冷建成，田洪旭，周國(guó)強(qiáng)，吳澤民

(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

自升式海洋平臺(tái)關(guān)鍵部位MMM與ACFM聯(lián)合檢測(cè)

冷建成，田洪旭，周國(guó)強(qiáng)，吳澤民

(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)自升式海洋平臺(tái)檢測(cè)工作量大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問(wèn)題，提出了一種金屬磁記憶(MMM)與交流電磁場(chǎng)(ACFM)聯(lián)合檢測(cè)的新方法。在簡(jiǎn)介MMM和ACFM檢測(cè)機(jī)理之后，將其應(yīng)用到自升式海洋平臺(tái)關(guān)鍵部位的無(wú)損檢測(cè)中。分別以齒條座板與樁腿之間的T型焊縫和樁腿環(huán)焊縫為例，首先通過(guò)MMM快速全面掃描待檢測(cè)表面，基于磁場(chǎng)分布及梯度值確定應(yīng)力集中部位；在此基礎(chǔ)上，利用ACFM方法重點(diǎn)對(duì)應(yīng)力集中部位進(jìn)行裂紋缺陷的定量化檢測(cè)，結(jié)果表明MMM對(duì)應(yīng)力集中或微觀缺陷非常敏感，而ACFM方法可精確給出裂紋缺陷的深度信息，為平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全可靠運(yùn)行和維修方案制定提供了方法參考和理論依據(jù)。

自升式海洋平臺(tái)；金屬磁記憶；交流電磁場(chǎng)；無(wú)損檢測(cè)

Abstract: In view of the inconvenience such as heavy workload, time-consuming and laborious damage detection on jack-up offshore platform using traditional nondestructive testing methods, a new approach combining metal magnetic memory(MMM) and alternating current field measurement(ACFM) is proposed. After the detection mechanisms of MMM and ACFM were introduced, they were both applied to detect critical parts of the jack-up offshore platform nondestructively. By taking the T-type weld between rack seat plate and leg and the girth welding seam as examples, the pending surfaces were first detected quickly using MMM method, and the stress concentration zones were determined by virtue of magnetic field distributions and their gradient values. On this basis, the quantitative detection of cracks in the stress concentration zones was carried out using ACFM method emphatically. The results show that MMM method is very sensitive to stress concentration or microscopic defects, whilst ACFM method can give the depth of crack accurately, providing an approach reference and theoretical basis for safe operation and maintenance plan of platform structure.

Keywords: jack-up offshore platform; metal magnetic memory; alternating current field measurement; nondestructive testing

隨著國(guó)家對(duì)海洋石油勘探開(kāi)發(fā)支持力度的加大，油氣開(kāi)采作業(yè)所面臨的環(huán)境也更加惡劣；而隨著服役年限的增加，越來(lái)越多的自升式平臺(tái)已臨近甚至超過(guò)其設(shè)計(jì)服役壽命，平臺(tái)結(jié)構(gòu)可能會(huì)產(chǎn)生裂紋、變形以及腐蝕等缺陷，這些損傷會(huì)降低平臺(tái)結(jié)構(gòu)的承載能力，其可靠性和耐久性受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了保障平臺(tái)正常安全作業(yè)，就需對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)甚至健康監(jiān)測(cè)。

目前，對(duì)海洋平臺(tái)進(jìn)行損傷檢測(cè)流行的做法是借助振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)來(lái)識(shí)別平臺(tái)結(jié)構(gòu)的固有特性參數(shù)變化，如Viero P F等基于模態(tài)特性參數(shù)研究了導(dǎo)管架平臺(tái)的損傷檢測(cè)方法[1]，張兆德等提出利用頻率相對(duì)變化量和振型的相對(duì)變化來(lái)對(duì)平臺(tái)進(jìn)行損傷檢測(cè)[2]，但有研究表明振動(dòng)檢測(cè)對(duì)早期的裂紋缺陷并不敏感[3]；為此，Li D S等提出對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)與加速度響應(yīng)進(jìn)行小波變換來(lái)預(yù)測(cè)小損傷是否存在[4]?？傮w來(lái)說(shuō)上述方法主要偏向于理論探討或室內(nèi)研究，工程上還是主要采用局部無(wú)損檢測(cè)方法，如超聲相控陣檢測(cè)成像技術(shù)已成功應(yīng)用于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)環(huán)焊縫[5]及結(jié)構(gòu)管節(jié)點(diǎn)焊縫[6]的無(wú)損檢測(cè)，基于遠(yuǎn)場(chǎng)渦流效應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)對(duì)在役海洋平臺(tái)工藝管線檢測(cè)具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)[7]。李瀟等提出了一種基于聲發(fā)射信號(hào)模糊函數(shù)綜合相關(guān)系數(shù)的損傷識(shí)別方法來(lái)檢測(cè)海洋平臺(tái)服役過(guò)程中可能出現(xiàn)的裂紋、腐蝕、撞擊和摩擦等缺陷[8]；曹宇光等利用高精度紅外熱像儀捕捉齒輪齒條嚙合過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布，為自升式平臺(tái)升降系統(tǒng)的齒輪齒條無(wú)損檢測(cè)提供了一種新思路[9]；英國(guó)于20世紀(jì)90年代提出了一種專門用于檢測(cè)穿透型裂紋或其它使水滲到構(gòu)件內(nèi)部缺陷的進(jìn)水構(gòu)件測(cè)試法(FMD)，廣泛應(yīng)用到北海等海域的平臺(tái)檢測(cè)[10]。

綜上可見(jiàn)，傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，包括磁粉檢測(cè)(MT)、超聲檢測(cè)(UT)、渦流檢測(cè)(ET)等必須去除防腐層，成本較高，且只能用于檢測(cè)宏觀缺陷。近年來(lái)，金屬磁記憶(MMM)[11]、交流電磁場(chǎng)(ACFM)[12]等新技術(shù)因良好的適應(yīng)性正逐漸得到廣泛的工程應(yīng)用。本文的目的就是首先在不需要任何預(yù)處理的前提下，基于MMM技術(shù)對(duì)自升式平臺(tái)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行快速掃描診斷，確定應(yīng)力集中區(qū)域的位置及程度；在此基礎(chǔ)上，利用ACFM技術(shù)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，尤其是確定裂紋缺陷的長(zhǎng)度和深度定量化信息，為確保平臺(tái)上人員、財(cái)產(chǎn)的安全提供一套完整的局部損傷檢測(cè)方案。

1 MMM與ACFM檢測(cè)機(jī)理

被譽(yù)為21世紀(jì)綠色無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)的MMM方法是基于地磁場(chǎng)和工作載荷作用下的力磁效應(yīng)機(jī)理，通過(guò)檢測(cè)鐵磁構(gòu)件在制造或焊接過(guò)程中自然形成的固有漏磁場(chǎng)分布，借助磁記憶切向和法向信號(hào)及其梯度分布特征，即在缺陷和應(yīng)力集中部位，漏磁場(chǎng)的水平分量Hx具有最大值，法向分量Hy改變符號(hào)且過(guò)零點(diǎn)，如圖1所示，進(jìn)而無(wú)損評(píng)估結(jié)構(gòu)不均勻性、殘余應(yīng)力分布和焊接缺陷等。

綜合了交流電壓降(ACPD)和ET兩種方法優(yōu)點(diǎn)的ACFM方法是基于電磁感應(yīng)原理，通過(guò)感應(yīng)探頭測(cè)量被測(cè)工件表面兩個(gè)相互正交的磁場(chǎng)變化量來(lái)判斷是否存在裂紋，如圖2所示：當(dāng)工件表面存在裂紋等缺陷時(shí)，平行于工件表面和裂紋走向的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx出現(xiàn)下凹，其極小值對(duì)應(yīng)裂紋的深度；而垂直于工件表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz產(chǎn)生波峰波谷畸變，其正負(fù)峰值區(qū)間對(duì)應(yīng)裂紋的長(zhǎng)度。

圖1 金屬磁記憶檢測(cè)原理Fig. 1 Testing principle of metal magnetic memory

圖2 ACFM檢測(cè)原理Fig. 2 Testing principle of alternating current field measurement

與常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)方法相比，MMM檢測(cè)由于不需要專門的磁化設(shè)備、對(duì)被檢工件表面不需要清理、檢測(cè)結(jié)果重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)而在早期損傷檢測(cè)方面引起廣泛關(guān)注，ACFM檢測(cè)具有非接觸測(cè)量而無(wú)須去除表面涂層、理論數(shù)學(xué)模型精確而無(wú)須標(biāo)定、裂紋缺陷的定性定量檢測(cè)可一次性完成等諸多優(yōu)點(diǎn)。

2 自升式海洋平臺(tái)關(guān)鍵部位檢測(cè)方案

2.1檢測(cè)部位

某自升式海洋平臺(tái)主要由平臺(tái)主體、3根圓柱形樁腿和齒輪齒條式升降系統(tǒng)組成，總長(zhǎng)75 m，總寬49.8 m。該自升式平臺(tái)位于渤海灣淺海區(qū)域，作業(yè)水深為5～40 m，目前已服役6年。

針對(duì)自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)特征并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件，在參考中國(guó)船級(jí)社指導(dǎo)性文件《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》、室內(nèi)有限分析結(jié)果及相關(guān)文獻(xiàn)[11]的基礎(chǔ)上，確定了以下無(wú)損檢測(cè)部位：樁腿焊縫，升降裝置及其控制系統(tǒng)包括鎖緊裝置，救生艇基座，井架底座主要連接焊縫，吊耳連接焊縫，直升機(jī)支撐桁架連接焊縫，吊機(jī)底座環(huán)形焊縫、豎焊縫及與甲板連接焊縫，吊機(jī)臂主要連接焊縫，甲板與各設(shè)備之間的連接焊縫，以及結(jié)構(gòu)和設(shè)備底座關(guān)鍵部位等，其中樁腿要求100%無(wú)損探傷，包括樁腿環(huán)形焊縫、角焊縫、對(duì)接焊縫和垂直焊縫；升降裝置要求100%無(wú)損探傷，包括角焊縫、對(duì)接焊縫及多焊縫集中部位。

2.2檢測(cè)方案

由于平臺(tái)結(jié)構(gòu)龐大，所需檢測(cè)部位復(fù)雜且工作量大，為此首先采用MMM方法對(duì)所有待檢部位進(jìn)行快速掃描，確定應(yīng)力集中所在區(qū)域；然后對(duì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的重點(diǎn)部位再利用ACFM方法進(jìn)行確診，并對(duì)缺陷進(jìn)行定量化評(píng)估，為平臺(tái)局部損傷的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)提供有價(jià)值的參考。

3 檢測(cè)設(shè)備及方法

3.1檢測(cè)儀器及探頭

對(duì)于MMM檢測(cè)，選用TSC-2M-8應(yīng)力集中磁檢測(cè)儀。適用于平臺(tái)局部損傷檢測(cè)的探頭主要有2M型和1-8M型傳感器，二者均可同時(shí)檢測(cè)磁場(chǎng)的法向分量和切向分量，其中前者有兩個(gè)磁探測(cè)傳感器和單輪式長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器，借助它實(shí)際上可檢測(cè)所有物體；后者設(shè)計(jì)成四輪小車形狀，有四個(gè)磁探測(cè)傳感器和長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器。

對(duì)于ACFM檢測(cè)，選用AMIGO金屬裂紋檢測(cè)儀；探頭選用256標(biāo)準(zhǔn)焊縫探頭和250小型筆型探頭。

3.2檢測(cè)方法

MMM檢測(cè)時(shí)參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26641-2011《無(wú)損檢測(cè) 磁記憶檢測(cè) 總則》和GB/T 12604.10-2011《無(wú)損檢測(cè) 術(shù)語(yǔ) 磁記憶檢測(cè)》執(zhí)行，對(duì)于幾何尺寸較大的構(gòu)件或焊縫寬度大于10 mm時(shí)，適于采用1-8M探頭；對(duì)于復(fù)雜形狀的物體或角焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，宜采用2M型探頭。

ACFM檢測(cè)時(shí)參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM E2261/E2261M-12 《Standard Practice for Examination of Welds Using the Alternating Current Field Measurement Technique》執(zhí)行，大多數(shù)情況下盡量采用256標(biāo)準(zhǔn)焊縫探頭，僅在對(duì)難以接近的位置進(jìn)行檢測(cè)時(shí)選用250小型筆型探頭。

4 MMM檢測(cè)結(jié)果分析與ACFM可靠性驗(yàn)證

毋容置疑，樁腿和升降裝置是自升式海洋平臺(tái)的關(guān)鍵部件，對(duì)整個(gè)平臺(tái)及其作業(yè)安全起著至關(guān)重要的作用。這里分別以齒條座板與樁腿之間的T型焊縫和樁腿環(huán)焊縫為例重點(diǎn)探討試驗(yàn)結(jié)果及其分析方法。

4.1齒條座板與樁腿之間的T型焊縫檢測(cè)結(jié)果分析

平臺(tái)每個(gè)樁腿與齒條之間是通過(guò)齒條座板過(guò)渡焊接，焊縫寬度約為35 mm，采用1-8M型探頭對(duì)齒條座板與樁腿之間的T型焊縫進(jìn)行檢測(cè)，需要注意的是為了便于檢測(cè)需要調(diào)節(jié)中間兩個(gè)探頭的距離和角度。為清晰起見(jiàn)，僅顯示1#傳感器磁場(chǎng)分布及相應(yīng)的梯度值，如圖3所示。

圖3 1#傳感器的磁場(chǎng)分布Fig. 3 Magnetic field distributions of No.1 sensor

圖4 十字型接頭所在的應(yīng)力集中區(qū)Fig. 4 Stress concentration zone corresponding to cross joint

可見(jiàn)，在探頭掃描行走580 mm位置時(shí)，磁場(chǎng)切向和法向分量分別出現(xiàn)明顯的畸變特征，相應(yīng)的最大磁場(chǎng)梯度值達(dá)到15A/m/mm，表明所在區(qū)域?yàn)楹附拥膽?yīng)力-變形狀態(tài)高度不均勻區(qū)。后用ACFM方法進(jìn)行校驗(yàn)，并未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋缺陷指示，表明所發(fā)現(xiàn)缺陷僅為應(yīng)力集中。

仔細(xì)分析其原因，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)所在位置正好為樁腿環(huán)向焊縫與齒條座板縱向焊縫的交叉處，如圖4所示，而十字型接頭在焊接過(guò)程中由于焊槽和邊緣局部高溫很容易在其周圍過(guò)渡區(qū)形成應(yīng)力集中，但這些焊接接頭在外力作用下尚未發(fā)展為明顯的宏觀缺陷。

4.2樁腿環(huán)焊縫檢測(cè)結(jié)果分析

平臺(tái)3#樁腿環(huán)焊縫寬度約30 mm，采用1-8M型掃描裝置，四個(gè)傳感器等間距安置，分別用于掃描焊縫及兩邊的熱影響區(qū)，測(cè)得磁記憶檢測(cè)數(shù)據(jù)的切向分量和法向分量如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)探頭掃描行走100、320及800 mm位置附近時(shí)，磁場(chǎng)切向和法向分量分別出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的畸變特征。為了更清楚地找到應(yīng)力集中區(qū)域所在位置，重點(diǎn)突出下焊腳處即4#傳感器的磁場(chǎng)分布及相應(yīng)的梯度值，如圖6所示。

圖5 四通道磁記憶檢測(cè)信號(hào)Fig. 5 Four channel magnetic memory signals

圖6 4#傳感器的磁場(chǎng)分布及相應(yīng)的梯度值Fig. 6 Magnetic field distributions of No.4 sensor

由圖6可以看出，4#傳感器所檢測(cè)的切向分量出現(xiàn)3處明顯的波峰，而法向分量對(duì)應(yīng)位置出現(xiàn)明顯的波峰-波谷畸變；相應(yīng)的磁場(chǎng)梯度也超過(guò)紅色虛線所指示的預(yù)先設(shè)定的梯度閾值，最大梯度值為12.875A/m/mm，表明所在區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中的危險(xiǎn)區(qū)域。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證MMM信號(hào)的正確性，利用ACFM檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)相同路徑進(jìn)行了掃描，檢測(cè)信號(hào)如圖7所示，發(fā)現(xiàn)Bx信號(hào)有3處產(chǎn)生突降，而B(niǎo)z信號(hào)在相對(duì)應(yīng)的位置出現(xiàn)先波谷后波峰特征，同時(shí)右邊區(qū)域的蝶形圖顯示有3個(gè)明顯的閉合環(huán)，進(jìn)而可以判斷存在3處疑似裂紋缺陷。

CCS在《海上自升式鉆井平臺(tái)樁腿裂紋檢驗(yàn)與修復(fù)指南》文件中指出，樁腿裂紋的檢驗(yàn)包括檢查樁腿有無(wú)裂紋以及測(cè)量裂紋長(zhǎng)度和深度兩個(gè)方面的內(nèi)容。為此，基于半橢圓形裂紋假設(shè)的ACFM理論模型經(jīng)反演計(jì)算，得到最大裂紋長(zhǎng)度為13 mm、深度為2.9 mm，如圖8所示。

圖7 ACFM檢測(cè)裂紋缺陷指示信號(hào)Fig. 7 ACFM detection crack defect indication signal

圖8 ACFM裂紋尺寸計(jì)算Fig. 8 ACFM crack size calculation

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 針對(duì)海洋平臺(tái)檢測(cè)部位復(fù)雜、工作量大等難題，提出了先利用金屬磁記憶方法對(duì)所有局部待檢部位進(jìn)行全面普查、再利用交流電磁場(chǎng)方法重點(diǎn)對(duì)應(yīng)力集中部位進(jìn)行裂紋缺陷定量化檢測(cè)的一種新方法，為平臺(tái)損傷的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與實(shí)施提供了新思路和解決方案。

2) 工程實(shí)例檢測(cè)結(jié)果表明，金屬磁記憶方法對(duì)鐵磁構(gòu)件的早期損傷或焊接質(zhì)量，如應(yīng)力集中或微觀缺陷所引起的磁場(chǎng)變化非常敏感，驗(yàn)證了金屬磁記憶方法適用于自升式海洋平臺(tái)關(guān)鍵部位定位檢測(cè)的可行性，為后續(xù)其它無(wú)損檢測(cè)方法的測(cè)點(diǎn)布置提供了參考依據(jù)。

3) 通過(guò)對(duì)自升式平臺(tái)樁腿環(huán)焊縫應(yīng)力集中位置的交流電磁場(chǎng)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了裂紋缺陷的定量化評(píng)價(jià)，尤其是深度測(cè)量信息，為平臺(tái)結(jié)構(gòu)的修復(fù)加固和檢驗(yàn)計(jì)劃可提供指導(dǎo)性建議。

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Joint detection of MMM and ACFM on critical parts of jack-up offshore platform

LENG Jiancheng, TIAN Hongxu, ZHOU Guoqiang, WU Zemin

(School of Mechanical Science and Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

1005-9865(2017)02-0034-05

P751; TG115.28; U674.38

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.02.006

2015-12-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11472076, 11272084)；中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司“十三五”資助項(xiàng)目(2016A-1007)；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015M581426)

冷建成(1977-)，男，河南信陽(yáng)人，教授，主要從事無(wú)損檢測(cè)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及損傷診斷研究。E-mail: lbyljc@163.com