超聲C掃描技術(shù)在油氣管道檢測(cè)中的應(yīng)用

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(1.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院，廣漢 618300； 2.四川科特檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣漢 618300；3.西南石油大學(xué)，石油與天然氣工程學(xué)院， 成都 615000)

由于輸送介質(zhì)具有腐蝕性或介質(zhì)對(duì)管道存在沖刷作用，隨著服役期的延長(zhǎng)，油氣管道的內(nèi)腐蝕問(wèn)題日益突出，特別是輸送高含硫、高溫CO2、含砂量大的油氣田集輸管道，其內(nèi)腐蝕狀況更是令人擔(dān)憂。定期檢驗(yàn)作為保障壓力管道和其他特種設(shè)備的重要手段，已得到普遍認(rèn)可和重視。但是目前定期檢驗(yàn)僅以單點(diǎn)超聲檢測(cè)為主要方式，該方式無(wú)法覆蓋管道腐蝕區(qū)域，易發(fā)生漏檢，且無(wú)法準(zhǔn)確了解管道的腐蝕狀況。

超聲C掃描檢測(cè)技術(shù)具有缺陷檢出率高、檢測(cè)精度高、缺陷定位定量準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于管道點(diǎn)蝕、局部腐蝕等內(nèi)腐蝕缺陷檢測(cè)，相對(duì)常規(guī)超聲波壁厚檢測(cè)技術(shù)，是一種高精度的腐蝕檢測(cè)成像技術(shù)[1]。筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外成套的超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了長(zhǎng)期調(diào)研，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)自行設(shè)計(jì)的試塊進(jìn)行了缺陷檢測(cè)能力試驗(yàn)，并利用相關(guān)超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了相應(yīng)的檢測(cè)試驗(yàn)，對(duì)檢測(cè)靈敏度、缺陷定位定量精度、檢測(cè)速率等性能指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 技術(shù)原理

超聲檢測(cè)(UT)是五大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法之一，是利用材料和缺陷的聲學(xué)性能差異對(duì)超聲波傳播波形反射情況和穿透時(shí)間的能量變化來(lái)檢測(cè)材料內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法，也是最具發(fā)展?jié)摿Φ臒o(wú)損檢測(cè)方法，應(yīng)運(yùn)而生的有相控陣超聲法、衍射時(shí)差超聲法等新技術(shù)。

超聲成像技術(shù)是超聲波檢測(cè)技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理、圖像處理等技術(shù)發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)物，可將傳統(tǒng)的數(shù)字波形轉(zhuǎn)換為二維、三維圖像[2]。該技術(shù)具有自動(dòng)化和智能化的特點(diǎn)，超聲圖像包含大量的材料信息，可以直接反映物體的聲學(xué)性能，在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域有著非常廣闊的發(fā)展前景。

1.1 常規(guī)超聲C掃描成像檢測(cè)技術(shù)

當(dāng)今，對(duì)腐蝕超聲檢測(cè)的顯示，正逐漸從“單點(diǎn)”的A型顯示和“二維線性”的B型顯示向“三維體性”的C型顯示方式發(fā)展，缺陷顯示更加真實(shí)完整，數(shù)據(jù)更加豐富。

超聲C型掃描顯示，簡(jiǎn)稱(chēng)C掃，即特定深度掃描模式(Constant Depth Mode)，從顯示方式看是二維平面顯示，用平面上不同的顏色來(lái)反映波幅高度或不同的厚度信息。C掃的圖像實(shí)際是由探頭掃描路徑的每一組B掃圖像組合而成，因此C掃成像平面與B掃成像平面是互相垂直的。在C型掃描成像中，探頭不但要沿x方向掃描，而且還要沿y方向掃描，即面掃描(二維掃描)，而不是線掃描(一維掃描)。為獲得某一與聲束軸線垂直的斷面在z=z0的圖像，掃描聲束應(yīng)聚焦于該平面；改變掃描聲束聚焦的平面，即可獲得物體不同深度的C掃截面圖像，其原理如圖1所示[3]。

圖1 超聲C掃描檢測(cè)示意及結(jié)果顯示圖

由此來(lái)看，超聲A型掃描顯示為“點(diǎn)”顯示，超聲B型掃描顯示為“線”顯示，而超聲C型掃描顯示為“面”顯示。在超聲C型掃描顯示中包含A型掃描和B型掃描。

1.2 相控陣超聲C掃描成像檢測(cè)技術(shù)

相控陣成像檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)控制換能器中各個(gè)陣元激勵(lì)(或接收)的時(shí)間延遲，改變由各陣元發(fā)射(或接收)聲波到達(dá)被檢結(jié)構(gòu)內(nèi)部某點(diǎn)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)和聲束方位的變化，從而完成相控陣波束合成，形成掃描成像的技術(shù)。該技術(shù)利用相控陣探頭多陣元分時(shí)聚焦的能力，相比傳統(tǒng)超聲具有良好的聲束可達(dá)性，高的檢測(cè)靈敏度、分辨力和信噪比[4]。

相控陣超聲成像檢測(cè)的核心為相控陣超聲換能器，其由幾十到上百個(gè)相互獨(dú)立的壓電晶片組成，每個(gè)晶片均為陣元，通過(guò)計(jì)算機(jī)按照一定規(guī)則控制每個(gè)陣元的激發(fā)和接收，并將波形轉(zhuǎn)換為圖像顯示，其基本原理如圖2所示。因此，相控陣超聲單次掃查相當(dāng)于幾十到上百個(gè)獨(dú)立的超聲探傷儀同時(shí)工作。

圖2 相控陣超聲C掃描檢測(cè)原理示意

相控陣超聲C掃描成像檢測(cè)技術(shù)一般采用一維線陣探頭沿管道環(huán)向線性掃描，一次性掃描寬度和掃描深度均具備更大優(yōu)勢(shì)，其檢測(cè)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)單通道超聲檢測(cè)設(shè)備，解決了高分辨率和大檢測(cè)范圍無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)的難題，具有更高的應(yīng)用價(jià)值。

2 超聲C掃描檢測(cè)設(shè)備

超聲C掃描檢測(cè)方式通常采用常規(guī)超聲探頭+雙軸掃查器的方式，比如以色列ISONIC 2006以及美國(guó)PAC POCKET-UTTM掌上超聲A/B/C/TOFD成像系統(tǒng)和Tablet-UTTM平板式便攜超聲A/B/C/TOFD成像系統(tǒng)等設(shè)備均采用此種方式。

但是隨著相控陣超聲技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速崛起，誕生了以超聲相控陣技術(shù)為核心的C掃描檢測(cè)技術(shù)，即超聲相控陣多陣元探頭+雙軸掃查器的方式，比如廣州多浦樂(lè)PHASCAN-C掃描系統(tǒng)、奧林巴斯Olympus超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)、GE公司Mentor UT、ZETEC TOPAZ等設(shè)備均采用此種方式。相控陣超聲C掃描系統(tǒng)具有更高的精度和缺陷檢出率，更快的檢測(cè)速度和更高的圖像分辨率等優(yōu)點(diǎn)，因此，其具有更高的發(fā)展空間，必定是今后超聲C掃描檢測(cè)的主流。

總體而言，超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)主要包括超聲波主機(jī)或超聲相控陣主機(jī)、超聲探頭或超聲相控陣探頭、配套掃查裝置、配套耦合裝置和數(shù)據(jù)處理軟件。以?shī)W林巴斯超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)為例，其包括OmniScan MX2 32:128PR、HydroFORM探頭、MapRover掃查裝置、數(shù)據(jù)處理軟件及其他附件。

3 超聲C掃描檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

3.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試試驗(yàn)

為驗(yàn)證超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)的最小缺陷檢出能力、缺陷定位與定量精度、近表面分辨率以及掃查速率等性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)了如圖3所示的階梯試塊。

圖3 超聲C掃描檢測(cè)階梯試塊結(jié)構(gòu)示意圖

該試塊材料為20鋼，設(shè)計(jì)了4個(gè)階梯，每個(gè)階梯尺寸(長(zhǎng)×寬)為250 mm×150 mm，厚度分別為4，6，8，10 mm。第一階梯等間距排布直徑為1，2，3，4 mm平底孔，孔深分別為2，1 mm；第二階梯等間距排布直徑為1,2,3,4 mm平底孔，孔深分別為3，2 mm；第三階梯等間距排布直徑為2，3，4，5 mm平底孔，孔深分別為4，3 mm；第四階梯等間距排布直徑為2，3，4，5 mm平底孔，孔深分別為4，2 mm。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的測(cè)試結(jié)果表明，采用常規(guī)超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)可檢測(cè)φ2 mm以上的平底孔；由于采用的是雙晶探頭，近表面分辨率較高，如以色列的ISONIC 2006設(shè)備經(jīng)過(guò)軟件處理，無(wú)始波占寬，但掃描速度較慢。采用相控陣超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)可檢測(cè)φ1 mm以上的平底孔；采用10 MHz 64晶片的相控陣探頭始波占寬約2mm，對(duì)于較深的平底孔近表面分辨率不高；由于采用多陣元的相控陣探頭，單次線掃的寬度較大，因此掃查速度很快。

圖4為奧林巴斯超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)該階梯試塊第一階梯直徑為1，2，3，4 mm平底孔，孔深為2 mm的掃查結(jié)果，從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，成像分辨率非常高，缺陷尺寸和設(shè)計(jì)基本接近。

圖4 階梯試塊第一階梯超聲C掃描檢測(cè)結(jié)果

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)

3.2.1 常規(guī)超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)

對(duì)新疆某在役地埋輸油管道進(jìn)行常規(guī)超聲C掃描檢測(cè)，檢測(cè)位置如圖5所示，管道規(guī)格(直徑×壁厚)為φ426 mm×8 mm，材料為20鋼，檢測(cè)結(jié)果如圖6所示，其中圖6(d)為壁厚與顏色的對(duì)照?qǐng)D，每種顏色對(duì)應(yīng)一個(gè)壁厚。超聲C掃描檢測(cè)范圍為150 mm(軸向長(zhǎng)度)×220 mm(環(huán)向長(zhǎng)度)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，管道缺陷數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖7所示，缺陷面積(長(zhǎng)×寬)為37.97 mm ×27.40 mm，最大減薄量為3.03 mm。

圖5 新疆在役地埋輸油管道超聲C掃描檢測(cè)位置

圖6 新疆在役地埋輸油管道超聲C掃描檢測(cè)結(jié)果

圖7 缺陷數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖8 塔里木油田某集輸管道超聲C掃描檢測(cè)位置

圖9 塔里木油田某集輸管道超聲C掃描檢測(cè)結(jié)果

3.2.2 相控陣超聲C掃描檢測(cè)

對(duì)塔里木油田某集輸管道全面檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的壁厚異常位置進(jìn)行相控陣超聲C掃描檢測(cè)，檢測(cè)位置如圖8所示，管道規(guī)格(直徑×壁厚)為φ457 mm ×17.5 mm，材料為L(zhǎng)415，檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。

超聲C掃描檢測(cè)范圍為950 mm(環(huán)向長(zhǎng)度)×62 mm(軸向長(zhǎng)度)，圖9中顏色異樣處為發(fā)生內(nèi)腐蝕位置，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，缺陷面積(長(zhǎng)×寬)為120 mm×62 mm，最小剩余壁厚為10.01 mm，最大減薄量為7.49 mm。

4 結(jié)論

(1) 超聲C掃描技術(shù)集成了超聲技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，檢測(cè)結(jié)果能直觀顯示被檢管道的內(nèi)腐蝕缺陷的形貌、面積、深度等信息。

(2) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)階梯試塊的檢測(cè)試驗(yàn)，驗(yàn)證了常規(guī)超聲C掃描系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)量為φ2 mm以上的平底孔缺陷，相控陣超聲C掃描系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)量為φ1 mm以上的平底孔缺陷，為檢測(cè)點(diǎn)蝕缺陷提供了一種新的無(wú)損檢測(cè)方法。

(3) 目前市場(chǎng)上有兩種超聲C掃描系統(tǒng)，分別為常規(guī)超聲C掃描系統(tǒng)和相控陣超聲C掃描系統(tǒng)，其操作簡(jiǎn)便智能，相比單點(diǎn)超聲測(cè)厚具有更高的缺陷檢出率和精度，更高的檢測(cè)效率，且可以實(shí)時(shí)成像的優(yōu)點(diǎn)。

超聲C掃描技術(shù)作為一種精細(xì)的壁厚檢測(cè)技術(shù),其不僅適用于管道，對(duì)于壓力容器的非開(kāi)罐內(nèi)腐蝕檢測(cè)，同樣是一種優(yōu)良的方法；特別是超聲C掃描的檢測(cè)結(jié)果可以為管道及壓力容器腐蝕監(jiān)測(cè)、剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)和剩余壽命預(yù)測(cè)以及腐蝕機(jī)理和腐蝕規(guī)律研究提供有力的技術(shù)支持[5]。但是，超聲C掃描檢測(cè)設(shè)備的掃查裝置還不能完全適應(yīng)各種規(guī)格的管徑，超聲耦合方式也不夠良好。如要大力推廣應(yīng)用超聲C掃描檢測(cè)技術(shù)，必須開(kāi)發(fā)出智能掃查裝置，解決自動(dòng)掃查及水浸耦合的難題。