張?zhí)旖?陳 亮， 吳 員， 常 宇， 張永波， 王桂江

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452）

0 前 言

在海洋油氣資源開發(fā)過程中， 海底管道作為海上油氣集輸?shù)拇髣用}發(fā)揮著十分重要的作用[1]。 目前， 國內(nèi)海底管道項目建設(shè)的參考和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)以DNV OS F101 《海底管線系統(tǒng)規(guī)范》和API 1104 《管線管及相關(guān)設(shè)施焊接規(guī)范》 為主。 隨著施工船舶作業(yè)能力的提高、 自動焊技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用， 全自動超聲波檢測（automatic ultrasonic testing,AUT） 技術(shù)也逐步發(fā)展成為海底管道對接環(huán)焊縫無損檢驗(yàn)的首選方法。 雖然AUT 具有檢測速度快、 安全環(huán)保等諸多優(yōu)勢， 但也由于設(shè)備尺寸大而在靈活性方面有所限制[2]。 因此， 常規(guī)超聲波檢驗(yàn)仍然扮演著十分重要的角色。

1 超聲波檢驗(yàn)的基本原理及程序驗(yàn)證要求

1.1 檢驗(yàn)原理

目前， 海底管道對接環(huán)焊縫超聲檢驗(yàn)通常采用脈沖反射法。 超聲波探頭通過耦合劑接觸工件表面， 發(fā)射脈沖波到被檢工件中。 當(dāng)超聲波遇到內(nèi)部不連續(xù)或者底面后發(fā)生超聲波反射， 再由超聲波探頭接收， 并在超聲波儀器上得到相應(yīng)的顯示， 檢驗(yàn)人員根據(jù)儀器屏上顯示的波形位置和形狀對缺陷定性， 以回波傳播時間對缺陷定位， 以回波幅度對缺陷定量[3]。

1.2 檢驗(yàn)程序驗(yàn)證要求

根據(jù)API 1104 標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求， 在超聲波檢驗(yàn)程序最終書面批準(zhǔn)和現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用之前， 檢驗(yàn)承包商應(yīng)按照程序內(nèi)容， 向業(yè)主演示超聲波系統(tǒng)設(shè)備和檢測能力， 生成程序驗(yàn)證報告并記錄結(jié)果。演示過程包括[4-5]： ①使用項目實(shí)際生產(chǎn)的管材，并采用經(jīng)批準(zhǔn)的焊接工藝規(guī)范， 焊接形成含有缺陷和可接受缺陷的焊縫試件； ②對缺陷焊縫試件進(jìn)行射線檢驗(yàn)， 并記錄結(jié)果； ③按照項目超聲波檢測程序進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)， 并記錄結(jié)果； ④將超聲波檢驗(yàn)結(jié)果與射線結(jié)果進(jìn)行比較， 驗(yàn)證超聲波檢驗(yàn)程序有效性； ⑤生產(chǎn)焊接中， 超聲波檢驗(yàn)程序的使用應(yīng)基于所實(shí)施的能力； ⑥超聲波檢驗(yàn)系統(tǒng)/技術(shù)/方法的缺陷記錄應(yīng)至少包含圓周定位、 長度、 深度、 軸向（焊接橫截面） 位置等。

2 超聲波檢驗(yàn)程序驗(yàn)證過程

2.1 缺陷焊縫制作

本項目超聲波檢驗(yàn)程序主要適用于V 形坡口焊縫。 因此， 超聲波檢驗(yàn)程序驗(yàn)證選用了2 個外徑為304.8 mm、 壁厚為20.6 mm 的V 形坡口對接環(huán)焊縫。 使用項目批準(zhǔn)的熔化極氣體保護(hù)焊焊接工藝， 焊接過程中， 電弧熔化焊絲和母材形成的熔池及焊接區(qū)域在惰性氣體或活性氣體的保護(hù)下，可以有效地阻止周圍環(huán)境空氣的有害作用[6-9]。 本項目所選用的焊接工藝參數(shù)見表1。

表1 項目選用的焊接工藝參數(shù)

2.2 射線檢驗(yàn)及結(jié)果

本項目射線檢驗(yàn)采用射線照相法， 將射線源和工業(yè)膠片分別置于待檢工件的兩側(cè)。 透照原理如圖1 所示， 射線在穿透物體過程中會與物質(zhì)發(fā)生相互作用， 因吸收和散射而使其強(qiáng)度減弱。 當(dāng)焊縫和母材局部存在缺陷， 且構(gòu)成缺陷的物質(zhì)的衰減系數(shù)與焊縫不同， 該區(qū)域透過的射線也會不同， 從而在底片上相應(yīng)部位就會出現(xiàn)黑度的差異。 在觀片燈光屏上， 評片人員通過觀察底片能夠比較準(zhǔn)確地判斷出缺陷的性質(zhì)、 數(shù)量、 尺寸和位置[10-12]。 本項目選用雙壁單影（DWE/SWV） 透照技術(shù)， 焊縫的射線檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖1 雙壁單影（DWE/SWV） 射線透照原理圖

表2 焊縫缺陷的射線檢驗(yàn)結(jié)果

2.3 超聲波檢驗(yàn)

海底管道環(huán)焊縫超聲波檢驗(yàn)， 首先使用縱波直探頭對焊縫兩側(cè)母材進(jìn)行直探傷掃查， 確保母材內(nèi)部無影響超聲波傳播的大尺寸面狀缺陷， 如夾層等。 然后使用橫波斜探頭對焊縫進(jìn)行掃查，當(dāng)探頭角度與缺陷方向垂直時， 獲得缺陷的最大回波信號。 超聲波檢驗(yàn)可從工件一面完成， 通常來說， 45°、 60°和70°探頭都應(yīng)該被選用。 由于常規(guī)超聲波無法保存掃查數(shù)據(jù)， 因此對操作人員的技術(shù)水平要求較高[13]。

2.3.1 設(shè)備校準(zhǔn)

（1） 直探頭校準(zhǔn)。 直探頭校準(zhǔn)在母材正面進(jìn)行， 將掃查范圍至少調(diào)整為三倍板材厚度， 靈敏度調(diào)節(jié)在無雜亂顯示的位置上進(jìn)行， 使得第一次反射回波達(dá)到滿屏高度的50%～75%。

（2） 斜探頭校準(zhǔn)。 斜探頭的檢測范圍和掃描速度使用IIW 試塊校準(zhǔn)， 至少包括整個聲程的距離； 基準(zhǔn)靈敏度通過參考試塊建立DAC 曲線并進(jìn)行聲能傳輸損耗修正。 制作刻槽參考試塊波高100%和50%的參考曲線如圖2 所示。

圖2 斜探頭DAC 曲線

由于被檢材料的表面狀態(tài)和內(nèi)部材質(zhì)衰減不同， 采用雙探頭技術(shù)對參考線進(jìn)行聲能損失補(bǔ)償。 超聲波檢驗(yàn)員在每次檢驗(yàn)之前， 針對每個焊縫的檢測表面的粗糙狀況不同， 應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償并記錄， 除非材質(zhì)、 尺寸和結(jié)構(gòu)相同。 校準(zhǔn)面與被檢面應(yīng)充分接近， 盡量使補(bǔ)償減小。

2.3.2 檢驗(yàn)過程

（1） 直探頭掃查。 在對焊縫進(jìn)行斜探頭掃查之前， 應(yīng)對斜探頭掃查范圍內(nèi)聲束傳播區(qū)域進(jìn)行直探頭掃查（表面掃查范圍為焊縫掃查時的最大跨距）。 檢查母材的分層或可能影響檢驗(yàn)的其他包含物。 如果母材的某個區(qū)域出現(xiàn)底波丟失或者大于等于起始底波高度， 就會影響正常的焊縫橫波掃查程序， 那么就需要把這個缺陷的大小、 位置和距表面的深度記錄下來， 并報告給公司。 當(dāng)發(fā)現(xiàn)使用斜探頭掃查不可行時， 應(yīng)當(dāng)采用其他無損檢測方法替代。

（2） 斜探頭掃查。 在檢測開始之前， UT 技師應(yīng)了解碳鋼的類型、 使用的坡口形式、 可能產(chǎn)生缺陷的類型和方位， 即焊接工藝、 被檢焊縫節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)類型等。 首先， 在選擇探頭時，常規(guī)頻率為2～5 MHz， 除非被檢材料的晶粒度需使用其它頻率探頭， 確保足夠的穿透力， 獲得更加好的分辨力。 其次， 采用的任何一種掃查方式應(yīng)能完全覆蓋焊縫根部、 焊縫、 兩側(cè)熔合線和母材熱影響區(qū)。 在基準(zhǔn)靈敏度上增加6 dB 進(jìn)行掃查。 缺陷的判定基于基準(zhǔn)靈敏度。 在坡口焊縫根部熔合線發(fā)現(xiàn)顯示時， 應(yīng)使用70°、 60°或45°中任一最可能垂直熔合線的角度作進(jìn)一步的評判。 對于對接環(huán)焊縫的體積型缺陷掃查， 應(yīng)在焊縫相同表面對應(yīng)的兩側(cè)進(jìn)行。 同時， 掃查過程中， 探頭采用鋸齒形移動方式， 確保10%的掃查覆蓋， 探頭移動速度不大于50 mm/s。應(yīng)使用不同角度的探頭及相應(yīng)的DAC 曲線， 通過旋轉(zhuǎn)探頭獲得最大反射回波。 對所有超過參考線20%的顯示進(jìn)行評判， 對于超過參考線50%的顯示應(yīng)記錄。 操作者應(yīng)能確定顯示的形狀和位置， 使用6 dB 法、 時差法或最大波幅法進(jìn)行尺寸的評判。

2.3.3 檢驗(yàn)結(jié)果缺陷焊縫的超聲波檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 缺陷焊縫的超聲波檢驗(yàn)結(jié)果

2.4 檢驗(yàn)結(jié)果對比

將兩道焊縫采用射線及超聲波兩種檢驗(yàn)方法的檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比， 對比結(jié)果見表4 和圖3。 從表4 和圖3 檢驗(yàn)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)， 由于檢驗(yàn)原理不同， 射線檢驗(yàn)對體積型缺陷敏感， 檢出的缺陷類型包括未熔合、 未焊透、 氣孔和密集氣孔等； 超聲波檢驗(yàn)方法對線型和面積型缺陷更加敏感， 而對體積型缺陷不敏感[14-15]。 因此， 射線檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的3 個氣孔， 在超聲波檢驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)。 同時， 兩種檢驗(yàn)結(jié)果中， 缺陷的位置和長度基本一致， 且判定結(jié)果一致， 對焊縫均能進(jìn)行最終評定。

圖3 射線檢測與超聲波檢驗(yàn)結(jié)果對比散點(diǎn)圖

表4 射線檢驗(yàn)與超聲波檢驗(yàn)結(jié)果對比

3 結(jié)束語

執(zhí)行API 1104 標(biāo)準(zhǔn)對海底管道對接環(huán)焊縫超聲檢測程序進(jìn)行了程序驗(yàn)證， 程序驗(yàn)證過程和結(jié)果表明， 該項目超聲波檢驗(yàn)程序能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格書要求， 可以用于工程實(shí)際應(yīng)用。 同時，此次程序驗(yàn)證工作也可為后續(xù)海底管道項目對接環(huán)焊縫的超聲波檢驗(yàn)程序驗(yàn)證提供參考。