海洋石油管道为何大量使用不锈钢管？奥氏体不锈钢有何特性？

1.技术背景

海洋输油管道长期暴露在海水和微生物腐蚀介质中，因此不锈钢管被广泛作为平台上使用的主要材料，特别是国外的海洋工程，其主要结构件优先采用不锈钢。

奥氏体不锈钢是指常温下具有奥氏体组织的不锈钢。当钢中含有18%左右的Cr、8%~10%的Ni、0.1%左右的C时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢以及在此基础上通过增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。

不锈钢在使用中基体组织为稳定的奥氏体，具有较高的耐蚀性，良好的冷加工性能，良好的韧性、塑性、焊接性及无磁性，但一般强度较低。

不锈钢虽然在使用特性方面具有诸多优点，但其较高的声衰减特性以及材料本身的各向异性给检测带来很大困难，主要影响有以下几点：

现有的检测方法对于不锈钢焊缝检测均存在着各自的弊端，例如由于常规超声波声衰减严重，通常需要采用TRL双晶纵波斜探头进行焊缝检测，但常规TRL探头也有其弊端，下面是几种技术在不锈钢焊缝检测中的使用效果对比，可使用DMA双晶纵波矩阵相控阵探头进行检测。

2.设备组成

主机：Omniscan MX2超声相控阵仪

探头：DMA双晶矩阵相控阵探头

扫描仪：链式扫描仪

试块：直径273mm，壁厚25.4mm，双向不锈钢

DMA是指双晶矩阵相控阵探头，其结构图如下。两个独立的探头均呈矩阵排列，与传统的线性相控阵探头不同。同时，两个独立的探头在一侧发射，在另一侧接收，通过这种一发一收的方式提高了信噪比。

3. 测试结果

3.1 DMA测试结果

从下图中的A、B、C、S扫描视图可以清晰的看到在3/4T深度处探头附近槽上的横向通孔信号，缺陷信号的信噪比很高。缺陷长度为25.57mm，缺陷深度为20.49mm。

从下图中的A、B、C、S扫描视图可以清晰的看到焊缝中部1/4T深度处的交叉孔信号，缺陷信号的信噪比很高。缺陷长度为23.35mm，缺陷深度为9.45mm。

从下图中的A、B、C、S扫描视图可以清晰的看到探头附近的凹槽缺陷，缺陷信号的信噪比很高，缺陷长度为25.01mm，缺陷深度为24.40mm。

从下图中的A、B、C、S扫描视图可以清晰的看到3/4T深度处中间位置的交叉孔信号，缺陷信号的信噪比很高。缺陷长度为23.90mm，缺陷深度为22.12mm。

从下图中的A、B、C、S扫描视图可以清晰的看到在1/4T深度处探头附近凹槽上横向通孔的信号，缺陷信号的信噪比很高。缺陷长度为20.01mm，缺陷深度为9.90mm。

从下图A、B、C、S扫描视图可以清晰的看到1/4T深度处中间位置的交叉孔信号，缺陷信号的信噪比很高。缺陷长度为13.90mm，缺陷深度为2.29mm。

从下图中的A、B、C、S扫描视图可以清晰的看到靠近探头的上表面的凹槽信号，缺陷信号的信噪比很高。缺陷长度为15.01mm，缺陷深度为1mm。

从下图中的A、B、C、S扫描视图可以清晰的看到在1/4T深度处探头附近凹槽上横向通孔的信号，缺陷信号的信噪比很高。缺陷长度为23.35mm，缺陷深度为7.69mm。

综合以上检测结果，统计缺陷长度、缺陷深度偏差如下：

从以上统计结果可以看出，缺陷深度的测量偏差相对较小，而缺陷长度的测量偏差在浅层缺陷的测量中存在一定的偏差，而中下层缺陷的测量偏差较小。

真实不锈钢缺陷检测结果如下：缺陷长度33.10mm，缺陷深度15.46mm，初步判断为夹渣缺陷。

下图是不锈钢X型坡口焊缝侧壁未熔合缺陷的缺陷检测结果，从图中信号可以看出信噪比还是很理想的。

3.2 相控阵常规线阵探头剪切波检测结果

试验对象为一根直径10英寸、壁厚18.09mm的双向不锈钢管，试块在不同位置同样存在水平孔洞及沟槽缺陷，其中上表面存在沟槽缺陷。

采用低频线阵探头和横波楔块对其进行检测，检测结果如下。可以看出，在检测结果中，只能发现二次波击中的上表面坡口和一次波击中的根部坡口两种缺陷，而焊缝内容中的其他缺陷均无法检测出来。而且上表面和根部坡口缺陷的位置都出现在厚度的中部，这也说明横波的定位偏差较大。

总结不锈钢剪切波检测的难点：

3.3 TOFD 检测不锈钢

从下图可以看出，采用TOFD技术检测不锈钢焊缝时，内部结构晶粒噪声很大，因此TOFD技术不适合检测不锈钢这种粗晶粒材料。

4 检测技术要点

总结大量针对海洋石油的不锈钢检测技术，主要要点包括：

5.检测技术难点

管至法兰或弯头工件，以及部分难以穿透的不锈钢焊缝坡口对侧的缺陷覆盖

原因如下：

可能的解决方案：

六，结论

利用超声相控阵技术结合DMA（双晶矩阵相控阵）探头，可以有效检测不锈钢焊缝中不同位置的缺陷，且缺陷信号的信噪比高，克服了常规不锈钢检测中信噪比低的缺点。

而且从实验结果可以看出，采用双晶矩阵探头大大提高了近表面缺陷的分辨率，甚至可以用第一波来检测近表面沟槽缺陷。这克服了由于不能使用第二波进行纵波检测而导致的近表面盲区较大的问题。

我们也使用DMA探头对其他不同材质的工件进行了检测，结果显示SS304和双相不锈钢焊缝的信噪比相对较高，而SS316不锈钢焊缝的信噪比相对较低，有时需要较低频率的探头进行检测。