2025, Vol. 49
文章信息
- 王昭, 肖立权, 吴员, 陈亮, 常宇, 张天江. 2025.
- WANG Zhao, XIAO Liquan, WU Yuan, CHEN Liang, CHANG Yu, ZHANG Tianjiang. 2025.
- 基于海洋石油201船主作业线的CRA材质海底管道铺设环焊缝数字射线DR检测方案
- Digital radiography detection scheme for circumferential welds of CRA subsea pipelines laid on the main line of the HYSY 201 vessel
- 海洋科学, 49(9): 108-117
- Marine Sciences, 49(9): 108-117.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20250325001
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文章历史
- 收稿日期：2025-03-25
- 修回日期：2025-06-10
海底管道因输送连续性好、效率高的优点, 成为海上油气田油气输送的重要设施[1]。CRA海管的外部为碳钢海管, 内部有不锈钢耐腐蚀内衬层, 碳钢海管和内衬层之间由冶金技术连接[2]。由于内衬不锈钢衬层, 其对于恶劣工况的耐蚀能力明显优于碳钢海管, 因此越来越多的应用在工程应用中, 并主要用于输送含硫量较高的酸性介质。图 1为CRA复合管环焊缝切片截面, 主要可以分为3个区域, 分别是碳钢母材区域①, 主要用于做背衬材料; 焊缝区域②, 目前海上的焊接工艺中, 其材质一般为不锈钢; 堆焊区域③, 其材质为不锈钢。按照DNV海管铺设施工标准, 当焊缝区域②下部的根部区域(约3 mm)焊接缺陷长度或高度超过标准允许值时, 焊接工艺一般要求其作切管重焊处理[3]。
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| 图 1 CRA复合管环焊缝坡口截面图 Fig. 1 Sectional view of the bevel of the CRA pipe's circumferential weld |
相较于碳钢焊缝, CRA复合管焊缝更加复杂, 主要表现在碳钢母材与CRA堆焊层材料间的差异、碳钢母材与焊缝填充材料间的差异、CRA堆焊层及填充材料本身的特殊性。传统的碳钢AUT工艺主要采用横波检测, 普通碳钢的晶粒组织为100 μm级, 超声波检测呈均匀的、各向同性的, 且晶粒对声波散射很低, 检测效果较为理想。但对于不锈钢来说, 其晶粒粗大及显著的各向异性等特点, 会导致横波在其内部传播时, 会产生很强的散射及衰减, 从而导致检测信噪比很差, 此外母材与焊缝填充材料及堆焊层材料之间的差异也会导致散射及衰减, 因此常规的横波超声检测效果较差, 射线检测成为CRA复合管线对接环焊缝主要的检测方法。近年来, 随着AUT技术的发展以及相关技术研究的不断成熟, 纵波AUT检测技术在CRA复合管道检测方面的研究已经取得重大进步, 并得到了应用, 如图 2所示。考虑到射线检验具有辐射, 目前海上铺设CRA海管, 主要应用的检测技术是全自动超声技术AUT(automated ultrasonic testing)[4], 射线检测难以使用。
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| 图 2 AUT检测现场图 Fig. 2 On-site AUT inspection picture |
海洋石油201船为海上铺管船, 设有3条铺管作业线, 2条辅线分布在左舷和右舷, 负责将12 m长的海管组对焊接成双节点海管, 随后传送至主作业线待用(图 3)。1条主作业线位于中间, 负责将预制好的双节点海管进行组对、焊接、涂敷等, 随后沿船尾铺设入海。每个作业线均有多个作业站, 在主作业线, 当所有作业站工作结束后, 将会移船, 作业线的管线将会统一进入下一作业站开展作业[5]。
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| 图 3 海洋石油201作业线示意图 Fig. 3 Schematic of the HYSY 201 operation line |
CRA海管一般管壁较厚, 在常规AUT检测方案中, AUT检测通常在5站进行, 所检测焊缝已完成封底、填充、盖面等焊接流程。如图 5所示, 当检测出根部不锈钢衬层的超标缺陷S1时, 按验收标准要求, 根部超标缺陷不许返修, 需要对此海管焊缝进行切管重焊, 此时需要将缺陷焊缝S1倒回1站, 由于船上长度有限, 因此缺陷焊缝S1前的每节海管S2、S3、S4、S5也需要做切管处理。而且因根部缺陷切管, 使得封底后面的填充、盖面等工序均为无效工时。如能够在根部不锈钢衬层焊接完毕后(如图 4)立即进行检验, 不仅能迅速的发现超标缺陷, 减少后续封底和盖面的无效工时, 也能减少倒船长度, 减少海管外表涂层损坏的风险。然而AUT技术因检测时需要喷水进行超声耦合, 会对只完成封底的焊缝产生急剧冷却、水污染、氧化等严重影响焊接的效果, 而且未焊满的坡口形式也难以进行超声检测, 因此AUT技术无法应用在焊缝封底之后的检验。
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| 图 4 封底后焊缝示意图 Fig. 4 Diagram of weld seam after back cover welding |
射线介入检测的时机为CRA海管根部焊接完成后, 此时海管已完成封底焊接, 厚度约为4~7 mm左右, 已具备射线检测条件。如图 5, 在主作业线2站使用射线检测, 如检测出超标缺陷, 即可提前倒船, 将S1根焊、S2整个焊缝进行切管处理。如未检出超标缺陷, 则该焊缝继续进行剩余焊接工序, 直至完成整道焊缝的焊接工作后, 在5站开展AUT检验。在5站检验时, 由于根部已提前检测无缺陷, 而填充区、盖面区的验收标准一般允许返修[3], 因此在5站只对检出的填充区、盖面区超标缺陷进行返修即可, 无需倒船切管。射线介入大大减少了倒船的切管数, 以及切管和重新焊接的工作量。
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| 图 5 铺管作业及返修流程图 Fig. 5 Flow chart of pipeline laying operation and repair |
使用射线在2站开展提前检测, 比只在5站使用AUT检验, 可以少切3道焊缝, 因此可以节省3道焊缝的切管、焊接工作量, 以及减少了3道双节点海管长度(约72 m)的外保护层倒船破损风险。根据实践, 海洋石油201船铺设16 in 17.3 mm(14.3 mm碳钢+3 mm不锈钢衬层)壁厚CRA海管时, 使用射线每检出1道根部提前返修焊缝, 比焊完后整体切管, 可节约船队10 h船时。
3 射线检测关键技术海管检测在铺管船上进行。不同于陆地管道施工, 焊接工序和检验工序可以分开进行, 海上海管铺设为焊完即检、检完后不久就会入海, 入海后难以再次检验和返修。受铺管船现场作业线空间、环境、时间成本等影响, 作业环境与陆地环境有很大的区别。
由表 1可以看出, 常规胶片射线作业(RT)在铺管船作业非常受限, 具体在于(1) RT射线作业具有辐射, 需针对其开展射线防护。同时无法进行交叉作业, 这将大大影响铺管效率, 在昂贵的船时费用下, 极大地影响项目效益。
| AUT | 常规RT | 数字射线DR |
| 使用超声探头激发产生超声波 | 使用射线机产生射线, 透过被检物体后在胶片成像 | 使用射线机产生射线, 透过被检物体后在探测器实时成像 |
| 没有辐射及环境污染, 可交叉作业 | 具有辐射危险, 海上施工需额外的安全防护措施 | 具有辐射危险, 设计自防护工装保障安全生产, 可交叉作业 |
| 效率高(5~6 min/焊缝) | 效率低(> 20 min/焊缝) | 效率适中(约8~12 min/焊缝) |
| 对各种缺陷都具有较强的检测能力 | 对危害较大的面积型缺陷不敏感[6] | 对危害较大的面积型缺陷不敏感 |
| 无法检测根焊CRA焊口 | 可提前检测根焊CRA焊口 | 可提前检测根焊CRA焊口 |
| 不涉及废液 | 产生废液, 处理成本较高 | 无废液 |
| 不涉及爬行器 | 一般采用中心曝光成像, 需使用爬行器, 存在爬行器在管内无法出来的概率, 设备故障排除成本较高 | 可使用周向曝光, 不使用爬行器 |
(2) RT射线作业一般采用中心曝光模式(图 6), 通常需要爬行器, 当爬行器卡在海管中时, 如不进行卡堵故障排除, 则铺管工作无法继续进行。
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| 图 6 射线成像的中心曝光和双壁单影模式 Fig. 6 Central exposure and double-wall single-image |
(3) RT射线作业需要进行贴胶片、曝光成像、洗片、评片等流程, 流程繁琐、检验效率低。
数字射线具有胶片射线成像的大部分特点, 依据检验标准及研究计算[7-8], 相同成像等级下, 数字射线成像检测技术等价于胶片射线检验[9-10]。经过充分的仿真计算和测试辐射防护效果后, 可以设计为连续自动化管道焊缝检测的设备[11]。有文献报道, 检测长输管道的工业数字射线设备, 在95%置信度、90%POD(缺陷检出概率)的最小长度为0.85 mm, 证明了DR具有很好的缺陷检出可靠性[12]。针对数字射线图像的研究也很多, 数字射线所成数字图像, 具有很方便的防篡改对比[13]、人工智能识别缺陷[14-16]等优点。因此, 使用数字射线DR, 既可开展射线检测, 又能极大的减少传统胶片射线作业的辐射、危废等导致的施工效率底下, 适合在海上开展检测作业。
3.1 自防护数字射线DR检测系统依据海上铺管的实际状况, 设计并制造了一台具备自防护工装的数字射线设备。采用双壁单影成像模式(图 6), 射线机连同检测管段一同被防护工装包裹, 依据设备的辐射分布情况, 针对性设计了铅防工装, 将辐射较强的地方铅防厚度加厚, 辐射较弱的地方在保证防护的情况下, 降低铅防厚度以减轻整体重量。铅防厚度在12~30 mm不等, 铅防总重量在700 kg左右。设备重要参数如表 2所示。
| 射线机参数 | |
| 标称管电压: 320 kV | 持续功率: 1 500 W | 4 200 W |
| 焦点: d = 3.0 mm | d = 5.5 mm | 电流最大值: 4.9 A | 4.6 A |
| 电压典型值: 2.6 V | 6.4 V | 靶材料: 钨 |
| 靶角度: 20° | 辐射范围: 40° |
| 探测器参数 | |
| 像素尺寸: 100 μm | 位数: 16位 |
| 探测器尺寸: 70 mm×50 mm | FPS: 91 |
设备的电气系统如图 7所示。
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| 图 7 自防护DR数字射线设备电气系统框架图 Fig. 7 Framework diagram of the electrical system of the self-protected DR digital radiography equipment |
如图 8所示, 使用CIVA[17]进行管径323 mm、壁厚17.3 mm的CRA海管的射线检测工艺参数仿真模拟。由于射线机焦点尺寸有3.0 mm和5.5 mm两种工艺, 因此分别对其进行仿真, 结果如表 3所示。
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| 图 8 CIVA仿真布置图 Fig. 8 Layout diagram of CIVA simulation |
| 焦点尺寸3.0 mm | 焦点尺寸5.5 mm | |
| 射线机选择 | 320 kV, 靶角度26° | 320 kV, 靶角度26° |
| 电压 | 320 kV | 320 kV |
| 电流 | 5.6 mA | 13 mA |
| 焦距 | 700 mm | 700 mm |
| 焦点偏置距离 | 55 mm | 55 mm |
| 灰度值3 000曝光时间 | 38 s | 15 s |
| 成像的基本空间分表率 | D12 | D12 |
| 单丝象质计测试数值 | W14 | W14 |
| 归一化信噪比 | 158 | 114 |
仿真结果显示, 二者成像等级均为D12、W14, 满足检验标准要求。小焦点成像虽然归一化信噪比高, 但成像时间长, 不满足海上项目施工实际情况。因此实际检验工艺采用大焦点(d = 5.5 mm)。
3.1.2 射线防护测试海上铺管作业线空间狭窄, 人员密集, 交叉作业多, 因此对于射线防护的要求十分严格。为测试自防护工装的防护效果, 将自防护射线设备置于中心, 外周在3 m处每15度一个点, 多点测试结果布置图照片如图 9所示。
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| 图 9 辐射测试布置图 Fig. 9 Layout diagram of radiation test |
将射线机旋转至被检管道的正上方(12点位置)和侧方(3点钟位置)进行射线辐射测试(图 10), 每个点位测试3次, 测试结果平均值见表 4。
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| 图 10 测试点位分布图 Fig. 10 Distribution diagram of test points |
| 测试点位序号 | 射线源位于3点钟位置3 m辐射量/(μSv·h‒1) | 射线源位于正上方位置3 m辐射量/(μSv·h‒1) | 测试点位序号 | 射线源位于3点钟位置3 m辐射量/(μSv·h‒1) | 射线源位于正上方位置3 m辐射量/(μSv·h‒1) | |
| 1 | 0.32 | 0.56 | 13 | 0.75 | 0.45 | |
| 2 | 0.29 | 0.55 | 14 | 0.97 | 0.44 | |
| 3 | 0.34 | 0.47 | 15 | 0.69 | 0.44 | |
| 4 | 0.30 | 0.46 | 16 | 0.46 | 0.53 | |
| 5 | 0.35 | 0.35 | 17 | 0.64 | 0.54 | |
| 6 | 0.37 | 0.35 | 18 | 0.63 | 0.57 | |
| 7 | 0.35 | 0.34 | 19 | 0.32 | 0.56 | |
| 8 | 0.50 | 0.48 | 20 | 0.41 | 0.43 | |
| 9 | 0.43 | 0.47 | 21 | 0.35 | 0.55 | |
| 10 | 0.72 | 0.50 | 22 | 0.33 | 0.64 | |
| 11 | 0.94 | 0.65 | 23 | 0.32 | 0.46 | |
| 12 | 1.12 | 0.52 | 24 | 0.35 | 0.40 |
经测试, 距离设备中心点3 m处测量辐射剂量, 辐射剂量基本在1 μSv/h水平, 大部分位置为大气辐射水平, 满足安全作业需求。因此, 自防护工装的射线辐射防护效果满足要求。
3.2 检测效率及流程分析图 11所示为海洋石油201船焊接及检验站的工作时间示意图。DR检测依托焊接站的焊接间隙时间开展, 基本不影响每道焊口的焊接累计时长, 同时由于自防护工装的设计, 其在开展检验作业时, 其他作业站可交叉同步开展焊接或检验等工作, 因此DR技术的引入, 不影响海管主作业线流水线作业进度, 相较于胶片射线检验大大提高了检测时间。
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| 图 11 焊接检验时间流程图 Fig. 11 Flow chart of welding inspection time |
AUT及DR的联用, 也能对各类型缺陷检测实现有效的弥补, 提升检验方法的系统性。由于超声扩散、相邻通道信号覆盖导致测长误差, 以及高度缺陷的危害性更大的原因, 对AUT检测能力的认证一般更关注缺陷高度的评判精确度, 国内使用的设备在95%置信度、90%的检出率下, 缺陷的最小检出高度一般在0.9 mm左右。而DR虽然无法对缺陷的高度定量, 但是对缺陷长度的定量精度很高[12], 同时对缺陷类型的判别也更加直观。环焊缝封底后, DR对根部焊缝的体积型缺陷较AUT更为灵敏, 同时AUT对焊缝的填充及盖面区域的体积型及面积型均有良好的检出能力。在本文第4节的两个海管铺设项目三百余道焊缝的检验实践中, 在DR对环焊缝的根部检验后的无缺陷焊缝及切管重焊焊缝, 在后续的AUT检验中, 均未检出任何超标缺陷。在检测中, 如作业线运输条件便利, DR设备具有吊装移动至其他作业站进行临时性检测的潜力。
3.3 降本增效预测常规海管海上焊接合格率通常在99%以上, CRA海管焊接合格率比普通碳钢偏低一些, 根部返修率一般约占2%左右。以海洋石油201船队为例, 每道根部缺陷超标焊缝可节省10 h船队船天, 每小时约节省铺管船船队船时费用10万元人民币以上, 以1根双节点24 m海管计算, 使用数字射线DR提前介入检测, 平均每铺设1 km CRA海管可节省约90万元左右的船时费。
4 海洋石油201船数字射线使用案例及不足分析 4.1 陵水25-1项目陵水25-1项目20 in外输管线包含1.5 km CRA复合管, 壁厚为28.6 mm碳钢+3 mm不锈钢衬层。由于该项目CRA复合管焊缝管径大、壁厚大、焊接耗时长, 计划在5站AUT检验之外, 在主线二站对根部区域增加射线检验。
该项目CRA复合管管径和壁厚较大, 基于海洋石油201船主线二站的作业空间, 该项目DR实施方案为使用爬行器搭载X射线机进行周向中心曝光, 管道外侧使用DR成像板进行成像, 使用铅筒防护。
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| 图 12 中心曝光+铅筒防护 Fig. 12 Central exposure + lead cylinder protection |
本项目主线2站共完成63道根部焊缝的DR检验工作, 发现了2道环焊缝根部存在超标缺陷, 现场进行了切口重焊处理。有效提高CRA复合管的铺设效率, 还避免了倒船可能引起的安全风险和节点防腐质量受损等影响。
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| 图 13 缺陷照片 Fig. 13 Defect photo |
由于本方案铅筒铅防未进行精细化模拟设计, 为了保障防护效果, 冗余设计较大, 且需要把成像板的体积包裹在内, 因此铅筒式防护整体直径、重量及体积均很大, 如果项目要求进行双壁单影成像, 则包裹射线机的铅筒体积将会更加庞大, 船上作业线上下层之间高度有限, 且空间密闭, 作业线路径狭窄起伏不平, 如何将设备从甲板运输至作业线的指定作业站, 以及作业站附近的吊机是否有能力进行检验作业中的吊装就位及装置移除均有一定挑战性。同时, 铅筒防护为上下开合式, 设备检测就位及移除所耗时间长, 检测时间较久, 不利于数字射线的广泛使用。
4.2 文昌9-7项目文昌9-7项目CRA复合管管径为406.4 mm, 壁厚为14.3 mm碳钢+3 mm不锈钢衬层, 该项目除常规AUT外, 在海洋石油201船主作业线2站增加自防护射线DR检测。现场布置如图 14所示
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| 图 14 自防护DR检测图 Fig. 14 Detection diagram of self-protected DR |
在该项目中, 使用自防护DR共检测250余道根部焊缝, 检出4道根部超标缺陷并切管。每道CRA焊缝检测耗时约8~12 min左右, 极大的提高了CRA海管铺设效率。
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| 图 15 自防护DR成像图 Fig. 15 Imaging diagram of self-protected DR |
在该项目应用中, 因设备为针对性设计, 重量比铅筒轻, 整机重量约为1.5 t, 满足作业线吊装及运输需求。由甲板至作业线可拆装运输, 极大的扩展了设备的应用场景便捷程度。
在海上应用时, 实际检测辐射水平与实验室测试结果保持一致, 1 m位置测试均在1 μSv/h水平以下, 满足海上施工的安全要求。
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| 图 16 自防护DR在船上辐射测试结果 Fig. 16 Radiation test results of self-protected DR aboard a ship |
数字射线设备在海上的使用, 经实践验证, 有以下不足。
高温高湿对设备的伤害。在夏季南海施工中, 船舱内空气温度、湿度均较高, 对于电气设备, 特别是探测器, 影响较大, 会减少探测器的寿命。虽在设计阶段探测器选型中对该状况进行针对性选型, 但无法完全解决。对此应密切关注设备探测器状态, 如坏点超过允许值, 应及时更换。
安装及运输受空间限制较大。DR设备体积及质量较大, 在作业线船舱内安装、拆卸时, 需要有良好的吊装条件及运输空间, 因此在设备应用在一条船舶之前, 需要对其开展验船工作, 以确保作业线满足DR使用条件。同时在船舶避风、人员撤离船舶前需要固定设备时, 其拆卸和固定工作也较为不便。
辐射泄露风险。尽管自防护工装测试防护效果良好, 但是在海上一线生产长期使用中, 辐射泄露的风险仍然需要重视。人员手动测量较为繁琐, 后续设备升级改造中应增加辐射泄露报警装置, 如设备射线辐射泄露超过标准允许值, 即报警并停止作业。
5 结论及建议本论文论证了在CRA海管铺设时, 射线介入海洋石油201船的检测方案, 认为射线的提前介入可以有效减少因根部超标缺陷导致的倒船切管工作量。并介绍了自防护工装数字射线在成像、防辐射等方面的优势以及在海上实际使用的情况。计算了数字射线介入的降本值, 当海洋石油201船主作业线2站使用数字射线时, 每铺设1 km CRA海管平均可降低船时费约90万元。
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