在役石油平臺用壓力容器超聲導(dǎo)波檢測

支紫矞，趙 勝，葛建明，張路根，劉偉成，周秋英

(1.江西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測研究院南昌分院，南昌330006;2.江西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測研究院，南昌330029)

0 引言

在海洋石油開采平臺，有相當(dāng)數(shù)量容器是80年代末、90年代初投入使用的，內(nèi)部介質(zhì)含有原油、海水、CO2、H2S、O2、泥沙等，容易造成罐體無硫(CO2)腐蝕、酸(H2S)腐蝕及沖蝕，焊縫區(qū)域容易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。由于海洋平臺的特殊環(huán)境和石油開采的不間斷性等因素，用戶迫切希望在不停車狀況下快速檢測在役壓力容器罐體腐蝕狀況，加上許多容器外壁覆有保溫層，用戶希望盡量少破壞保溫層檢測，使得常規(guī)無損檢測技術(shù)無法滿足要求［1］。超聲導(dǎo)波技術(shù)具有一次檢測覆蓋范圍大、檢測效率高和可檢測整個罐壁等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合常規(guī)檢測方法復(fù)核可精確測定罐體腐蝕部位和大小，在壓力容器快速和性能評價方面受到極大關(guān)注。對壓力容器進(jìn)行了在役超聲導(dǎo)波檢測，介紹了超聲導(dǎo)波的探頭設(shè)計(jì)、試驗(yàn)測試和現(xiàn)場檢測應(yīng)用，為同類產(chǎn)品的在役檢測提供參考。

1 超聲導(dǎo)波換能器

導(dǎo)波是一種由于介質(zhì)邊界存在而產(chǎn)生的機(jī)械波［2］，它的傳播受制于介質(zhì)的幾何邊界形狀，且其具有頻散特性，傳播速率受到導(dǎo)波的頻率、介質(zhì)的幾何形狀和尺寸大小的影響，如在管子中，導(dǎo)波以縱波、扭轉(zhuǎn)波和彎曲波等多種波型存在［3］。因此，通常需要根據(jù)被檢工件來設(shè)計(jì)和選擇適當(dāng)?shù)某晫?dǎo)波換能器。

在板中，導(dǎo)波以蘭姆波和SH波2種波型存在［4］(圖1)。針對在役壓力容器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了專門的導(dǎo)波檢測換能器產(chǎn)生和接受導(dǎo)波。

圖1 板中導(dǎo)波傳播方式Fig.1 Mode of guided wave transmission in tested plank

換能器的技術(shù)指標(biāo)主要是晶片材料、尺寸、頻率和超聲波入射角［5］。晶片材料一般采用壓電陶瓷晶片，晶片尺寸選取除了應(yīng)考慮壓力容器幾何尺寸、壁厚和一次檢測長度等因素外，還要滿足一次波探傷有足夠靈敏度、小缺陷不漏檢，同時還應(yīng)避開近場的干擾區(qū)。頻率在很大程度上決定了超聲檢測的探測分辨率，在壓力容器的單探頭超聲導(dǎo)波檢測中，需要重點(diǎn)考慮的是檢測靈敏度和一次檢測長度，為降低衰減，需選用較低頻率的晶片，一般 1 ～1.5 MHz較為合適［6］。在此選用23 mm×28 mm，1.5 MHz的壓電陶瓷晶片。

換能器的超聲波入射角的選擇非常關(guān)鍵。因?yàn)樵诎逯?，?dǎo)波是以蘭姆波和SH波2種波型存在的，所以，壓力容器的單探頭導(dǎo)波檢測可參照板材的蘭姆波檢測，故入射角的選擇可依據(jù)蘭姆波的激勵角曲線。圖2為壁厚5 mm鋼板的理論激勵角曲線。

圖2 壁厚5 mm鋼板的理論激勵角曲線Fig.2 Theoretical drive curves of steel plank with the thickness of 5 mm

探頭頻率 f=1.5 MHz，壁厚 d=5 mm，根據(jù)圖2蘭姆波激勵角曲線，當(dāng)fd=7.5時，要激勵出A0模式導(dǎo)波，則激勵角范圍為50°～55°，設(shè)計(jì)出幾種入射角，即 51.2°、52.2°、53.2°、54.5°、55.7°。經(jīng)過對5種入射角探頭的測試，可以得出當(dāng)入射角為53.2°時，檢測效果最好，最后確定探頭入射角α=53°。由于探頭要置于壓力容器外壁，要求探頭與壓力容器接觸部分要相匹配，這樣能達(dá)到最好的耦合效果。在實(shí)際設(shè)計(jì)時，可通過仿真計(jì)算，以幫助獲取最佳耦合效果。

2 檢測儀器設(shè)備及參數(shù)

采用ISONIC2005型智能超聲檢測系統(tǒng)，檢測換能器為自制的角束導(dǎo)波斜探頭1.5P23×28(入射角53°)，耦合劑為黃油，檢測靈敏度為φ6 mm×1.25 mm+10 dB。

3 檢測試塊及試塊檢測結(jié)果

檢測試樣長度1 400 mm，寬度為600 mm，鋼板厚度5 mm，試樣材質(zhì)為低合金高強(qiáng)鋼。在板狀試樣寬度方向中心位置，距一端400 mm處加工一個φ6 mm×1.25 mm平底孔。試樣的照片和尺寸如圖3所示。

圖4是來自采用自制探頭測得的φ6 mm平底孔典型脈沖反射回波信號，在閘門內(nèi)的波形為不同距離處φ6 mm平底孔反射波，右側(cè)100%波高的波形為試樣端部反射波。當(dāng)自制換能器距φ6 mm平底孔位置為1 000 mm，增益值讀數(shù)為84 dB時，缺陷波幅達(dá)到滿屏刻度80%波高。

圖3 檢測試塊照片及尺寸Fig.3 Apperance and dimension of tested sample

圖4 換能器距離缺陷1 000 mm時的反射波Fig.4 Reflective wave from transducer 1 000 mm away from defect

試驗(yàn)結(jié)果可以清晰地看出，鋼板中缺陷的反射回波信號隨著探頭與缺陷距離的增加，缺陷回波在時間軸的水平位置后移，且缺陷回波信號的幅度減小。利用自制探頭可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波的激勵和接收，能夠有效檢測距探頭1000 mm處的φ6 mm×1.25 mm的平底孔信號。

4 現(xiàn)場檢測

某海洋石油開采平臺有一臺油水分離器，介質(zhì)為油水混合物，少量天然氣及H2S等，罐體材質(zhì)為16 MnR。罐體外壁包覆保溫層，保溫狀況良好，罐體溫度約70℃，用戶要求在不停車情況下對罐體腐蝕情況進(jìn)行導(dǎo)波檢測。

考慮容器表面漆層及內(nèi)部介質(zhì)對聲波的衰減，一次檢測長度定為500 mm，沿罐體周向、軸向均間隔1000 mm拆除保溫，拆除寬度使探頭能夠沿罐體周向、軸向進(jìn)行掃查，發(fā)現(xiàn)有效信號部位，再拆除該部位保溫后采用常規(guī)超聲方法進(jìn)行復(fù)核。罐體底部鞍座附近導(dǎo)波檢出的缺陷區(qū)域見圖5，以白色十字星標(biāo)志表示，圖中紅色點(diǎn)狀標(biāo)記為超聲測厚復(fù)核腐蝕類缺陷部位，面積為200 mm×200 mm，此區(qū)域最薄處剩余壁厚為2.69 mm(罐體名義壁厚10 mm)。

圖5 油水分離器出現(xiàn)缺陷的部位Fig.5 Region with defect in the oil water separator

導(dǎo)波檢測結(jié)果如圖6所示。圖7是從該區(qū)域切下的試樣，從圖中可以看出，實(shí)際腐蝕情況與導(dǎo)波檢測情況完全相符。

圖6 缺陷部位導(dǎo)波檢測圖Fig.6 Guided wave testing graph of the region with defect

5 結(jié)束語

圖7 分離器上的缺陷區(qū)域Fig.7 Region with defect from the oil water separator

超聲導(dǎo)波檢測方法為在役壓力容器提供了一種有效的缺陷檢測方法，單探頭超聲導(dǎo)波技術(shù)結(jié)合常規(guī)檢測方法可實(shí)現(xiàn)在役壓力容器腐蝕類缺陷的快速檢測。采用的方法為利用導(dǎo)波對整個罐體進(jìn)行掃查，確定重點(diǎn)檢測區(qū)域，再采用其他方法對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行復(fù)核，確定金屬損傷的大小和剩余壁厚。

檢測試驗(yàn)和現(xiàn)場檢測應(yīng)用結(jié)果表明，設(shè)計(jì)和選擇適當(dāng)?shù)某晸Q能器對導(dǎo)波檢測非常重要，檢測結(jié)果表明，采用ISONIC2005型智能超聲檢測系統(tǒng)，導(dǎo)波換能器1.5P23×28(入射角 53°)，耦合劑為黃油，檢測靈敏度為φ6 mm×1.25 mm+10 dB，在檢測試塊上一次探測距離長度不大于100 mm，在實(shí)際石油平臺油水分離器上，局部清除包覆層，檢測溫度70℃，在線進(jìn)行檢測，一次探測距離長度不大于500 mm，可以有效檢測內(nèi)外壁腐蝕類缺陷，且腐蝕減薄的厚度可以較準(zhǔn)確測量。

［1］韓兵.壓力容器無損探傷檢測影響因素分析［J］.石油與化工設(shè)備，2010，13(11):36 －37.

［2］Rose J L.固體中的超聲波［M］.何存富，吳斌，王秀彥，譯.北京:北京科學(xué)出版社出版，2004:27.

［3］Fletcher S，Lowe M J S，Ratassepp M，et al.Detection of axial cracks in pipes using focused guided waves［J］.Journal of Nondestruct Evaluation，2012，31(1):56–64.

［4］他得安，劉鎮(zhèn)清，田光春.超聲導(dǎo)波在管材中的傳播特性［J］.聲學(xué)技術(shù)，2001，20(3):131－134.

［5］張路根，胡智，劉偉成，等.管道的超聲導(dǎo)波檢測試驗(yàn)［J］.無損檢測，2010，32(6):420 －423.

［6］他得安，王威琪，汪源源，等.管道導(dǎo)波檢測中激發(fā)頻率的選擇及靈敏度分析［J］.無損檢測，2005，27(2):83－86.