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海洋石油用不銹鋼管對接焊縫檢測
1. 技術背景
海洋石油管道由于長期接觸海水、微生物的腐蝕介質，因而大量使用不銹鋼管作為平臺上使用的主要材質。尤其是國外的海上項目，優先考慮使用不銹鋼作為其主要結構部件。
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鋼和在此基礎上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素發展起來的高Cr-Ni系列鋼。
在使用狀態基體組織為穩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生偏轉
- 不銹鋼對信號的衰減嚴重
- 不銹鋼中的信噪比通常較差
- 不銹鋼材質對聲束的影響類似于低通濾波器
現有的檢測手段對于不銹鋼焊縫檢測有其弊端，比如常規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TRL探頭也有其弊端，下面就是對比幾種技術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，其結構示意圖如下。兩個分體的探頭都為矩陣式晶片排布，不同于常規的線陣相控陣探頭。同時這兩個分體的探頭，一邊發射，另外一邊接收，通過這種一發一收的方式提高信噪比。
3. 檢測結果
3.1 DMA檢測結果
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。
綜合上面檢測結果，統計缺陷長度和缺陷深度偏差如下：
由上面統計可見，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壁未融合類的缺陷檢測結果，由圖中信號可以看出，信噪比還是非常理想的。
3.2 相控陣常規線陣探頭橫波檢測結果
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，檢測結果如下。可見在該檢測結果中，只能發現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在厚度中間位置，也表明橫波的定位偏差較大。
總結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內缺陷，而缺陷內部的缺陷使用橫波很難發現。
- 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技術檢測不銹鋼材質焊縫，內部的結構晶粒噪音非常大，因而TOFD技術不適合檢測不銹鋼類粗晶材料。
4． 檢測技術關鍵點
總結大量海洋石油用不銹鋼檢測技術，其中的主要關鍵點包括：
- DMA雙晶矩陣相控陣探頭及縱波檢測技術，提高信噪比
- 使用雙組設置，一組覆蓋根部及中部區域，另外一組覆蓋上表面區域
- 可以嘗試使用半聲程聚焦，以提高焊縫內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上表面區域的缺陷覆蓋
原因如下：
- 由于法蘭或彎頭的存在，無法雙側放置探頭
- 無法或不愿意打磨焊縫余高
- 縱波檢測只能使用一次波
- 相控陣偏轉角大于80度后變為爬波，而爬波在不同焊縫中的傳輸距離不同
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. 結論
使用超聲相控陣技術結合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，克服了常規不銹鋼檢測中信噪比偏低的不足。
而且從實驗結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較大的問題。
我們還使用DMA探頭對其他不同材質的工件進行了實驗，得到的結果表明，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。