張俊杰 吳員 趙明達(dá)（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

1 背景

CRA（耐蝕合金）復(fù)合管道主要用于輸送含硫量較高的酸性介質(zhì)，近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)及國(guó)際上海上油氣開采范圍的擴(kuò)大、油氣處理能力的提高、焊接工藝的進(jìn)步，CRA 復(fù)合管道在海底管道及附屬結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但在CRA復(fù)合管線對(duì)接環(huán)焊縫的檢測(cè)中，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，常規(guī)的橫波超聲檢測(cè)效果較差，射線檢測(cè)成為主要的檢測(cè)方法。

CRA復(fù)合管主要可以分為3個(gè)區(qū)域，分別是碳鋼區(qū)域①，主要用于做背襯材料；焊縫區(qū)域②；堆焊區(qū)域③，如圖1所示。

圖1 CRA復(fù)合管焊縫結(jié)構(gòu)示例

較碳鋼焊縫，CRA 復(fù)合管焊縫更加復(fù)雜，主要表現(xiàn)在碳鋼母材與CRA 堆焊層材料差異、碳鋼母材與焊縫填充材料差異、CRA 堆焊層及填充材料本身的特殊性。傳統(tǒng)的碳鋼AUT 工藝主要采用橫波檢測(cè)，因?yàn)槠胀ㄌ间摰木Я＝M織為100微米級(jí)，對(duì)于一般用于檢測(cè)超聲波來(lái)說(shuō)是均勻的、各項(xiàng)同性的，且晶粒對(duì)聲波散射很低，檢測(cè)效果較為理想。但對(duì)于不銹鋼來(lái)說(shuō)，其本身有晶粒粗大及顯著的各項(xiàng)異性等特點(diǎn)，橫波在其內(nèi)部傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的散射及衰減，從而導(dǎo)致檢測(cè)信噪比很差，回波信號(hào)甚至湮沒于噪聲信號(hào)中，此外母材與填充材料及堆焊層材料之間的差異也會(huì)導(dǎo)致散射及衰減。

近年來(lái)，隨著AUT技術(shù)的發(fā)展以及相關(guān)技術(shù)的研究不斷成熟，AUT檢測(cè)技術(shù)在CRA復(fù)合管道檢測(cè)方面的研究已經(jīng)取得重大進(jìn)步，并得到了應(yīng)用。本文主要針對(duì)AUT 檢測(cè)技術(shù)在厚壁CRA 管對(duì)接環(huán)焊縫研究過(guò)程中的聲學(xué)性能實(shí)驗(yàn)、方案設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)試塊、工藝認(rèn)證等方面進(jìn)行了表述，并給出了具體的解決方案。

2 聲學(xué)實(shí)驗(yàn)

2.1 TOFD（衍射時(shí)差法）聲學(xué)性能試驗(yàn)

本試驗(yàn)旨在使用TOFD 方法，比較使用不同頻率探頭檢測(cè)復(fù)合管焊縫區(qū)及其熱影響區(qū)的效果，并在堆焊區(qū)做TOFD 檢測(cè)作為對(duì)比，以提供數(shù)據(jù)支持。

本試驗(yàn)中，使用5MHz、10MHz、15MHz三種探頭，60°楔塊分別檢測(cè)堆焊區(qū)及焊縫區(qū)，并將結(jié)果對(duì)比，計(jì)算PCS（探頭中心間距）時(shí)模擬主聲束打在2/3壁厚處。檢測(cè)焊縫區(qū)時(shí)，兩探頭關(guān)于焊縫對(duì)稱放置.另外，在堆焊區(qū)做相同實(shí)驗(yàn)作為對(duì)比，并注意使聲束覆蓋區(qū)域在堆焊區(qū)以內(nèi)。（見圖2、圖3）

使用5MHz探頭檢時(shí)，在堆焊區(qū)的效果相對(duì)較好，可明顯區(qū)分的出碳鋼層、不銹鋼層，其中碳鋼層信噪比較好，不銹鋼層信號(hào)較亂。10MHz探頭信噪比較差，15MHz探頭則基本無(wú)法區(qū)分底波信號(hào)跟噪聲信號(hào)。

2.2 縱波衰減實(shí)驗(yàn)

本試驗(yàn)主要目的是測(cè)試縱波通過(guò)復(fù)合管焊縫的衰減程度，驗(yàn)證復(fù)合管縱波檢測(cè)的可行性。試驗(yàn)的主要方法是使用5MHz/6mmTOFD探頭做縱波一發(fā)一收設(shè)置，分別使用45°、60°、70°幾個(gè)角度，調(diào)整增益分別使套管區(qū)、堆焊區(qū)、焊縫區(qū)波幅達(dá)到80%，記錄增益值，比較堆焊區(qū)與焊縫區(qū)的衰減。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，縱波通過(guò)焊縫區(qū)域的衰減與通過(guò)堆焊層的衰減相比差值在7db以內(nèi),滿足實(shí)現(xiàn)超聲檢測(cè)衰減在12dB 以內(nèi)的要求。但45°聲束的衰減相對(duì)比較嚴(yán)重，可能是由于焊縫根部不規(guī)則造成的。3 個(gè)角度通過(guò)母材區(qū)域時(shí)衰減均比較嚴(yán)重。堆焊區(qū)、焊縫區(qū)的回波在大部分位置是不銹鋼底面回波，45°波在碳鋼/不銹鋼界面上的反射回波基本看不到，60°、70°一般會(huì)有波幅較小的界面回波，偶爾會(huì)出現(xiàn)碳鋼/不銹鋼界面回波比不銹鋼底面波波幅高的情況。

3 方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的碳鋼AUT檢測(cè)工藝以橫波為主，并采用二次波及一次波結(jié)合的方式，但根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，橫波的效果很不理想，相反，縱波相比橫波有更好的信噪比。經(jīng)過(guò)一系列的對(duì)比、試驗(yàn)研究后確定新方案為：工藝配置四組探頭（1對(duì)相控陣探頭，1對(duì)TOFD探頭，1對(duì)爬波探頭，1對(duì)TRL探頭），探頭組可有效覆蓋焊縫的整個(gè)區(qū)域，并全部采用縱波一次波。探頭信息及覆蓋區(qū)域見表1。

圖3 焊縫區(qū)濾波器5MHz(3.1～7.5MHz)；脈沖寬度100ns;增益50dB.

表1 CRA 復(fù)合管AUT檢測(cè)工藝探頭信息及覆蓋區(qū)域

CRA復(fù)合管AUT工藝校準(zhǔn)試塊用于驗(yàn)證工藝的有效性、校準(zhǔn)系統(tǒng)。必須使用與檢測(cè)目標(biāo)一致的材料，并使用完全相同的焊接工藝焊接成焊縫，在焊縫上加工標(biāo)準(zhǔn)反射體。根據(jù)檢測(cè)區(qū)域的不同以及檢測(cè)方法的不同，反射體的設(shè)計(jì)方法也不同，如TOFD 通道應(yīng)設(shè)計(jì)槽型反射體，爬波通道應(yīng)在表面設(shè)計(jì)一定深度的槽型反射體，相控陣通道需要根據(jù)不同的區(qū)域設(shè)置深度不同，角度不同的反射體，主要以平底孔為主，每個(gè)分區(qū)的高度約為2.5mm。CRA 復(fù)合管的AUT 校準(zhǔn)試塊設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，其反射體的設(shè)置根據(jù)不同的材料及管線尺寸均會(huì)不同，這里不再詳細(xì)介紹。

文章中的聲學(xué)實(shí)驗(yàn)旨在測(cè)量CRA 復(fù)合管焊縫及母材區(qū)域的聲學(xué)特征，由于CRA 的材質(zhì)會(huì)有所差異，故該實(shí)驗(yàn)是非常有必要的，也是后續(xù)工作的基礎(chǔ)。隨著相控陣超聲波技術(shù)的發(fā)展，尤其是探頭制作工藝的進(jìn)步，其檢測(cè)方案呈現(xiàn)多元化的趨勢(shì)。最后AUT檢測(cè)工藝必須經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)定，確定其檢測(cè)能力并得到業(yè)主認(rèn)可后方能投入工程實(shí)踐。本文針對(duì)以上內(nèi)容并結(jié)合筆者多年的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)海底管道厚壁CRA管AUT檢測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用的存在的問(wèn)題進(jìn)行了研究探討，并給出了意見和方案，希望能夠?yàn)橐院蟮南嚓P(guān)研究提供一定的參考。