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船体结构焊缝PAUT检测技术的应用与发展

2021-03-03 993 上传者：管理员

摘要：通过按照相关标准设计并制作校准试块及认证试块，研发针对船体结构焊缝的检测工艺，实现对船体结构焊缝的检测。通过同RT对比结果表明，PAUT技术检测结果与传统RT检测结果相对应，无漏检情况发生，且检测精度较高。该成果可对今后船体结构焊缝的检测提供技术支持，降低辐射风险，提高作业效率。

关键词：
PAUT检测技术
厚壁焊缝
工业技术
船体结构
超声波相控阵
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目前常见的海洋石油天然气开发途径有常规海洋钢结构平台、LNG（液化天然气平台）以及FPSO（浮式生产储油卸油装置）等。而海洋工程行业的业务范围也随之由传统的海洋平台建造拓展至LNG管廊模块建造和集成、深水半潜式平台建造以及FPSO建造，尤其是半潜平台和FPSO项目的船体部分。

射线检测技术一直都是无损检测领域不可缺少的一种检测方式，其优异的可定性定量、结果可追溯性使其广泛应用于船体焊缝的检测中。然而该技术也存在着不可避免的短板，主要有：（1）射线检测存在大量的电离辐射，对人体具有辐射生物效应，对人体、环境都存在一定危害；（2）船体结构在合拢后，会形成密闭空间。在密闭空间中射线作业实施起来十分困难，基本处于无法实施状态；（3）时间的限制、功效的制约阻碍了射线检测的实施；（4）船体结构中存在大量大壁厚焊缝，最高达到70mm，射线检测很难穿透这类焊缝，工效极其低下。

为了有效解决该难题，通过采用PAUT技术和TOFD技术有机结合，将现有无法满足平板扫查的扫查装置进行改造，开发新工艺，研究新式探头的复合激发方式，实现对船体结构焊缝检测工作。最终可实现对双V、K型等多类型坡口的检测，检测焊缝厚度达到了70mm。

1、PAUT检测技术现状

超声波相控阵检测技术，即PAUT技术，是近年来被广泛应用于替代传统RT检测技术的一项新兴无损检测技术，是基于传统超声检测技术的一种特殊应用[1,2,3,4,5,6]。相对于传统RT技术而言，其作业时间短、无辐射污染、可追溯性好以及检测精度高等特性，使得该技术成为了现阶段实现绿色、低碳、高效、环保检测的最佳选择。

2、船体结构焊缝的检测难点

以往国内对于PAUT技术的应用主要都局限于管线焊缝，坡口形式相对单一，而对于船体结构焊缝，面临的困难主要包括以下几方面：

(1）现有的扫查装置适用性不满足要求。结构焊缝一般都是平板对接，而现有的扫查都是基于将扫查器固定于管线上，无法有效应用于结构焊缝上；

(2）所用标准与以往不同，以往管线PAUT检测工作都是采用ASME标准进行，而船体结构焊缝所用标准为DNV标准和欧标进行。标准的复杂化，给工艺开发和试块制作带来了困难；

(3）船体结构焊缝所用材料为TMCP钢，该类材料的各向异性，导致声音传播速度的不同，给超声检测带来了极大的挑战；

(4）焊缝盖面宽，探头扫查难度大。相对于管线焊缝，结构焊缝中大壁厚更常见，由于壁厚大，焊缝盖面过大，PAUT探头发出的声束能否有效覆盖整个焊缝也是难点之一。

3、超声相控阵试验试块的设计

为使试块的声透性能与被检工件相同或相近，试块全部取材于与被检材料相同型号规格的余料，在RT和UT检测后，确保没有影响使用的焊接缺陷的前提下，进行所需人工缺陷的加工，保证试块的准确性和可比性。

人工缺陷对比试块是满足DNV标准和ASME标准的要求进行设计加工和制作的。为了满足现场不同厚度，不同坡口形式的结构焊缝进行PAUT检测试验，设计并制作了一系列不同规格试块，并在演示试块上设计加工了一系列的人工反射体来模拟实际缺陷。

依据标准要求设计制作了上表面缺陷（模拟焊趾裂纹等），下表面缺陷（模拟根部缺陷），焊缝内部缺陷，确保能够有效覆盖各规格船体结构焊缝的PAUT检测工艺。演示认证试块规格如表1所示。

认证试块示意图如图1所示，人工缺陷A和F的长度为13mm,B、C、D、E长度为18.7mm。

人工缺陷的设计尺寸根据人工缺陷的位置不同而有不同的要求，具体要求见表2及表3所示（其中h为缺陷高度，T为工件厚度）。

4、结构焊缝扫查器改造

由于结构焊缝一般为板材连接而成，现有的管线扫查器为缠绕式固定，并不适用于结构焊缝的检测。如果使用迷你编码器进行数据记录，由于焊缝表面状况、操作人员扫查力度等因素影响，会导致数据记录不准确。同时，迷你编码器不能来回反复覆盖扫查，也不适用于现场检测。为此，对现有扫查器进行改进，通过增加支撑杆等改造措施，实现在平板焊缝上的有效固定，使现有的PAUT扫查器能够满足结构平板焊缝的扫查，解决现有常规扫查器无法应用于平板对接扫查的问题。图2为扫查器改造后示意图。

5、PAUT工艺开发

通过模拟软件，设置1比1坡口形式，调整探头延迟、扫查前沿、晶片数量等参数设置，模拟出检测情况，要求声束全面覆盖整个焊缝截面。由于该项目船体结构大部分坡口形式都是X型，故在设置参数时每个探头设置两组声束，一组用于检测焊缝根部缺陷，一组用于检测焊缝上下表面情况。同时，考虑到现场扫查次数和检测效率，采用新式探头，利用复合激发方式，增大扫查范围，减少扫查次数，提高检测效率。

选取探头为5L32-A31型号超声相控阵探头，选区楔块为SA31-N55S型号楔块。其具体参数如表4所示。

通过调整晶片数量，角度范围以及扫查偏移等参数，形成一套能有效覆盖各区域的检测工艺。检测工艺声束模拟图如图3所示。

6、检测结果与RT结果对比

PAUT和RT进行对比实验的主要目的在于进一步认证PAUT检测系统的可靠性，包括基于ASMEV和B31.3标准编制的PAUT检测程序、设备以及检测人员的能力。

PAUT和RT分别独立进行检测，先进行PAUT再进行RT，其中PAUT和RT的参考点和检测方向必须是相同的。表5为对比结果样例。

从表5可以看出，PAUT的检出率优于RT，且检测精度较高，满足ASMEV和ASMEB31.3规范要求，这意味着所开发的相控阵工艺技术能很好地应用于船体结构焊缝检测。

7、总结

通过设计针对船体焊缝的专用试块，开发专用检测探头，改造扫查装置，为解决由材料及设备等因素带来的困难，可以使用PAUT替代传统RT进行船体结构焊缝检测，将检测时间缩短至每道焊口30min即可，同时为以后同类结构的相关检测提供有力的技术支撑。

参考文献：

[1]单宝华,喻言,欧进萍.海洋平台结构超声相控阵检测成像技术的发展及应用[J].海洋工程,2005,23(2):104-107.

[2]李衍.相控阵超声检测国际动态[J].无损检测,2009,31(1):56-60.

[3]李衍.超声相控阵全聚焦法成像检测[J].无损检测,2017,39(5):57-64.