海底管线环焊缝AUT设备认证试件的焊接缺陷预制

摘要：随着海底管线铺设国际化市场开拓，按照DNV-OS-F101 2012标准要求，AUT检验系统需要取得挪威船级社的资质认证。本文主要介绍了使用全自动焊焊接工艺预制AUT设备认证试块中的自然缺陷的制作；其中包含认证要求的未熔合缺陷、根部未熔透缺陷、气孔、渗铜等缺陷类型。应用全自动焊接工艺进行AUT设备认证试块的焊接预制在国内尚属首次。

关键词：AUT，全自动熔化极气体保护焊，人工焊接缺陷，DNV资质认证，海底管道，POD

中图分类号：C35文献标识码： A

一、前言

AUT认证的主要参考文件为DNV-RP-F118 2010，该标准对各种缺陷的数量和特征都有明确的要求。鉴于AUT检测工艺及系统设置的相对比较固定(一般情况下系统设置及聚焦法则设定完成后，不得轻易更改)，对缺陷的代表性（以侧壁未熔及根部未焊透为主），包括尺寸、位置及走向要求比较严格，因此人工缺陷的制作将直接影响认证的结果。根据咨询结果，目前国内关于人工缺陷的制作的方法及可借鉴的经验十分有限,目前比较流行的缺陷制作方法是通过控制焊接过程中的电流、电压等焊接参数来产生缺陷，但很难控制缺陷的大小及位置。

二、试验准备

2.1缺陷设计

按照DNV-RP-F118 2010③标准，分别包含未熔合、根部未熔透、气孔、夹渣等缺陷。缺陷制作的质量和数量对AUT认证的精度有着重大的影响,主要有以下几点:

2.1.1缺陷的类型

根据缺陷的危害程度及代表性，缺陷制作类型以未熔合及根部未焊透为主。焊接方法不同产生的缺陷类型也有差异，如在自保护的手把焊（SMAW）中可能产生药皮夹杂等缺陷，但是在以气保护全自动焊（GMAW）中则不会出现。人工制作的缺陷要有一定的代表性，能够反映自然缺陷的特征。

2.1.2缺陷的数量

必须满足相关标准要求，根据DNV标准要求，表面、填充区域、热焊、根部（J型破口）每个区域至少29个缺陷方能满足在95%的可信度的条件下达到90%的检出率要求。气孔、层间未熔、夹铜等缺陷至少两个；热焊区域29个，填充区域29个，盖面29个，夹铜缺陷2个，层间缺陷2个，气孔2个，总数，122个。

2.1.3缺陷的深度

AUT是基于分区检测法的检验手段，每个分区的标准反射体、系统设置、灵敏度要求是不一样的，例如对于J型破口，根部采用的是脉冲回波（PE）,填充区域采用的是串列法（tandem），故要求每个分区都有相应的缺陷，比如表面缺陷要求其深度在3mm（试件表面到缺陷的下端点）以内，这对于壁厚较小（15.9mm）的试验件是个难点；

2.1.4缺陷的高度

认证是以AUT系统对缺陷的高度测量精度为主要分析对象，合理的缺陷分布，是实验成功的关键，尤其是小缺陷的制作，如果1mm是不可以接受的，POD数值越小，说明AUT检出能力越强；

缺陷制作的最大的难点在于高度的控制，尤其是

经过多次试验及讨论，通过机械方式在坡口表面挖槽（主要是EDM,电火花加工）并放入不锈钢焊丝成为主要方案，事实证明该方案的实际效果超出了预期，能够比较有效地控制缺陷高度。

2.1.5缺陷的走向

根据缺陷的危害程度及代表性，缺陷制作类型以未熔合及根部未焊透为主，制作填充区域、热焊及近表面侧壁未融合时，若采用改变焊机参数方式制作缺陷很难控制缺陷在纵向及横向的位置，同样，通过在机械方式在坡口表面挖槽并放入不锈钢焊丝成的办法较好的解决了以上问题，但仍然有一定的不确定性。根部未熔合的制作方法是在缺陷设计区域停止焊接，产生的缺陷较好的符合了数据分析要求

2.2 试件准备

2.2.1试件尺寸

试件采用API 5L X65级钢，海管尺寸为OD168mm×15.9mm。试件必须取自项目中实际管材，表面状况良好，无明显锈迹，无涂层，并严格参照项目WPS加工好坡口，附加坡口保护器,运输过程中严谨磕碰。

图1AUT设备认证试件尺寸示意图

2.2.2坡口设计

试件坡口参照荔湾项目经过评定的焊接工艺，采用窄间隙J型坡口。详见下图。

图2J型坡口参数

图3 V型坡口参数

2.3焊接方法

J型坡口的焊缝将采用全自动熔化极气体保护焊（GMAW），具体参数请参见相关WPS；V型坡口采用手把焊或者自保护焊，具体请参见相关WPS。

三、焊接缺陷制作

根部未熔合缺陷（SIDE WALL LACK OF FUSION）根据未融合在不同深度出现的状况，大致可分为根部单边未熔合 填充单边未熔合 层间未熔合 盖面单边未融合。

3.1根部未熔合在缺陷高度的要求上又有1.5mm和0.8mm两种规格，在制作时，先在预先确定的位置，使用氩弧焊在一侧坡口焊接完全熔透钝边的根部焊道，在焊道与另一侧坡口狭小的窄间隙中，根据缺陷高度的要求，使用砂轮机打磨出沟槽，再使用氩弧焊在其上薄薄施焊一层，为防止烧穿，再加焊一层。这样，一个确定了缺陷高度和长度的根部未熔合就制作成功了。在焊道不同深度，使用相同的制作方法分别制作出 层间未熔合 盖面未熔合。

3.2制作侧壁未融合时，首先在坡口面上的某一深度上通过EDM（电火花加工）加工出具有一定高度和长度的槽，然后讲不锈钢焊丝或者已经加工成一定尺寸的锯条，使用钨极氩弧焊进行填埋，并将表面打磨至与原坡口面，最后使用特定的焊接方法进行整道焊缝的焊接。

图4坡口表面EDM槽

3.2根部未熔透（LACK OF PENETRATION）根部未焊透主要出现在全自动焊窄间隙J型坡口的焊接方法中，根据缺陷高度{0，8mm 1，5mm 2mm}的要求，使用砂轮机在坡口钝边上打磨出预留的未焊透深度，使用氩弧焊小电流薄薄施焊一层，再加焊一层，以防烧穿，确保缺陷高度的要求精度。

3.3密集气孔(CLUSTER) 确定气孔的位置和深度后，使用氩弧焊，关闭保护氩气，用点焊的方法制作出密集气孔 在气孔上方使用氩弧焊小电流施焊一层，防止在下一层焊接时破坏已制作好的缺陷。

3.4渗铜(Cu-inclusions)在全自动焊接中，焊道背部使用了铜靴保护，也就有了渗铜这一缺陷的出现，在确定的缺陷位置使用氩弧焊把铜丝熔合到焊缝中，然后再覆盖一层碳钢焊缝。

图5 预埋缺陷焊接后金相

3.5 自然缺陷的产生

自然缺陷的产生有时可补充人工缺陷的不足，但是同时也会干扰数据的分析，甚至导致最终的分析结果受到冲击。因此在制作人工缺陷的过程中应尽量避免其他非目标缺陷的产生。

图6 自然缺陷较多

四、结果分析

缺陷制作采用比较保守的50%的成功概率，初始设计缺陷为245个，实际制作缺陷265个（包括自然缺陷），其中133个进行了切片分析， 2个缺陷因为不具有代表性而被废弃，2个缺陷因为切片无明显显示而被废弃，此外7个自然缺陷也被用作分析，最终136个缺陷被纳入分析。

图7缺陷高度分布

经过最终的金相分析及数据统计，缺陷的合格率达到65%，高出预期，其深度、高度计走向能够较好的模拟自然缺陷。

五、小结

人工缺陷的制作对于AUT认证的意义重大，合理的缺陷设计，焊接技术熟练的焊工等因素都将直接影响缺陷的制作质量，并最终决定认证的结果。本文所论述的关于缺陷制作的一些经验已成功得到验证，但仍有不少改进之处。

5.1表面及表面缺陷的制作，可采用EDM切割，然后用手把焊进行填埋，理论上能够获得更贴近自然产生的未融合的人工缺陷，但仍需实践验证。

5.2层间缺陷制作仍然不是非常理想，与自然产生的缺陷仍然存在比较大的差距。具体的制作方法有待研究。

5.3 自然缺陷的产生，缺陷制作过程中产生了较多的非目标缺陷，对缺陷的分析产生了较大的影响，以后应严格按照WPS进行执行，控制预热及层间温度等参数，尽量避免非目标缺陷。

5.4 根部的错皮较严重，干扰了根部缺陷的制作，尤其是V型坡口的焊接，错皮现象较为明显，除了使用外对口器，及对口时的操作失误，管子的椭圆度等因素有比较严重的影响。

此次人工缺陷的制作，为管道环焊缝、平板对接焊缝及其他类型坡口的人工缺陷的制作，尤其是钨极氩弧焊的人工缺陷制作提供了宝贵的经验。

参考标准

1.DNV-OS-F101 2012 海底管线系统

2.DNV-RP-F118 2010DNV-RP-F118 PIPE GIRTH WELD AUT SYSTEM QUALIFICATION AND PROJECT SPECIFIC PROCEDURE VALIDATION