊縫的實(shí)時(shí)檢測(cè)及數(shù)據(jù)評(píng)判。

圖4 軌道式掃查裝置外觀

2.2 試驗(yàn)焊縫

選用管徑為168 mm，壁厚為18.6 mm及管徑為508 mm，壁厚為30 mm的兩種碳鋼管材，坡口形式為U型，坡口角度為6°，材料為API 5L X65。采用自動(dòng)熔化極氣體保護(hù)焊焊接工藝，通過調(diào)整工藝參數(shù)制作一系列焊接缺陷，缺陷長度為1020 mm，缺陷高度為0.53.0 mm，位置分布于內(nèi)外表面、填充區(qū)、熱焊區(qū)等區(qū)域，類型為坡口面未熔合及焊縫內(nèi)部體積型缺陷。

2.3 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)制作的缺陷焊縫進(jìn)行TOFD和PAUT檢測(cè)，逐一記錄所有缺陷顯示通道和波幅，按照數(shù)據(jù)評(píng)定方法進(jìn)行缺陷高度、長度及深度的評(píng)定，對(duì)所有缺陷進(jìn)行金相檢驗(yàn)，測(cè)量缺陷的實(shí)際高度及深度[2]，將每個(gè)缺陷的TOFD和PAUT檢測(cè)結(jié)果與金相檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證TOFD和PAUT檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，缺陷檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 缺陷焊縫的檢測(cè)結(jié)果 mm

由表1可知，根部區(qū)域有10個(gè)缺陷，高度為0.52.1 mm;熱焊區(qū)域有8個(gè)缺陷，高度為0.5～2.5 mm;填充區(qū)域有10個(gè)缺陷，高度為0.81.9 mm;蓋面區(qū)域有8個(gè)缺陷，高度為0.8～1.6 mm;焊縫內(nèi)部缺陷有2個(gè)。TOFD和PAUT檢測(cè)工藝能夠有效檢測(cè)出兩種尺寸焊縫坡口面不同位置的未熔合類面積型缺陷及焊縫內(nèi)部的層間未熔合、密集氣孔等體積型缺陷，檢測(cè)結(jié)果與金相檢驗(yàn)結(jié)果一致，高度測(cè)定平均偏差為0.1 mm，最大偏差為0.9 mm;深度測(cè)定平均偏差為0.05 mm，最大偏差為1.8 mm。根部區(qū)域高度平均偏差為0.2 mm，最大偏差為0.9 mm，最小偏差為0.1 mm；熱焊區(qū)域缺陷的高度平均偏差為0，最大偏差為0.9 mm，最小偏差為0.1 mm，深度偏差最大為1.8 mm；填充區(qū)域缺陷的高度平均偏差為-0.6 mm，最大為-0.8 mm，最小為0，深度偏差最大為1.8 mm；蓋面區(qū)域缺陷的高度平均偏差為0.15 mm，最大偏差為0.9 mm，最小偏差為0.1 mm，深度偏差最大為1.8 mm。

通過對(duì)缺陷高度及深度測(cè)定的誤差分析，可知TOFD和PAUT的檢測(cè)結(jié)果與缺陷實(shí)際尺寸具有良好的一致性，檢測(cè)精度能夠達(dá)到DNVGL-ST-F101標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 結(jié)語

對(duì)于碳鋼材料U型坡口焊縫，TOFD檢測(cè)能夠有效發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部坡口面及焊縫中心缺陷，PAUT能夠有效發(fā)現(xiàn)TOFD檢測(cè)上下表面盲區(qū)內(nèi)的缺陷。對(duì)不同位置、不同類型焊接缺陷的檢測(cè)驗(yàn)證表明，TOFD和PAUT檢測(cè)工藝能有效檢測(cè)出各個(gè)位置的缺陷，尺寸測(cè)量結(jié)果與金相檢驗(yàn)結(jié)果具有較高的一致性，高度測(cè)量結(jié)果與實(shí)際尺寸最大偏差為0.9 mm，深度測(cè)量結(jié)果與實(shí)際尺寸最大偏差為1.8 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)檢測(cè)精度的要求，同時(shí)可為U型坡口焊縫TOFD和PAUT檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用提供可靠的參考。

相比于分區(qū)法自動(dòng)超聲檢測(cè)技術(shù)，基于便攜式相控陣設(shè)備開發(fā)的TOFD和PAUT檢測(cè)工藝的檢測(cè)精度及可靠性可達(dá)到DNVGL-ST-F101標(biāo)準(zhǔn)的要求。