海底管道厚壁CRA管AUT检测技术研究与应用

张俊杰 吴员 赵明达（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

1 背景

CRA（耐蚀合金）复合管道主要用于输送含硫量较高的酸性介质，近年来随着国内及国际上海上油气开采范围的扩大、油气处理能力的提高、焊接工艺的进步，CRA 复合管道在海底管道及附属结构中的应用越来越广泛，但在CRA复合管线对接环焊缝的检测中，由于其结构的特殊性，常规的横波超声检测效果较差，射线检测成为主要的检测方法。

CRA复合管主要可以分为3个区域，分别是碳钢区域①，主要用于做背衬材料；焊缝区域②；堆焊区域③，如图1所示。

图1 CRA复合管焊缝结构示例

较碳钢焊缝，CRA 复合管焊缝更加复杂，主要表现在碳钢母材与CRA 堆焊层材料差异、碳钢母材与焊缝填充材料差异、CRA 堆焊层及填充材料本身的特殊性。传统的碳钢AUT 工艺主要采用横波检测，因为普通碳钢的晶粒组织为100微米级，对于一般用于检测超声波来说是均匀的、各项同性的，且晶粒对声波散射很低，检测效果较为理想。但对于不锈钢来说，其本身有晶粒粗大及显著的各项异性等特点，横波在其内部传播时，会产生很强的散射及衰减，从而导致检测信噪比很差，回波信号甚至湮没于噪声信号中，此外母材与填充材料及堆焊层材料之间的差异也会导致散射及衰减。

近年来，随着AUT技术的发展以及相关技术的研究不断成熟，AUT检测技术在CRA复合管道检测方面的研究已经取得重大进步，并得到了应用。本文主要针对AUT 检测技术在厚壁CRA 管对接环焊缝研究过程中的声学性能实验、方案设计、校准试块、工艺认证等方面进行了表述，并给出了具体的解决方案。

2 声学实验

2.1 TOFD（衍射时差法）声学性能试验

本试验旨在使用TOFD 方法，比较使用不同频率探头检测复合管焊缝区及其热影响区的效果，并在堆焊区做TOFD 检测作为对比，以提供数据支持。

本试验中，使用5MHz、10MHz、15MHz三种探头，60°楔块分别检测堆焊区及焊缝区，并将结果对比，计算PCS（探头中心间距）时模拟主声束打在2/3壁厚处。检测焊缝区时，两探头关于焊缝对称放置.另外，在堆焊区做相同实验作为对比，并注意使声束覆盖区域在堆焊区以内。（见图2、图3）

使用5MHz探头检时，在堆焊区的效果相对较好，可明显区分的出碳钢层、不锈钢层，其中碳钢层信噪比较好，不锈钢层信号较乱。10MHz探头信噪比较差，15MHz探头则基本无法区分底波信号跟噪声信号。

2.2 纵波衰减实验

本试验主要目的是测试纵波通过复合管焊缝的衰减程度，验证复合管纵波检测的可行性。试验的主要方法是使用5MHz/6mmTOFD探头做纵波一发一收设置，分别使用45°、60°、70°几个角度，调整增益分别使套管区、堆焊区、焊缝区波幅达到80%，记录增益值，比较堆焊区与焊缝区的衰减。

试验结果显示，纵波通过焊缝区域的衰减与通过堆焊层的衰减相比差值在7db以内,满足实现超声检测衰减在12dB 以内的要求。但45°声束的衰减相对比较严重，可能是由于焊缝根部不规则造成的。3 个角度通过母材区域时衰减均比较严重。堆焊区、焊缝区的回波在大部分位置是不锈钢底面回波，45°波在碳钢/不锈钢界面上的反射回波基本看不到，60°、70°一般会有波幅较小的界面回波，偶尔会出现碳钢/不锈钢界面回波比不锈钢底面波波幅高的情况。

3 方案设计

传统的碳钢AUT检测工艺以横波为主，并采用二次波及一次波结合的方式，但根据实验发现，横波的效果很不理想，相反，纵波相比横波有更好的信噪比。经过一系列的对比、试验研究后确定新方案为：工艺配置四组探头（1对相控阵探头，1对TOFD探头，1对爬波探头，1对TRL探头），探头组可有效覆盖焊缝的整个区域，并全部采用纵波一次波。探头信息及覆盖区域见表1。

图3 焊缝区滤波器5MHz(3.1～7.5MHz)；脉冲宽度100ns;增益50dB.

表1 CRA 复合管AUT检测工艺探头信息及覆盖区域

CRA复合管AUT工艺校准试块用于验证工艺的有效性、校准系统。必须使用与检测目标一致的材料，并使用完全相同的焊接工艺焊接成焊缝，在焊缝上加工标准反射体。根据检测区域的不同以及检测方法的不同，反射体的设计方法也不同，如TOFD 通道应设计槽型反射体，爬波通道应在表面设计一定深度的槽型反射体，相控阵通道需要根据不同的区域设置深度不同，角度不同的反射体，主要以平底孔为主，每个分区的高度约为2.5mm。CRA 复合管的AUT 校准试块设计是一个比较复杂的过程，其反射体的设置根据不同的材料及管线尺寸均会不同，这里不再详细介绍。

文章中的声学实验旨在测量CRA 复合管焊缝及母材区域的声学特征，由于CRA 的材质会有所差异，故该实验是非常有必要的，也是后续工作的基础。随着相控阵超声波技术的发展，尤其是探头制作工艺的进步，其检测方案呈现多元化的趋势。最后AUT检测工艺必须经过实验评定，确定其检测能力并得到业主认可后方能投入工程实践。本文针对以上内容并结合笔者多年的相关经验，对海底管道厚壁CRA管AUT检测技术研究与应用的存在的问题进行了研究探讨，并给出了意见和方案，希望能够为以后的相关研究提供一定的参考。