海洋石油靜電脫水壓力容器的超聲導(dǎo)波檢測(cè)

劉偉成，張路根，胡 智，鄭冬明，曾毅平，劉 勇，胡衛(wèi)勇

（1.江西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，南昌 330029；2.深圳發(fā)利構(gòu)件機(jī)械技術(shù)服務(wù)有限公司，深圳 518068；3.中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司 潿洲油田作業(yè)區(qū)，湛江 524057）

壓力容器是一種廣泛使用而又比較容易發(fā)生事故的特種設(shè)備，在海洋石油開(kāi)采平臺(tái)，有相當(dāng)數(shù)量壓力容器是20世紀(jì)80年代末、90年代初投用，內(nèi)部介質(zhì)含有原油、海水、CO2、H2S、O2和泥沙等，容易造成無(wú)硫（CO2）腐蝕、酸（H2S）腐蝕及沖蝕。在罐體焊縫區(qū)域，容易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。由于海上工況惡劣，許多壓力容器外壁覆有保溫層，保溫層破損易造成罐體外壁腐蝕，有時(shí)，在容器鞍坐部位被加強(qiáng)板覆蓋的罐壁，也會(huì)有腐蝕穿孔現(xiàn)象發(fā)生。由于海洋平臺(tái)的特殊環(huán)境和石油開(kāi)采的不間斷性因素，業(yè)主迫切希望在不停車狀況下快速檢測(cè)壓力容器罐體腐蝕狀況，而常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法不能滿足上述要求。近年來(lái)興起的超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)具有一次檢測(cè)覆蓋范圍大、檢測(cè)效率高和可檢測(cè)整個(gè)罐壁等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合常規(guī)檢測(cè)方法復(fù)核可測(cè)定罐體腐蝕部位和大小，在壓力容器快速檢測(cè)和性能評(píng)價(jià)方面受到極大關(guān)注。以下針對(duì)海洋石油靜電脫水壓力容器進(jìn)行導(dǎo)波檢測(cè)，介紹了超聲導(dǎo)波換能器設(shè)計(jì)、試驗(yàn)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用。

1 導(dǎo)波換能器的設(shè)計(jì)

導(dǎo)波是一種由于介質(zhì)存在邊界而產(chǎn)生的機(jī)械波［1］，具有頻散特性，傳播速度受到導(dǎo)波的頻率、介質(zhì)的幾何形狀和尺寸大小的影響。通常需要根據(jù)被檢工件設(shè)計(jì)和選擇適當(dāng)?shù)某晸Q能器，以發(fā)射和接收導(dǎo)波。導(dǎo)波的傳播行為較為復(fù)雜，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。在板中，導(dǎo)波以蘭姆波、平面剪切波SH兩種波型存在［2］。針對(duì)壓力容器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)研制了專門的導(dǎo)波檢測(cè)換能器產(chǎn)生和接收導(dǎo)波。

通常需要根據(jù)檢測(cè)對(duì)象選擇導(dǎo)波換能器的晶片材料、尺寸和頻率。壓電陶瓷是目前應(yīng)用最廣泛的一種壓電材料，有很好的特性參數(shù)，壓電晶片選用此材料制作［3］。晶片尺寸選取除應(yīng)考慮壓力容器幾何尺寸、壁厚、一次檢測(cè)長(zhǎng)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(shí)還應(yīng)避開(kāi)近場(chǎng)的干擾區(qū)。超聲波頻率在很大程度上決定了超聲探傷的探測(cè)能力，在實(shí)際探傷中需要選取合適的頻率范圍。在壓力容器的單探頭超聲導(dǎo)波檢測(cè)中，需要重點(diǎn)考慮的是探傷靈敏度和一次檢測(cè)長(zhǎng)度，為降低衰減，需選用較低頻率的晶片，一般1～1.5MHz較為合適［4］。在此選用23mm×28mm，1.5MHz的壓電陶瓷晶片進(jìn)行測(cè)試。

其次，換能器入射角的選擇非常關(guān)鍵。因?yàn)樵诎逯校瑢?dǎo)波以蘭姆波、平面剪切波SH兩種波型存在，所以，壓力容器的單探頭導(dǎo)波檢測(cè)可參照板材的蘭姆波檢測(cè)，故入射角的選擇可依據(jù)蘭姆波的激勵(lì)角曲線計(jì)算結(jié)果作為探頭入射角的設(shè)計(jì)參考。針對(duì)海洋石油靜電脫水壓力容器的特點(diǎn)，探頭頻率選擇為f＝1.5MHz，入射角為53°，檢測(cè)效果最好，最后確定探頭入射角α＝53°。

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 測(cè)試試樣與儀器

測(cè)試試樣如圖1所示，長(zhǎng)度為1400mm，寬度為600mm，鋼板厚度5～6mm，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400mm處加工一φ6mm×1.25mm的平底孔。

圖1 測(cè)試試樣設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀器采用ISONIC2005，換能器采用自制的1P23×28（入射角53°）導(dǎo)波換能器，耦合劑為黃油。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)設(shè)計(jì)制備的帶有人工缺陷的測(cè)試試樣進(jìn)行檢測(cè)，觀察超聲導(dǎo)波在試樣中的傳播情況，使用自制導(dǎo)波換能器對(duì)試樣進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，觀察所能達(dá)到的檢測(cè)距離和檢測(cè)效果。

圖2是一組采用自制換能器測(cè)得的φ6mm平底孔典型脈沖反射回波信號(hào)，在閘門內(nèi)的波形為不同距離處測(cè)得的φ6mm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φ6mm平底孔位置分別為600，1000mm，增益值讀數(shù)為84dB時(shí)，缺陷波幅達(dá)到滿屏高度的80%和50%。

從圖2試驗(yàn)結(jié)果可以清晰地看出，來(lái)自缺陷的反射回波信號(hào)隨著換能器與缺陷距離的增加，缺陷回波在時(shí)間軸的水平位置增加；隨著換能器與缺陷距離的增加，缺陷回波信號(hào)幅度減小。

利用自制換能器可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波的激勵(lì)和接收，并能有效檢測(cè)距探頭1000mm處的φ6mm×1.25mm的平底孔信號(hào)。通過(guò)該試驗(yàn)進(jìn)一步分析可知，單換能器導(dǎo)波檢測(cè)壓力容器雖然能夠達(dá)到快速檢測(cè)的目的，但由于頻散和衰減，檢測(cè)的距離會(huì)受到一定的限制。例如，在對(duì)試樣測(cè)試時(shí)，隨著換能器離缺陷距離增加，缺陷回波和平板試樣端部回波幅度減?。ㄔ谕环迪聹y(cè)試此情況更明顯），這是聲波頻散和衰減造成。觀察波包的變化情況可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)波在傳播過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生頻散現(xiàn)象，即超聲導(dǎo)波相速度隨頻率的不同而改變。由于激勵(lì)脈沖具有一定的頻帶寬度，激勵(lì)出的不同頻率分量的超聲波以不同的速度傳播，在同距離情況下，不同頻率的聲波分別以不同速度到達(dá)接收探頭，使得顯示屏的時(shí)間軸上回波信號(hào)不是一條窄線，而是具有一定寬度的包絡(luò)。隨著傳播距離增加，導(dǎo)波頻散現(xiàn)象將更加嚴(yán)重，這就使得信號(hào)的信噪比降低，導(dǎo)致信號(hào)的特征提取與識(shí)別困難，檢測(cè)的距離也會(huì)受到限制。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用

3.1 試樣的檢測(cè)

采用上述檢測(cè)方法和檢測(cè)條件，針對(duì)海上石油開(kāi)采平臺(tái)的油水分離系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)的壓力容器進(jìn)行不停車在用超聲導(dǎo)波檢測(cè)要求。首先專門設(shè)計(jì)制備試樣，以驗(yàn)證超聲導(dǎo)波檢測(cè)的可靠性和有效性。試樣材質(zhì)為碳鋼，壁厚10mm，加工兩組平底孔，一組為φ6mm×1.25mm，φ6mm×2.5mm，φ6mm×5.0mm；另一組為φ10mm×1.25mm，φ10mm×2.5mm，φ10mm×5.0mm，見(jiàn)圖3（a）。圖3（b）是距人工缺陷約500mm處超聲導(dǎo)波成像結(jié)果。從圖3（b）中可清晰分辨兩組平底孔導(dǎo)波掃描圖像，與檢測(cè)試樣平底孔對(duì)應(yīng)情況良好，很好地驗(yàn)證了超聲導(dǎo)波檢測(cè)效果的可靠性和準(zhǔn)確性。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用

某海洋石油開(kāi)采平臺(tái)有一臺(tái)靜電脫水器，容器編號(hào) P－V－103，制造日期是 1992 年，設(shè)計(jì)壓力0.4MPa，罐體直徑3800mm，罐體長(zhǎng)度12080mm，筒體名義厚度10mm，封頭名義厚度12mm，介質(zhì)為油水混合物、少量天然氣及H2S等，罐體材質(zhì)為16MnR。罐體外壁包覆保溫層，保溫狀況良好。罐體溫度約70℃。要求在不停車情況下對(duì)罐體腐蝕情況進(jìn)行導(dǎo)波檢測(cè)。因該罐體底部某接管附近已發(fā)生腐蝕穿孔泄漏情況，在拆除少量保溫層情況下，首先對(duì)罐體底部區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。

考慮容器表面漆層及內(nèi)部介質(zhì)對(duì)聲波的衰減，一次檢測(cè)長(zhǎng)度定為500mm，沿罐體周向、軸向均間隔1000mm拆除保溫，拆除寬度滿足使探頭能夠沿罐體周向、軸向進(jìn)行掃查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有效信號(hào)后，再拆除該部位保溫層采用常規(guī)超聲方法進(jìn)行復(fù)核。在檢測(cè)過(guò)程中，由于導(dǎo)波信號(hào)較多，經(jīng)復(fù)核發(fā)現(xiàn)多處嚴(yán)重腐蝕部位，且邊檢測(cè)邊拆除保溫層的速度慢，局部保溫層的拆除使得整個(gè)罐體保溫松動(dòng)，無(wú)法固定，故用戶要求此罐在拆除保溫情況下對(duì)罐體進(jìn)行100%導(dǎo)波檢測(cè)，圖4和5為P－V－103靜電脫水器超聲導(dǎo)波現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況。

圖6為罐體腐蝕部位分布，圖中紅色塊狀、點(diǎn)狀區(qū)域?yàn)楦g部位，雙剖面線藍(lán)色部位為罐體鞍座部位。圖4檢測(cè)部位是罐體底部進(jìn)口端，探頭軸向掃查時(shí)，距探頭約500mm處發(fā)現(xiàn)多處導(dǎo)波有效信號(hào)（圖中十字星標(biāo)記），經(jīng)超聲檢測(cè)復(fù)核，結(jié)果與導(dǎo)波檢測(cè)相符，其中存在一處嚴(yán)重腐蝕，面積200mm×100mm，最小剩余壁厚僅6.3mm。圖5檢測(cè)部位為罐體進(jìn)口端封頭底部，距導(dǎo)波探頭400mm處時(shí)發(fā)現(xiàn)多處有效信號(hào)（圖中十字星標(biāo)記），經(jīng)超聲檢測(cè)復(fù)核，結(jié)果與導(dǎo)波檢測(cè)相符，其中存在兩處嚴(yán)重腐蝕，面積分別為200mm×100mm，100mm×100mm，最小剩余壁厚7.5mm。

圖6 罐體腐蝕部位外壁展開(kāi)圖

從圖6可知，靜電脫水器P－V－103經(jīng)100%超聲導(dǎo)波檢測(cè)加常規(guī)超聲檢測(cè)復(fù)核，發(fā)現(xiàn)20多處腐蝕部位，其中，腐蝕面積最大為900mm×1000mm，最小為點(diǎn)狀，腐蝕區(qū)域最小剩余壁厚3mm，大部分腐蝕位于3點(diǎn)～9點(diǎn)鐘方向的罐體底部區(qū)域。該罐已發(fā)現(xiàn)兩處腐蝕穿孔泄漏，其中一處位于鞍座加強(qiáng)板覆蓋的管壁部位，導(dǎo)波對(duì)此處檢測(cè)信號(hào)清晰，說(shuō)明導(dǎo)波對(duì)罐體隱蔽部位能進(jìn)行有效檢測(cè)。此外，還對(duì)此海洋開(kāi)采平臺(tái)油水分離系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)的其他壓力容器進(jìn)行了100%導(dǎo)波在線檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)罐體腐蝕情況也較嚴(yán)重，有一臺(tái)生產(chǎn)分離器，在封頭氣液界面的焊縫熱影響區(qū)，導(dǎo)波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)一處面積350mm×30mm、最小剩余壁厚5.5mm的腐蝕（封頭名義厚度14mm）。綜上所述，超聲導(dǎo)波技術(shù)能夠?qū)υ谝蹓毫θ萜鬟M(jìn)行有效檢測(cè)。

原海上開(kāi)采平臺(tái)壓力容器的在線檢測(cè)，多采用外觀檢驗(yàn)結(jié)合超聲測(cè)厚方法進(jìn)行，具有檢測(cè)效率低，易漏檢等缺點(diǎn)。而單探頭超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)具有一次檢測(cè)距離長(zhǎng)，能快速檢測(cè)整個(gè)罐體腐蝕類缺陷狀況等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)時(shí)，由于罐體表面漆層、內(nèi)部液體介質(zhì)等導(dǎo)致聲波衰減因素的影響，一次檢測(cè)有效長(zhǎng)度不宜超過(guò)1000mm，控制在500mm內(nèi)檢測(cè)效果較理想。在實(shí)際掃查時(shí)，檢測(cè)靈敏度高會(huì)湮沒(méi)距探頭較近的缺陷回波信號(hào)，所以，應(yīng)以兩個(gè)不同靈敏度對(duì)罐體同一部位進(jìn)行兩次掃查，較低靈敏度檢測(cè)距探頭較近區(qū)域缺陷，較高靈敏度檢測(cè)距探頭較遠(yuǎn)區(qū)域缺陷。為確定缺陷類型和大小，必須采用其他檢測(cè)方法復(fù)核，例如常規(guī)超聲檢測(cè)方法。罐體幾何尺寸突變部位、焊縫余高、接管、罐內(nèi)部件與罐體內(nèi)壁焊接部位，內(nèi)壁污物堆積、氣液界面等均有明顯回波信號(hào)，檢測(cè)時(shí)應(yīng)注意區(qū)分。為確定有效導(dǎo)波信號(hào)，探頭應(yīng)進(jìn)行前后、左右和轉(zhuǎn)動(dòng)掃查，掃查時(shí)注意觀察回波變化情況，如探頭前后移動(dòng)，回波在時(shí)間軸線上與探頭移動(dòng)方向一致，且波幅高度變化與探頭移動(dòng)方向一致，則為有效導(dǎo)波信號(hào)。對(duì)同一部位缺陷，導(dǎo)波探頭應(yīng)在離該部位一定距離的罐體周向和軸向分別進(jìn)行掃查，觀察在同一部位是否都有回波信號(hào)，如有，則為有效導(dǎo)波信號(hào)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法為在役壓力容器提供了一種有效的缺陷檢測(cè)方法。檢測(cè)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)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(duì)導(dǎo)波檢測(cè)非常重要。實(shí)際檢測(cè)結(jié)果表明，利用自行研制的導(dǎo)波換能器可以清晰檢出1400mm×600mm×5mm試樣中φ6mm×1.25mm的平底孔，一次檢測(cè)距離可達(dá)1000mm。

（2）采用導(dǎo)波檢測(cè)方法可以檢出海洋石油靜電脫水壓力容器內(nèi)外壁腐蝕類缺陷。由于表面漆層、內(nèi)部液體介質(zhì)對(duì)聲波衰減較大，一次探測(cè)距離長(zhǎng)度不大于500mm效果較理想。

（3）單探頭超聲導(dǎo)波技術(shù)結(jié)合常規(guī)檢測(cè)方法可實(shí)現(xiàn)在役壓力容器腐蝕類缺陷的快速檢測(cè)。實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用中，由于存在影響導(dǎo)波檢測(cè)的非缺陷指示信號(hào)等因素，可以首先利用導(dǎo)波對(duì)整個(gè)罐體進(jìn)行掃查，確定檢測(cè)區(qū)域和缺陷指示區(qū)，再采用其他方法進(jìn)行復(fù)核，確定損傷的大小和剩余壁厚等。

［1］J L羅斯，著.固體中的超聲波［M］.何存富，譯.北京：北京科學(xué)出版社出版，2004.

［2］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）：131－132.

［3］石歡.壓力管道檢測(cè)中單探頭導(dǎo)波的激勵(lì)與接收［J］.無(wú)損探傷，2008（2）：21－22.

［4］他得安，王威琪，汪源源，等.管道導(dǎo)波檢測(cè)中激發(fā)頻率的選擇及靈敏度分析［J］.無(wú)損檢測(cè)，2005，27（2）：85.