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海洋石油用不銹鋼管對(duì)接焊縫檢測(cè)
1. 技術(shù)背景
海洋石油管道由于長(zhǎng)期接觸海水,、微生物的腐蝕介質(zhì),，因而大量使用不銹鋼管作為平臺(tái)上使用的主要材質(zhì),。尤其是國(guó)外的海上項(xiàng)目，優(yōu)先考慮使用不銹鋼作為其主要結(jié)構(gòu)部件,。
奧氏體不銹鋼,，是指在常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼。鋼中含Cr約18%,、Ni 8%~10%,、C約0.1%時(shí)，具有穩(wěn)定的奧氏體組織,。奧氏體鉻鎳不銹鋼包括著名的18Cr-8Ni鋼和在此基礎(chǔ)上增加Cr,、Ni含量并加入Mo、Cu,、Si,、Nb、Ti等元素發(fā)展起來(lái)的高Cr-Ni系列鋼,。
在使用狀態(tài)基體組織為穩(wěn)定的奧氏體的不銹鋼,。具有很高的耐蝕性，良好的冷加工性和良好的韌性,、塑性,、焊接性和無(wú)磁性，但一般強(qiáng)度較低,。
雖然不銹鋼在使用特性上有許多優(yōu)點(diǎn),，但由于其材料本身的聲學(xué)高衰減特性和材料的各向異性，使其在檢測(cè)時(shí)造成了很大的困難,，主要影響如下：
- 由于各向異性造成不同聲束角度的聲速差
- 聲束在不銹鋼中,，特別是異種鋼焊縫中的傳播路徑會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)
- 不銹鋼對(duì)信號(hào)的衰減嚴(yán)重
- 不銹鋼中的信噪比通常較差
- 不銹鋼材質(zhì)對(duì)聲束的影響類似于低通濾波器
現(xiàn)有的檢測(cè)手段對(duì)于不銹鋼焊縫檢測(cè)有其弊端，比如常規(guī)超聲由于其聲衰減嚴(yán)重,，因而通常需要使用TRL雙晶縱波斜探頭進(jìn)行焊縫檢測(cè),，但常規(guī)TRL探頭也有其弊端，下面就是對(duì)比幾種技術(shù)在不銹鋼焊縫檢測(cè)中的使用效果,，可檢DMA雙晶縱波矩陣相控陣探頭,。
2. 設(shè)備組成
主機(jī)：Omniscan MX2 超聲相控陣儀器
探頭：DMA雙晶矩陣相控陣探頭
掃查器：鏈?zhǔn)綊卟槠?/p>
試塊：直徑273mm，壁厚25.4mm,，雙向不銹鋼
其中DMA是指雙晶矩陣相控陣探頭，其結(jié)構(gòu)示意圖如下。兩個(gè)分體的探頭都為矩陣式晶片排布,，不同于常規(guī)的線陣相控陣探頭,。同時(shí)這兩個(gè)分體的探頭，一邊發(fā)射,，另外一邊接收,，通過(guò)這種一發(fā)一收的方式提高信噪比。
3. 檢測(cè)結(jié)果
3.1 DMA檢測(cè)結(jié)果
由下圖的A,、B,、C、S掃描視圖中都可以清晰看到3/4T深度上的靠近探頭一側(cè)坡口上的橫通孔信號(hào),，且缺陷信號(hào)的信噪比非常高,。缺陷長(zhǎng)度25.57mm，缺陷深度20.49mm,。
由下圖的A,、B、C,、S掃描視圖中都可以清晰看到1/4T深度上的焊縫中間位置上的橫通孔信號(hào),，且缺陷信號(hào)的信噪比非常高。缺陷長(zhǎng)度23.35mm,，缺陷深度9.45mm,。
由下圖的A、B,、C,、S掃描視圖中都可以清晰看到根部靠近探頭一側(cè)的刻槽缺陷，且缺陷信號(hào)的信噪比非常高,。缺陷長(zhǎng)度25.01mm,，缺陷深度24.40mm。
由下圖的A,、B,、C、S掃描視圖中都可以清晰看到3/4T深度上中間位置的橫通孔信號(hào),，且缺陷信號(hào)的信噪比非常高,。缺陷長(zhǎng)度23.90mm，缺陷深度22.12mm,。
由下圖的A,、B、C,、S掃描視圖中都可以清晰看到1/4T深度上的靠近探頭一側(cè)坡口上的橫通孔信號(hào),，且缺陷信號(hào)的信噪比非常高,。缺陷長(zhǎng)度20.01mm，缺陷深度9.90mm,。
由下圖的A,、B、C,、S掃描視圖中都可以清晰看到1/4T深度上中間位置的橫通孔信號(hào),，且缺陷信號(hào)的信噪比非常高。缺陷長(zhǎng)度13.90mm,，缺陷深度2.29mm,。
由下圖的A、B,、C,、S掃描視圖中都可以清晰看到靠近探頭一側(cè)上表面的刻槽信號(hào)，且缺陷信號(hào)的信噪比非常高,。缺陷長(zhǎng)度15.01mm,，缺陷深度1mm。
由下圖的A,、B,、C、S掃描視圖中都可以清晰看到1/4T深度上的靠近探頭一側(cè)坡口上的橫通孔信號(hào),，且缺陷信號(hào)的信噪比非常高,。缺陷長(zhǎng)度23.35mm，缺陷深度7.69mm,。
綜合上面檢測(cè)結(jié)果,，統(tǒng)計(jì)缺陷長(zhǎng)度和缺陷深度偏差如下：
由上面統(tǒng)計(jì)可見(jiàn)，缺陷深度測(cè)量偏差比較小,，而缺陷長(zhǎng)度測(cè)量偏差在淺層缺陷測(cè)量上存在一定偏差,，而對(duì)于中間和下層的缺陷測(cè)量偏差較小。
真實(shí)不銹鋼中缺陷的檢測(cè)結(jié)果如下,，缺陷長(zhǎng)度33.10mm,，缺陷深度15.46mm，初步判斷為夾渣類缺陷,。
下圖是檢測(cè)不銹鋼X型坡口焊縫上一個(gè)側(cè)壁未融合類的缺陷檢測(cè)結(jié)果,，由圖中信號(hào)可以看出，信噪比還是非常理想的,。
3.2 相控陣常規(guī)線陣探頭橫波檢測(cè)結(jié)果
檢測(cè)對(duì)象為10 inch直徑,，壁厚18.09mm的雙向不銹鋼管，試塊上同樣做了不同位置的橫孔和刻槽缺陷,，其中包括上表面的刻槽缺陷,。
使用低頻線陣探頭和橫波楔塊對(duì)其進(jìn)行檢測(cè),，檢測(cè)結(jié)果如下?？梢?jiàn)在該檢測(cè)結(jié)果中,，只能發(fā)現(xiàn)二次波打到的上表面刻槽和一次波打到的根部刻槽兩個(gè)缺陷,，而對(duì)焊縫內(nèi)容其他缺陷無(wú)法檢出,。而且上表面和根部刻槽缺陷的位置全部出現(xiàn)在厚度中間位置，也表明橫波的定位偏差較大,。
總結(jié)橫波檢測(cè)不銹鋼的難點(diǎn)：
- 橫波可以部分檢測(cè)不銹鋼焊縫坡口和熱影響區(qū)內(nèi)缺陷,，而缺陷內(nèi)部的缺陷使用橫波很難發(fā)現(xiàn)。
- 橫波檢測(cè)不銹鋼定位偏差較大,。
- 橫波檢測(cè)的信噪比也相對(duì)較低,。
3.3 TOFD不銹鋼檢測(cè)
由下圖可見(jiàn)，使用TOFD技術(shù)檢測(cè)不銹鋼材質(zhì)焊縫,，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)晶粒噪音非常大,，因而TOFD技術(shù)不適合檢測(cè)不銹鋼類粗晶材料。
4． 檢測(cè)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)
總結(jié)大量海洋石油用不銹鋼檢測(cè)技術(shù),，其中的主要關(guān)鍵點(diǎn)包括：
- DMA雙晶矩陣相控陣探頭及縱波檢測(cè)技術(shù),，提高信噪比
- 使用雙組設(shè)置，一組覆蓋根部及中部區(qū)域,，另外一組覆蓋上表面區(qū)域
- 可以嘗試使用半聲程聚焦,，以提高焊縫內(nèi)聚焦能力和檢測(cè)靈敏度
- 使用弧形閘門(mén)，以排除焊縫外的變形波干擾
- 316不銹鋼比304不銹鋼衰減嚴(yán)重
- 焊縫位置與母材位置衰減嚴(yán)重
5. 檢測(cè)技術(shù)難點(diǎn)
管對(duì)法蘭或彎頭工件,，且部分難穿透不銹鋼焊縫坡口對(duì)側(cè)上表面區(qū)域的缺陷覆蓋
原因如下：
- 由于法蘭或彎頭的存在,，無(wú)法雙側(cè)放置探頭
- 無(wú)法或不愿意打磨焊縫余高
- 縱波檢測(cè)只能使用一次波
- 相控陣偏轉(zhuǎn)角大于80度后變?yōu)榕啦ǎ啦ㄔ诓煌缚p中的傳輸距離不同
可能的解決方案：
- 柔性渦流陣列探頭,，帶提離補(bǔ)償功能
- 柔性超聲相控陣探頭
6. 結(jié)論
使用超聲相控陣技術(shù)結(jié)合DMA（雙晶矩陣相控陣）探頭,，可以有效檢測(cè)出不銹鋼焊縫中不同位置的缺陷，且缺陷信號(hào)的信噪比較高,，克服了常規(guī)不銹鋼檢測(cè)中信噪比偏低的不足,。
而且從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出由于使用的是雙晶矩陣探頭，大大提高了近表面缺陷的分辨率,，甚至可以使用一次波檢出近表面的刻槽缺陷,。這樣就克服了由于縱波無(wú)法使用二次波而造成的近表面盲區(qū)較大的問(wèn)題。
我們還使用DMA探頭對(duì)其他不同材質(zhì)的工件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),，得到的結(jié)果表明,，SS304和雙相不銹鋼類焊縫檢測(cè)信噪比較高，而SS316不銹鋼焊縫的信噪比相對(duì)較低,，有時(shí)需要更低頻率的探頭進(jìn)行檢測(cè),。