淺談石油專用管的超聲波檢測(cè)技術(shù)

石峰 (勝利油田物資供應(yīng)處檢驗(yàn)所檢驗(yàn)車間 山東 東營 257000)

石油專用管材包括鉆桿、方鉆桿、鉆鋌、油管、套管等，這些專用管工作時(shí)受到復(fù)雜的應(yīng)力作用，工作條件很惡劣，但工程對(duì)專用管質(zhì)量要求很嚴(yán)格，不能有任何一處出現(xiàn)故障，否則將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡。無損檢測(cè)技術(shù)是保證石油專用管質(zhì)量的重要檢測(cè)手段，在專用管材制造加工過程中就應(yīng)該根據(jù)檢測(cè)計(jì)劃和要求對(duì)管材成品和半成品進(jìn)行檢測(cè)，另外在重復(fù)使用石油專用管材時(shí)也要定期進(jìn)行檢測(cè)，從而保證石油工程作業(yè)的順利進(jìn)行。對(duì)于石油專用管的無損檢測(cè)常用的方法有：目視檢查、漏磁檢查、射線檢查、磁粉檢測(cè)、渦流檢驗(yàn)以及超聲波檢測(cè)等。其中，超聲波檢測(cè)是檢測(cè)效果與現(xiàn)場(chǎng)推廣程度俱佳的一種檢測(cè)技術(shù)，超聲波技術(shù)主要用來檢測(cè)管材內(nèi)部腐蝕狀況和管材的壁厚，尤其是對(duì)可能造成較大危害裂紋性質(zhì)的管材缺陷有著相當(dāng)好的檢驗(yàn)效果。

一、超聲波檢測(cè)原理

超聲波檢測(cè)技術(shù)是利用了超聲波可以傳入金屬材料內(nèi)部，當(dāng)其從一個(gè)截面?zhèn)魅肓硪唤孛鏁r(shí)，在兩截面的邊緣將會(huì)發(fā)生反射的性質(zhì)來達(dá)到檢測(cè)管材缺陷的目的，即當(dāng)超聲波束由探頭出發(fā)從管材表面?zhèn)魅氲焦懿膬?nèi)部，當(dāng)遇到內(nèi)部缺陷或是管材底面時(shí)，超聲波就將發(fā)生反射，并在超聲波檢測(cè)儀器的屏幕上形成脈沖波形，根據(jù)波形即可確定管材內(nèi)部缺陷的大小與位置。

超聲波有很多種波形，常用到的檢測(cè)波形有：橫波、縱波、板波及表面波。每種波形應(yīng)用的場(chǎng)合也不盡相同，橫波可用于檢測(cè)管材內(nèi)部軸向或者周向裂紋與劃痕以及焊縫內(nèi)部的夾渣、氣孔、裂紋、沒焊透等問題；縱波主要用于檢測(cè)鑄件、鍛件、坯料內(nèi)部的白點(diǎn)、縮管、雜物、裂紋等缺陷；板波可用來檢測(cè)薄板內(nèi)部的缺陷；表面波可以用來檢測(cè)外形簡(jiǎn)單加工件表面的缺陷。

二、超聲波檢測(cè)方法

超聲波檢測(cè)技術(shù)在石油專用管中應(yīng)用的方法有很多種，根據(jù)原理的差異可分為穿透法、共振法和脈沖反射法。

穿透法是在待測(cè)工件相對(duì)的兩面分別放置一個(gè)探頭，發(fā)射端探頭發(fā)出超聲波，穿透待測(cè)工件的一個(gè)界面到達(dá)相對(duì)的另一界面，從而被該處的探頭所接收。工件內(nèi)部缺陷狀況判斷依據(jù)是超聲波穿透工件兩個(gè)界面前后的能量變化值。當(dāng)工件內(nèi)部質(zhì)量完好時(shí)，終端探頭接收到的超聲波信號(hào)的能量就較強(qiáng)；反之，如果工件內(nèi)部存在缺陷時(shí)，超聲波將在缺陷處受到阻礙，會(huì)在缺陷后產(chǎn)生聲影，如此，即可根據(jù)發(fā)射端與終端超聲波能量值的差異大小來分析待測(cè)工件內(nèi)部缺陷大小。穿透法有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①可以根據(jù)前后能量差異來判定是否存在缺陷，但是不能確定缺陷的具體位置；②對(duì)于微小缺陷的靈敏度不高，常常會(huì)被忽略；③操作和指示都比較簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)；④能夠用于薄板的檢測(cè)作業(yè)，因其可以有效地避免盲區(qū)；⑤對(duì)于會(huì)引起超聲波較大衰減的材料也能夠適應(yīng)；⑥在放置發(fā)射端和終端探頭時(shí)，對(duì)其位置與相對(duì)距離都有較高的要求。

共振法是通過對(duì)連續(xù)聲波頻率的調(diào)節(jié)使待測(cè)工件內(nèi)部達(dá)到共振狀態(tài)，以此來計(jì)算待測(cè)工件的厚度或是判定工件內(nèi)部是否存在缺陷的一種檢測(cè)方法。共振法主要用來檢測(cè)表面粗糙度較低的工件厚度，另外也可以對(duì)復(fù)合材料的膠結(jié)狀態(tài)進(jìn)行探測(cè)以及檢測(cè)鋼板內(nèi)部夾層的缺陷。超聲波在待測(cè)工件內(nèi)部傳播，通過調(diào)節(jié)頻率，當(dāng)反射波的相位與入射波的相位相等時(shí)，即會(huì)在工件內(nèi)部引起共振現(xiàn)象，此時(shí)待測(cè)工件的厚度等于超聲波波長的0.5倍或是整數(shù)倍。共振法檢測(cè)技術(shù)有以下兩個(gè)特點(diǎn)：①對(duì)待測(cè)工件表面粗糙度有很高的要求；②測(cè)量工件厚度時(shí)有著很高的精確度，在對(duì)薄板或薄壁管檢測(cè)作業(yè)時(shí)有著很好的效果。

脈沖反射法是將超聲波發(fā)射傳播到待測(cè)工件內(nèi)部，當(dāng)從一截面?zhèn)魉偷搅硪唤孛鏁r(shí)，在兩個(gè)截面的界面上將發(fā)生反射的性質(zhì)來判斷工件內(nèi)部是否存在缺陷的一種檢測(cè)方法。其根據(jù)入射波波型可以分為：橫波檢測(cè)法、縱波檢測(cè)法、表面波檢測(cè)法以及蘭姆波檢測(cè)法。脈沖反射法的特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：①可以利用不同波型的特點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)，適用的場(chǎng)合很廣；②能夠?qū)Υ郎y(cè)工件內(nèi)部缺陷的大小與位置進(jìn)行很精確的測(cè)量；③有很高的靈敏度，可用于探測(cè)細(xì)微的缺陷。

三、超聲波檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)過程

在石油專用管檢測(cè)中，常用到的檢測(cè)儀器是A型顯示脈沖反射式超聲波探傷儀，該儀器可以測(cè)量得到待測(cè)工件內(nèi)部是否存在缺陷、缺陷的大小以及位置，其依據(jù)分別是通過示波屏反映出來的是否存在反射信號(hào)、反射信號(hào)與入射信號(hào)的相位差以及反射信號(hào)的幅度。另外，對(duì)每次測(cè)試的偏差進(jìn)行計(jì)算，評(píng)估整個(gè)檢測(cè)作業(yè)的不確定度分量，最終確定檢測(cè)系統(tǒng)的不確定度。其測(cè)量過程分為以下幾個(gè)步驟：

（1）測(cè)量數(shù)據(jù)：①在垂直于待測(cè)管材中心軸線的分割線上安裝探頭，通過輕壓使探頭與專用管體保持良好的接觸；②當(dāng)采用點(diǎn)測(cè)量管材厚度，要求布置比較密集的測(cè)量點(diǎn)時(shí)，移動(dòng)探頭時(shí)不得與管體表面始終保持接觸，而應(yīng)該做跳躍式的移動(dòng)；③顯示屏上顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定以后方可讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示是否穩(wěn)定的判定依據(jù)一般是要求同一數(shù)值在±0.1mm范圍內(nèi)保持3s或以上。

（2）確定數(shù)學(xué)公式：δ=（ut）/2，其中 δ 是管材厚度（mm)，u 是聲波速度（mm/s），t是聲波在管材中往返一次的時(shí)間（s）。

（3）評(píng)定不確定度分量，主要分為兩個(gè)方面，首先確定對(duì)同一指標(biāo)重復(fù)性檢測(cè)產(chǎn)生的不確定度，再確定超聲波儀器顯示值誤差導(dǎo)致的不確定度。

（4）將已評(píng)定的不確定度分量進(jìn)行列表，并合成計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)不確定度，再選取包含因子，確定擴(kuò)展不確定度。

（5）根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得出測(cè)試結(jié)果，出具檢測(cè)報(bào)告。