海洋石油用不锈钢管对接焊缝检测

1. 技术背景

海洋石油管道由于长期接触海水、微生物的腐蚀介质，因而大量使用不锈钢管作为平台上使用的主要材质。尤其是国外的海上项目，优先考虑使用不锈钢作为其主要结构部件。

奥氏体不锈钢，是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni 8%~10%、C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。

在使用状态基体组织为稳定的奥氏体的不锈钢。具有很高的耐蚀性，良好的冷加工性和良好的韧性、塑性、焊接性和无磁性，但一般强度较低。

虽然不锈钢在使用特性上有许多优点，但由于其材料本身的声学高衰减特性和材料的各向异性，使其在检测时造成了很大的困难，主要影响如下：

• 由于各向异性造成不同声束角度的声速差
• 声束在不锈钢中，特别是异种钢焊缝中的传播路径会发生偏转
• 不锈钢对信号的衰减严重
• 不锈钢中的信噪比通常较差
• 不锈钢材质对声束的影响类似于低通滤波器

现有的检测手段对于不锈钢焊缝检测有其弊端，比如常规超声由于其声衰减严重，因而通常需要使用TRL双晶纵波斜探头进行焊缝检测，但常规TRL探头也有其弊端，下面就是对比几种技术在不锈钢焊缝检测中的使用效果，可检DMA双晶纵波矩阵相控阵探头。

2. 设备组成

主机：Omniscan MX2 超声相控阵仪器

探头：DMA双晶矩阵相控阵探头

扫查器：链式扫查器

试块：直径273mm，壁厚25.4mm，双向不锈钢

其中DMA是指双晶矩阵相控阵探头，其结构示意图如下。两个分体的探头都为矩阵式晶片排布，不同于常规的线阵相控阵探头。同时这两个分体的探头，一边发射，另外一边接收，通过这种一发一收的方式提高信噪比。

3. 检测结果

3.1 DMA检测结果

由下图的A、B、C、S扫描视图中都可以清晰看到3/4T深度上的靠近探头一侧坡口上的横通孔信号，且缺陷信号的信噪比非常高。缺陷长度25.57mm，缺陷深度20.49mm。

由下图的A、B、C、S扫描视图中都可以清晰看到1/4T深度上的焊缝中间位置上的横通孔信号，且缺陷信号的信噪比非常高。缺陷长度23.35mm，缺陷深度9.45mm。

由下图的A、B、C、S扫描视图中都可以清晰看到根部靠近探头一侧的刻槽缺陷，且缺陷信号的信噪比非常高。缺陷长度25.01mm，缺陷深度24.40mm。

由下图的A、B、C、S扫描视图中都可以清晰看到3/4T深度上中间位置的横通孔信号，且缺陷信号的信噪比非常高。缺陷长度23.90mm，缺陷深度22.12mm。

由下图的A、B、C、S扫描视图中都可以清晰看到1/4T深度上的靠近探头一侧坡口上的横通孔信号，且缺陷信号的信噪比非常高。缺陷长度20.01mm，缺陷深度9.90mm。

由下图的A、B、C、S扫描视图中都可以清晰看到1/4T深度上中间位置的横通孔信号，且缺陷信号的信噪比非常高。缺陷长度13.90mm，缺陷深度2.29mm。

由下图的A、B、C、S扫描视图中都可以清晰看到靠近探头一侧上表面的刻槽信号，且缺陷信号的信噪比非常高。缺陷长度15.01mm，缺陷深度1mm。

由下图的A、B、C、S扫描视图中都可以清晰看到1/4T深度上的靠近探头一侧坡口上的横通孔信号，且缺陷信号的信噪比非常高。缺陷长度23.35mm，缺陷深度7.69mm。

综合上面检测结果，统计缺陷长度和缺陷深度偏差如下：

由上面统计可见，缺陷深度测量偏差比较小，而缺陷长度测量偏差在浅层缺陷测量上存在一定偏差，而对于中间和下层的缺陷测量偏差较小。

真实不锈钢中缺陷的检测结果如下，缺陷长度33.10mm，缺陷深度15.46mm，初步判断为夹渣类缺陷。

下图是检测不锈钢X型坡口焊缝上一个侧壁未融合类的缺陷检测结果，由图中信号可以看出，信噪比还是非常理想的。

3.2 相控阵常规线阵探头横波检测结果

检测对象为10 inch直径，壁厚18.09mm的双向不锈钢管，试块上同样做了不同位置的横孔和刻槽缺陷，其中包括上表面的刻槽缺陷。

使用低频线阵探头和横波楔块对其进行检测，检测结果如下。可见在该检测结果中，只能发现二次波打到的上表面刻槽和一次波打到的根部刻槽两个缺陷，而对焊缝内容其他缺陷无法检出。而且上表面和根部刻槽缺陷的位置全部出现在厚度中间位置，也表明横波的定位偏差较大。

总结横波检测不锈钢的难点：

• 横波可以部分检测不锈钢焊缝坡口和热影响区内缺陷，而缺陷内部的缺陷使用横波很难发现。
• 横波检测不锈钢定位偏差较大。
• 横波检测的信噪比也相对较低。

3.3 TOFD不锈钢检测

由下图可见，使用TOFD技术检测不锈钢材质焊缝，内部的结构晶粒噪音非常大，因而TOFD技术不适合检测不锈钢类粗晶材料。

4． 检测技术关键点

总结大量海洋石油用不锈钢检测技术，其中的主要关键点包括：

• DMA双晶矩阵相控阵探头及纵波检测技术，提高信噪比
• 使用双组设置，一组覆盖根部及中部区域，另外一组覆盖上表面区域
• 可以尝试使用半声程聚焦，以提高焊缝内聚焦能力和检测灵敏度
• 使用弧形闸门，以排除焊缝外的变形波干扰
• 316不锈钢比304不锈钢衰减严重
• 焊缝位置与母材位置衰减严重

5. 检测技术难点

管对法兰或弯头工件，且部分难穿透不锈钢焊缝坡口对侧上表面区域的缺陷覆盖

原因如下：

• 由于法兰或弯头的存在，无法双侧放置探头
• 无法或不愿意打磨焊缝余高
• 纵波检测只能使用一次波
• 相控阵偏转角大于80度后变为爬波，而爬波在不同焊缝中的传输距离不同

可能的解决方案：

• 柔性涡流阵列探头，带提离补偿功能
• 柔性超声相控阵探头

6. 结论

使用超声相控阵技术结合DMA（双晶矩阵相控阵）探头，可以有效检测出不锈钢焊缝中不同位置的缺陷，且缺陷信号的信噪比较高，克服了常规不锈钢检测中信噪比偏低的不足。

而且从实验结果中可以看出由于使用的是双晶矩阵探头，大大提高了近表面缺陷的分辨率，甚至可以使用一次波检出近表面的刻槽缺陷。这样就克服了由于纵波无法使用二次波而造成的近表面盲区较大的问题。

我们还使用DMA探头对其他不同材质的工件进行了实验，得到的结果表明，SS304和双相不锈钢类焊缝检测信噪比较高，而SS316不锈钢焊缝的信噪比相对较低，有时需要更低频率的探头进行检测。