导管架水下结构焊缝常规清理和检测方法

薛 方* 陈 勇 张大伟 张 宇 王慧斌

（海洋石油工程股份有限公司）

0 引言

随着海洋石油行业高速发展，海上石油生产设施越来越多，为了保证设施安全运行，需要按照一定的周期和频率对海上结构进行定期的详细检查和例行年检，从而了解和掌握海上结构物当前或随机状态及其发展趋势，并提供安全性评估数据，以便开展例行的维护和必要的维修。

水下结构焊缝的完好性是影响水下结构安全的重要因素，因此水下结构焊缝检测是检测中的重要项目。目前通常的做法是对水下结构焊缝进行II类目视检测和无损探伤检测，通过这两种手段确定焊缝有无缺陷，并根据检测结果进行评估和计算，进而给出对应的处理方法。

水下结构焊缝检测前需对焊缝表面的海洋生物进行清理，焊缝表面清理的光洁程度会对后续的检测产生直接影响，需依据不同的焊缝检测方法、检测焊缝作业环境及海洋生物的类型，采用不同的方法清理焊缝。

1 焊缝前期表面处理阶段

由于水下结构物长时间处在海洋环境中，海洋生物会不断附着在水下结构的表面并生长，因此在检查水下结构焊缝表面之前需要将影响检查的海洋生物清除干净。目前焊缝的清理方法主要有手动工具清理、高压水射流清理、空化射流清理、液压打磨以及水下喷砂方法等。

1.1 手动工具清理方法

手动工具清理主要使用铲刀、刮刀等将焊缝表面的海生物清理干净，该方法在渤海湾使用较为普遍，主要由于渤海湾水下能见度较低，部分海区的水下能见度在条件较好的情况下也不足0.5 m，因此，高压水射流等高压设备的水下使用安全隐患较大，为了保证潜水员的人身安全，避免发生安全事故，只能使用铲刀、刮刀等手动工具进行清理。但使用手动工具清理焊缝表面海生物的方法缺点较多：（1）清理效率较低，且表面有一定的残留物；（2）清理过程中，由于海洋生物附着力较大，潜水员在清理过程中的力度不好控制，很容易在焊缝表面留下划痕，这些划痕会对焊缝后期的无损检测造成较大干扰，影响检测人员的判断，且很容易被认为是焊缝缺陷。因此在使用手动工具清理焊缝表面海生物时，一般使用较大的铲刀将表面大量的海洋生物清理干净，再使用小刮刀逐步将焊缝表面海洋生物清除，减少和避免铲刀对焊缝表面的损伤，如图1所示。

图1 潜水员使用手动工具清理海洋生物

1.2 高压水射流清理技术

使用高压水射流技术清理焊缝表面海洋生物时，一般应尽可能选择水下能见度高的海域，目前国内东海部分海域及南海海域海上设施的水下结构表面海洋生物清理一般选用该方法。高压水射流技术是水通过高压水泵再经喷嘴小孔后形成高速的高能量射流束，这种射流具有强大的动能，射流束对材料表面产生的冲击力大于附着物的附着力时，就可清除设施表面的附着物。高压水射流设备在运行时的喷射压力通常为68 947～137 895 kPa，当其压力超过137 895 kPa就可以切割钢铁类材料，所以风险较高。当其用于清理海洋生物时，压力一般控制在48 263～75 842 kPa[1]。高压水射流虽然清理效率较高，清理效果较好，但由于其压力也高，在水下能见度较低的海域工作时，安全隐患较大，如果使用不当，可能会对潜水员身体造成伤害，如图2所示。同时，高压水射流也很难将焊缝表面的锈蚀点清理干净。

图2 潜水员使用高压水枪清理节点焊缝

1.3 空化射流清理技术

空化射流清理技术是将空化作用引入水射流技术中而形成的新型水下设施清洗技术。通过控制压力、流速等参数使水流束经过空化喷嘴时产生大量的空化泡，利用空化泡在材料表面的狭小区域内溃灭产生高达140～170 MPa 的微射流冲击待清理表面[2]，达到清理设施表面附着物和污垢层的目的。空化射流设备在运行时的喷射压力通常为25 510 kPa，喷射的介质为空化气泡，使用过程中枪嘴与潜水员身体直接接触，潜水员能感觉到疼痛，但对身体无伤害。但由于空化泡溃灭瞬时产生的强压力脉冲部分会被海水吸收，导致空化射流的冲蚀能力降低，且空化射流清理设备需要将工作压力控制在25 510 kPa左右，才能产生稳定的空化射流，压力过低将导致空化泡数不足，压力过高又将导致空化泡溃灭时产生的强压力脉冲互相抵消。根据实践经验，空化射流对软质海洋生物的清理效果较好，但对硬质海洋生物的清理效果差，如图3所示，而焊缝表面的海洋生物大多为硬质海洋生物，在国内导管架水下结构焊缝检测中，较少使用该方法清理焊缝表面海洋生物。

图3 使用空化射流清理水下结构表面海洋生物

1.4 液压打磨清理技术

液压打磨清理技术是在焊缝表面大量海洋生物清理完成后，再使用液压打磨刷对焊缝表面残留的海洋生物进行清理，一般使用硬质的打磨头进行清理，软质的打磨刷（如钢丝刷等）清理效果较差，无法将残留的硬质海洋生物清理完全。使用水下磁粉对焊缝进行检测时，对焊缝表面的光洁度要求较高，一般使用该方法对焊缝进行进一步打磨处理，如图4所示。该方法相对安全可靠，但由于液压打磨刷体积较大，无法对导管架的桩腿和杆件之间焊缝的狭小区域进行清理，该区域需要采用高压水枪或其他工具进行清理，同时使用液压打磨机，若压力过大，会将焊缝表面的金属打磨掉，损伤水下结构，同时会造成应力集中，提高形成裂纹的风险。

图4 水下液压打磨机

1.5 水下喷砂清理技术

该方法在国内应用较少，目前仅在LF7-2项目前期检测中使用过。该方法是将水上的喷砂处理技术应用在水下，该技术将水和砂混合，通过高压泵控制其输出压力，使形成的水砂混合高速射流喷在焊缝表面，利用砂粒对焊缝的作用力将焊缝表面的海洋生物清理干净，如图5所示。该方法综合了高压水射流技术和液压打磨清理技术的优点，可以将焊缝狭小区域的海洋生物清理干净，并将焊道中锈蚀点打磨掉，且焊缝表面不会出现打磨不均匀而造成的应力集中，并且其光洁度满足水下磁粉检测对于焊缝清理的要求。但使用水下喷砂技术的成本太高，因此目前采用该技术清理焊缝表面海洋生物的情况较少。

图5 使用水下喷砂清理焊缝表面海洋生物

1.6 几种清理技术的优缺点对比分析

几种清理技术的优缺点对比分析可见表1。

表1 几种清理技术的优缺点对比分析

通过对比后发现，这几种清理技术各有优缺点，在清理导管架焊缝时，可以根据项目情况、环境情况及检测方法的要求合理选取适用的方法或将几种方法结合，从而为后续的焊缝检测做好准备工作。

2 检测实施阶段

焊缝前期处理完成后，应对焊缝进行检测，主要包括II类检测和无损检测。

2.1 焊缝II类检测

II类检测是在清理表面海洋生物后进行的近距离目视检测，一般可借助于皮尺、量具等简单的测量工具。焊缝II类检测首先将焊缝沿圆周分为12个时钟点，潜水员沿时钟点位对焊缝进行近距离目视检查，检查过程中要甄别焊缝上是否有开裂或裂纹、气孔、锈蚀、夹渣、划痕等异常情况，同时要注意检测焊缝3点和9点处位置，一般杆件制造后会留下焊接横向焊缝。在对焊缝进行II类目视检测时，潜水员进行检查同时还应口述检查情况，对于出现异常的情况，潜水监督要及时记录，潜水员使用皮尺等工具进行测量并拍照或录像。同时为了确保检测规范化，测量均应放置标牌，注明平台名称、构件名称、水深、检查日期等，并照相记录。

2.2 焊缝无损检测

导管架水下结构焊缝无损检测主要为水下磁粉检测和ACFM检测两种方式。

2.2.1 节点焊缝水下磁粉检测

水下磁粉检测是利用漏磁场与磁粉检测铁磁材料表面和近表面不连续的一种无损检测方法。为了确保在水下黑暗环境中对磁痕进行有效的观察和评定，目前水下磁粉检测主要采用荧光磁粉探伤方法。在有足够白光光源的情况下，也可以使用非荧光磁粉探伤方法。水下磁粉检测步骤主要包括清理焊缝检测区域表面，选择磁化方法灵敏度校准，磁化与观察，验证缺陷及退磁。

2.2.2 节点焊缝水下ACFM检测

水 下ACFM（Alternating current field measurement）是利用电磁感应原理检测工件的缺陷裂纹，通过磁轭产生原磁场在金属板表面产生电流，通过霍尔效应传感器来检测次级磁场变化情况。如果工件没有缺陷，则交流电流会在表面产生均匀的磁场。如果表面存在缺陷，缺陷将干扰电流，使缺陷周围的磁场发生变化，ACFM探头中的传感器测量到磁场变化后再判断缺陷。

ACFM检测技术可测量表面裂纹的长度，并计算裂纹深度，其检测方法为非接触式[2]，可透过非导电涂层检测出细微表面的断裂缺陷（一般涂层厚度不超过5 mm），无论该覆盖层是油漆层或是其他物质（如海洋生物根部钙质层），该检测技术依然可以正常实施，无需清理至金属层裸露，同时可检测深度范围为0～30 mm的缺陷，对于缺陷深度超过30 mm的缺陷，ACFM检测设备只能测量出缺陷的长度，但无法测量其深度。

2.2.3 水下磁粉检测和ACFM检测的对比分析

水下磁粉检测和ACFM检测对比分析可见表2。通过对比发现，ACFM检测技术在检测效果和效率方面明显优于水下磁粉技术，正是由于其具有便捷、高效的优点，自产品面世后，被广泛应用于水上、水下的焊缝检测工作中，但水下磁粉技术可以直观地显示裂纹在焊缝表面的走向，通常被用来验证ACFM检测中发现的缺陷，在缺陷进行打磨处理时也会以辅助裂纹打磨处理。

表2 水下磁粉检测和ACFM检测对比分析

3 结论

在焊缝表面海洋生物清理和焊缝检测过程中，需要根据焊缝表面的海洋生物种类、作业环境的可见度等因素选择恰当的方法来完成焊缝表面的前期处理。在检测实施阶段目前一般采用ACFM检测技术进行焊缝检测，但也可以结合水下磁粉检测进行相互验证。文中对导管架水下结构焊缝检测的前期焊缝表面处理、焊缝的检测的实施过程中的不同方法的原理、注意事项进行了论述，并对这些方法的优缺点进行了比较，希望能够为后续导管架水下结构焊缝表面海洋生物的清理和焊缝检测提供参考。