相控阵超声检测技术在海洋工程小径管对接焊缝检验中的实践研究

韦 迪

（湛江中海石油检测工程有限公司 广东 湛江 524057）

1 引言

在当前社会与经济快速发展的背景下，海洋工程建设质量要求越来越高，并且工程建设的施工环节也越来越多。这就导致在进行小口径管道对接焊缝检验时，传统检测技术应用无法发挥自身作用价值，并且部分检测技术应用还会对人体带来伤害。所以有关部门为了提高工作合理性与有效性，就开始结合实际情况利用现代化技术进行检验，即相控阵超声检测技术。

2 小径管检验特点及传统检测技术缺点

2.1 小径管检验特点

通过对小径管检验工作的总结分析可以了解到，这一检验方式存在以下特点，首先是在检验过程中需要对多条焊接缝进行检验，其次就是在检验过程中由于管材排布较为密集，所以检验空间十分有限，同时很多管件都无法移动。检验过程中大部分被检测对象采用的都是管对管焊接方式，部分管件在焊接时会出现弯曲部位焊接的情况。最后就是不同管材的壁厚、材质、管径等存在明显差异[1]。

2.2 传统检测技术的缺点

当前小径管检验所应用的检测技术为相控阵超声检测技术，但是在这一检测技术尚未推行前，小径管检验所应用的检测技术主要是射线技术以及常规超声技术，本段就对这两种检验技术进行总结分析。首先是射线技术，这一技术在应用过程中会出现以下3点问题：（1）在检测过程中因为部分检测位置平行于照射方向，所以就会出现无法检测的情况，并且在检测过程中还无法测量垂直方向的缺陷尺寸。（2）在检测过程中，最终结果准确度会受到底片评定人员的主观意识影响。（3）在技术应用过程中由于射线与环境的问题，操作人员会受到辐射照射的伤害，在躲避伤害的同时检测效率会大大降低。常规超声检测技术应用过程中会出现以下4点问题：（1）在应用过程中会受到检测空间限制；（2）检测方式的检测效率无法保障；（3）检测结果无法得到有效储存；（4）检测结果受人为因素影响会出现准确度偏差。

3 相控阵超声波小径管检测的难点

3.1 材料壁厚的影响

一般情况下小径管的管壁比较薄并且焊缝很宽，在实际检测过程中经常会出现因为壁厚在8 mm以下时对声束到达小径管炸根部分后由于角度偏大使得声束严重散射的情况，同时也会导致回拨游动范围变大。不仅如此，在检测过程中因为一次声波的波程较短，所以就会给近场区内检测的定量与定位带来影响，最终直接影响到检测工作的可靠性。

3.2 曲率半径影响

在实际检测过程中，曲率半径的大小会直接影响到技术应用合理性，若是曲率半径过小，就会导致探头检测接触面受到限制，最终造成曲面耦合盛能损失加大的问题。与此同时，在检测过程中还会出现超声横波在小径管内表面反射后出现发散问题，同时检测灵敏度也会随之降低，最终给检测工作带来影响[2]。

3.3 现场工况复杂

由于工程建设过程中管材的排布十分密集，再加上不同管材的材质与规格存在明显差异，所以很多焊接处所利用的焊接工艺也各不相同，这也为控阵超声检测工作带来了影响。

4 工艺设计及仿真

在当前海洋工程建设过程中，有关部门在对小径管对接接头进行检测时，经常会利用聚焦换能器进行检测，以通过这样的方式来保证信噪比，同时还可以在一定程度上提高检测信号质量。其实际应用就是通过超声换能器将聚焦点放置在需要进行检测的区域与深度，进而有效提高该检测点的超声信号质量。相控阵超声检测技术的应用目的就是通过对阵列探头不同单元的发射与接收声波给予不同发射电压幅度的过程，在运行过程中可以对声波束进行移动、偏转、聚焦等操作。并且在应用过程中还可以有效利用仪器对参数进行设置，通过这样的方式来调整焦点深度，同时还可以通过单探头进行多角度检测，这样就可以保证在检测过程中尽可能多地覆盖需要检测的焊缝。在技术应用过程中一定要对工程实际情况进行总结分析，因为海洋工程所应用的小径管材壁很薄，再加上管材的管径小，所以在利用相控阵超声检测技术进行检验前就需要对实际情况进行总结分析。为了提高检验结果准确性，就需要利用高频探头，仿真时应用的探头模型为10L32-A1型探头。为了保证耦合度得到提升，在楔块选择时一定要尽可能选择曲率半径与检测管件曲率半径一致的楔块，避免出现应用平面楔块的问题，通过这样的方式来降低耦合损失。与此同时，在检测过程中探头前沿长度也会直接对声束以及检测覆盖面带来影响，所以若要有效提高检测合理性，就需要应用短前沿楔块。

4.1 声束覆盖设计

在进行声束覆盖设计前一定要对所要检测的管材数据进行总结分析，那么本段就距离某海洋工程建设管材数据进行声束覆盖设计。该管材的壁厚为6.5 mm、管径为141 mm，其焊缝外表面的宽度为20 mm，管材坡口为单V型，坡口的间隙为6 mm[3]。在仿真检测过程中需要在楔块前沿距焊缝中心12 mm的位置利用相控阵超声检测技术开展扇形扫描。在扫描时的大角度波束覆盖焊缝区，波束角度为40°～73°，以保证焊缝根部能够一次完成检测，该焊缝的上部属于二次检测区域。在利用仿真检测后可以清楚地了解到焊缝单侧扫查过程中，因为焊缝上部属于二次覆盖区域，所以在检测过程中若是出现地面余高的情况，就会导致余高部门出现二次波方向控制问题，使得二次波的覆盖区域被压缩。在该检测过程中，有关部门为了保证焊接接头能够降低检测盲区出现的问题，就利用双侧扫查的方式进行全面覆盖。

4.2 缺陷仿真计算

通过对管材焊接接头结构与声束覆盖设计的总体可以了解到，管道模型共出现了10个人工缺陷，并且在模拟过程中还了解到缺陷的类型，通过对表1进行分析就可以了解到详细缺陷问题。因为在检测过程中应用的是两侧对称扫查方式，所以一般情况下的缺陷设置都是以焊接右侧扫查结果为准[4]，见表2、表3。

表1 模拟缺陷列表

表2 焊接右侧扫查模拟缺陷计算结果 单位：dB

表3 焊缝左侧扫查模拟缺陷计算结果 单位：dB

通过以上数据图表可以了解到，因为焊接上部需要利用二次波进行检测，所以就可以有效检测出同侧坡口位置的未熔合缺陷，但是对策坡口位置存在的未熔合缺陷就会因为在检测过程中应用平面矩形模型以及焊接缝角度走向问题，使得其反射回波的波幅过低[5]。虽然在检测过程中探头能够将对侧裂缝检测出来，但是因为仿真计算过程中没有对管件表面反射信号进行计算，所以才会导致反射回波波幅低的问题，因此就需要利用实验进行验证。通过最终总结分析可以了解到，利用双侧扫查的方式可以将整个焊缝检测区域覆盖，并且在检测过程中还可以检出焊缝各方向缺陷。

5 检测实验

为了保证数据的准确性，并将相控阵超声检测技术作用价值充分展现出来，本段就对某海洋工程深水钻井船管道式样进行总结分析。该工程所应用管材直径141 mm，壁厚6.5 mm，材质为4106 B，坡口为单V型，应用的焊接方式为钨极惰性气体保护焊。在检测过程中应用了OLYMPUS相控阵超声主机：配备的检测系统是FocusLT（64/128）。应用这一系统的主要原因是因为该系统具备64个独立通道以供发射与接收。在楔块选择前还专门进行了仿真设计，通过设计结果设计出了短前沿楔块，通过这样的方式将波束合理利用起来，同时保证焊接检测能够完全覆盖。与此同时，在检测设计过程中还定制了小径管专用扫查架，扫查架应用后可以保证整个检测过程平稳运行，同时还可以使探头与焊接中心线保持固定距离[6]。为了保证设备能够满足检查需求，还专门设计了可以调动的磁轮、探头、编码器。通过实际检测可以了解到，相控阵超声检测可以有效对缺陷进行定位，同时缺陷检出长度要大于射线检测。相控阵超声检测还可以有效检测出缺陷的埋藏深度，还可以对根部缺陷进行判断。

6 结语

综上所述，可知相控阵超声检测技术在海洋工程小径管对接焊缝检验中应用的优势。那么在发展过程中，就需要加大对这一技术的应用，通过这样的方式来提高检验工作合理性与有效性，进而有效提高海洋工程建设合理性与有效性。