倪鵬，李國銳，肖曉凌，金信岑，徐進(jìn)，周愛源

（1.深圳市杉葉實(shí)業(yè)有限公司，廣東深圳，518067；2.上海水下救撈工程技術(shù)研發(fā)中心，上海，200090）

0 引言

隨著海洋油氣資源向近海和深海的開發(fā)，大型固定式導(dǎo)管架平臺(tái)服役數(shù)量逐漸增多，依據(jù)中國《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》[1]、美國石油協(xié)會(huì)（API）及船級社的相關(guān)規(guī)范要求，需要定期對導(dǎo)管架進(jìn)行檢測。在導(dǎo)管架水下檢測作業(yè)中，當(dāng)桿件存在穿透型裂紋或破損時(shí),海水將滲入到導(dǎo)管架構(gòu)件的內(nèi)部,使該桿件充水，通過FMD檢測技術(shù)來檢測桿件是否透水來判別其是否存在穿透型裂紋或其它使水滲到構(gòu)件內(nèi)部的缺陷。且根據(jù)API RP 2A[2]相關(guān)規(guī)定，F(xiàn)MD可以替代詳細(xì)目視檢查方法，F(xiàn)MD相對于詳細(xì)目視檢查效率更高，節(jié)省了大量海生物清理工作量，特別是在深水作業(yè)中其優(yōu)勢更加明顯，搭載在ROV上的超聲式和射線式FMD檢測手段[3，4]在國外和國內(nèi)大深度的導(dǎo)管架水下檢測作業(yè)中廣泛運(yùn)用，本文主要介紹超聲式FMD檢測技術(shù)在深水檢測中的運(yùn)用。

1 方法與原理

1.1 超聲式FMD檢測原理

超聲波桿件透水探測儀回波信號顯示是A掃描，A型顯示將超聲波的信號幅度（Y軸）與傳播時(shí)間（X軸）的關(guān)系；當(dāng)超聲波垂直入射到平界面，界面兩側(cè)的介質(zhì)的聲阻抗的差異越大，反射聲能越大，透射聲能越小[5]。超聲波桿件透水探測儀回波信號顯示是A掃描，A型顯示超聲波的信號幅度（Y軸）與傳播時(shí)間（X軸）的關(guān)系，如果超聲波在均值材料中傳播，聲速是恒定的，傳播時(shí)間可轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)播距離；當(dāng)超聲波垂直入射到平界面，界面兩側(cè)的介質(zhì)的聲阻抗的差異越大，反射聲能越大，透射聲能越小，當(dāng)界面兩側(cè)的聲阻抗接近時(shí)，反射幾乎為0，聲波完全透射。其中鋼的聲阻抗Z為46X106kg/m2.S,水的聲阻抗1.5X106kg/m2.S，空氣為400kg/m2.S，如超聲波從鋼中射向水時(shí)反射率和透射率分別為-0.937和0.063。在鋼與空氣界面，空氣的聲阻抗可以忽略不計(jì)，只有反射，沒有透射。

式中：R為聲強(qiáng)反射率；T為聲強(qiáng)透射率；Z1、Z2為界面的兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗，單位為kg/m2.S[5]。

如果桿件為干式的，由于鋼和空氣的界面，空氣的聲阻抗忽略不計(jì)，幾乎沒有透射聲能，在接觸的鋼管壁全部產(chǎn)生反射回波；如果桿件透水，聲波透射過接觸面的鋼管壁和管壁內(nèi)的水層，到達(dá)構(gòu)件另一側(cè)產(chǎn)生反射回波，探頭接收到反射波，反射波的波幅和傳輸時(shí)間對應(yīng)A型顯示，然后超聲式FMD軟件通過一些電路和算法，來識(shí)別構(gòu)件中是否有水，從而形成檢測結(jié)論。原理示意圖見圖1。

圖1 超聲波桿件進(jìn)水檢測原理圖[6]

圖2 ROV機(jī)械手[7]

2 超聲式FMD搭載在ROV機(jī)械手的可行性

2.1 機(jī)械手搭載FMD探頭的操作可行性

使用Schilling Robotics提供的T4機(jī)械手，通過機(jī)械手連接到工具工裝，可以實(shí)現(xiàn)FMD探頭的平移移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從機(jī)械手可以達(dá)到的平面和空間區(qū)域示意圖，理論上機(jī)械手可以達(dá)到所檢測桿件的頂部和底部。

在實(shí)際水下導(dǎo)管架檢測過程中，ROV的夾持器/扶手抓住桿件附近的結(jié)構(gòu)件如陽極塊，使用連接有FMD探頭工裝的T4機(jī)械手去接觸所檢測的區(qū)域，ROV舵手通過帶有力反饋位置控制器對機(jī)械手進(jìn)行控制操作，使探頭與桿件表面結(jié)合完好，然后水面操作人員進(jìn)行測量讀數(shù)。

圖3 Quantum 系列及T4機(jī)械手

2.2 ROV-FMD探頭的通訊連接可行性

根據(jù)英國RSL公司的ROV-FMD說明書[8]對于電子艙連接到ROV接口方式與此次使用Quantum 18 ROV預(yù)留的8針?biāo)芙宇^進(jìn)行匹配。其中J2-9的Pin1取電DC 24V，Pin2（白色）接地及屏蔽線,Pin3和Pin4對應(yīng)（TXRX）信號傳輸，信號通過光纖傳輸?shù)剿婵刂茊卧缓笸ㄟ^RS232轉(zhuǎn)USB數(shù)據(jù)線連接到ROV控制間的電腦，測試儀器通信連接。

2.3 功能測試

由于此次需要協(xié)調(diào)外部ROV資源，本階段的功能測試根據(jù)設(shè)備資源的可利用性和測試時(shí)機(jī)進(jìn)行，大體分為3個(gè)階段：工裝夾具及探頭未連接電子艙運(yùn)用，在潛水員級FMD進(jìn)行功能性測試；工裝夾具及探頭連接到ROV電子艙進(jìn)行通訊測試；整體連接到ROV機(jī)械手進(jìn)行車間測試。

測試包含通訊和功能測試，通訊測試正常時(shí)在軟件的坐標(biāo)軸上會(huì)出現(xiàn)藍(lán)色的柱狀；功能測試方法：在容器中放置直徑為300mm的鐵桶，高度385mm，管壁厚約2mm，桶內(nèi)中加入一定量的水，水位的高度約低于容器水位，操作探頭貼合桶壁的外表面，測試管內(nèi)部有水、沒水、水線分界線三個(gè)位置，并結(jié)合軟件進(jìn)行判讀透水、未透水是否正常顯示。

圖4 功能測試方法

3 超聲式ROV-FMD的限制和制約

3.1 FMD-ROV級超聲桿件探測技術(shù)的局限性

如桿件透水時(shí)，水總是流向低位，根據(jù)超聲波的原理，探頭進(jìn)行檢測時(shí)接觸管壁內(nèi)的液位底部側(cè)，結(jié)合廠家的儀器操作指南：檢測水平桿件時(shí)，探頭需要探測桿件的正下方點(diǎn)位，檢測斜撐桿件時(shí)，需要探測桿件底部靠近焊縫附近的位置，對于鐘點(diǎn)位未作要求。但在實(shí)際操作中，考慮到ROV進(jìn)入導(dǎo)管架內(nèi)部的風(fēng)險(xiǎn)性和機(jī)械手操作的局限性，ROV-FMD探頭很難垂直地貼近桿件的正下方，這時(shí)只能檢測桿件外側(cè)，造成探頭測量點(diǎn)取樣的單一性，但也考慮到如桿件因開口性缺陷而進(jìn)水和水壓因素，通常水位會(huì)充滿整個(gè)管內(nèi)，現(xiàn)場的驗(yàn)船師通常也會(huì)接受。

在深水導(dǎo)管架的檢測過程中，通常會(huì)存在安裝有防潰孔的桿件，管中管或是開口型的管，由于其內(nèi)部存在其它結(jié)構(gòu)件、腐蝕、雜物或是海生物，會(huì)阻礙超聲波的傳輸，這樣探頭表面接收不到回波，給檢測結(jié)果帶來誤判；此時(shí)就需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行說明，或是多個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行測量，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

3.2 探頭工裝夾具的限制

以往搭載在ROV機(jī)械手上的探頭夾具采用類型的T型夾具，通過操作機(jī)械手直接把探頭的前部頂?shù)綏U件上，剛性的接觸到有曲率的的桿件外表面難以判斷探頭表面與桿件表面的結(jié)合度，特別是對于管徑較小的桿件難度更大，且ROV前部的云臺(tái)攝像頭無法觀察探頭前部結(jié)合面，會(huì)給檢測帶來不確定性；加上探頭前部也沒有設(shè)計(jì)彈性反沖、調(diào)中裝置，對于探頭前部也會(huì)造成損傷。

4 工裝改進(jìn)設(shè)計(jì)及運(yùn)用

在實(shí)際操作中，由于作業(yè)級ROV機(jī)械手不如潛水員手靈活且力度很大，就需要設(shè)計(jì)加工一個(gè)工裝來安裝探頭并連接到ROV機(jī)械手，其主要作用是使探頭表面能平穩(wěn)地接觸到桿件的外表面，并對探頭和連接電纜進(jìn)行防護(hù)。設(shè)計(jì)原則一是對探頭及其電纜進(jìn)行防護(hù)，二是增加一個(gè)磁性的自動(dòng)捕捉功能，三是提供在機(jī)械手和夾具之間提供一個(gè)反沖裝置，防止因機(jī)械手的動(dòng)作導(dǎo)致探頭的夾具捕捉功能失效。

圖5 改進(jìn)工裝及功能測試

考慮到車間水池資源受限，此次ROV未進(jìn)行水下試驗(yàn)或海上試驗(yàn)，但結(jié)合我司2近年來在南海油田導(dǎo)管架深水檢測中的超聲式FMD檢測技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，本次試驗(yàn)的目的是為了解決探頭自動(dòng)捕捉和夾具的阻尼功能。

圖6 ROV級FMD以往水下作業(yè)實(shí)況

5 結(jié)語

隨著人類開發(fā)海洋資源向深遠(yuǎn)海發(fā)展， ROV檢測技術(shù)也必將成為深水檢測的主要手段，超聲式 ROV-FMD檢測技術(shù)在國外導(dǎo)管架深水檢測和管線內(nèi)部流體檢測作業(yè)中早已廣泛運(yùn)用，并被各船級社所推崇；隨著工裝夾具的改良和升級，ROV操控人員能更嫻熟、更容易的操縱探頭，使其與桿件表面貼合的穩(wěn)定性得到提高，以ROV為載體的超聲式FMD檢測技術(shù)將會(huì)越來越廣泛的應(yīng)用在深水檢測作業(yè)中。