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海洋石油用不銹鋼管對接焊縫檢測
1. 技術(shù)背景
海洋石油管道由于長期接觸海水、微生物的腐蝕介質(zhì)，因而大量使用不銹鋼管作為平臺上使用的主要材質(zhì)。尤其是國外的海上項目，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，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、焊接性和無磁性，但一般強度較低。
雖然不銹鋼在使用特性上有許多優(yōu)點，但由于其材料本身的聲學高衰減特性和材料的各向異性，使其在檢測時造成了很大的困難，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發(fā)生偏轉(zhuǎn)
- 不銹鋼對信號的衰減嚴重
- 不銹鋼中的信噪比通常較差
- 不銹鋼材質(zhì)對聲束的影響類似于低通濾波器
現(xiàn)有的檢測手段對于不銹鋼焊縫檢測有其弊端，比如常規(guī)超聲由于其聲衰減嚴重，因而通常需要使用TRL雙晶縱波斜探頭進行焊縫檢測，但常規(guī)TRL探頭也有其弊端，下面就是對比幾種技術(shù)在不銹鋼焊縫檢測中的使用效果，可檢DMA雙晶縱波矩陣相控陣探頭。
2. 設(shè)備組成
主機：Omniscan MX2 超聲相控陣儀器
探頭：DMA雙晶矩陣相控陣探頭
掃查器：鏈式掃查器
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。同時這兩個分體的探頭，一邊發(fā)射，另外一邊接收，通過這種一發(fā)一收的方式提高信噪比。
3. 檢測結(jié)果
3.1 DMA檢測結(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，且缺陷信號的信噪比非常高。缺陷長度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，且缺陷信號的信噪比非常高。缺陷長度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，且缺陷信號的信噪比非常高。缺陷長度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，且缺陷信號的信噪比非常高。缺陷長度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，且缺陷信號的信噪比非常高。缺陷長度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，且缺陷信號的信噪比非常高。缺陷長度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，且缺陷信號的信噪比非常高。缺陷長度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，且缺陷信號的信噪比非常高。缺陷長度23.35mm，缺陷深度7.69mm。
綜合上面檢測結(jié)果，統(tǒng)計缺陷長度和缺陷深度偏差如下：
由上面統(tǒng)計可見，缺陷深度測量偏差比較小，而缺陷長度測量偏差在淺層缺陷測量上存在一定偏差，而對于中間和下層的缺陷測量偏差較小。
真實不銹鋼中缺陷的檢測結(jié)果如下，缺陷長度33.10mm，缺陷深度15.46mm，初步判斷為夾渣類缺陷。
下圖是檢測不銹鋼X型坡口焊縫上一個側(cè)壁未融合類的缺陷檢測結(jié)果，由圖中信號可以看出，信噪比還是非常理想的。
3.2 相控陣常規(guī)線陣探頭橫波檢測結(jié)果
檢測對象為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其進行檢測，檢測結(jié)果如下。可見在該檢測結(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缺陷，而對焊縫內(nèi)容其他缺陷無法檢出。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)橫波檢測不銹鋼的難點：
- 橫波可以部分檢測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)。
- 橫波檢測不銹鋼定位偏差較大。
- 橫波檢測的信噪比也相對較低。
3.3 TOFD不銹鋼檢測
由下圖可見，使用TOFD技術(shù)檢測不銹鋼材質(zhì)焊縫，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)晶粒噪音非常大，因而TOFD技術(shù)不適合檢測不銹鋼類粗晶材料。
4． 檢測技術(shù)關(guān)鍵點
總結(jié)大量海洋石油用不銹鋼檢測技術(shù)，其中的主要關(guān)鍵點包括：
- DMA雙晶矩陣相控陣探頭及縱波檢測技術(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)聚焦能力和檢測靈敏度
- 使用弧形閘門，以排除焊縫外的變形波干擾
- 316不銹鋼比304不銹鋼衰減嚴重
- 焊縫位置與母材位置衰減嚴重
5. 檢測技術(shù)難點
管對法蘭或彎頭工件，且部分難穿透不銹鋼焊縫坡口對側(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，無法雙側(cè)放置探頭
- 無法或不愿意打磨焊縫余高
- 縱波檢測只能使用一次波
- 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，可以有效檢測出不銹鋼焊縫中不同位置的缺陷，且缺陷信號的信噪比較高，克服了常規(guī)不銹鋼檢測中信噪比偏低的不足。
而且從實驗結(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法使用二次波而造成的近表面盲區(qū)較大的問題。
我們還使用DMA探頭對其他不同材質(zhì)的工件進行了實驗，得到的結(jié)果表明，SS304和雙相不銹鋼類焊縫檢測信噪比較高，而SS316不銹鋼焊縫的信噪比相對較低，有時需要更低頻率的探頭進行檢測。