石油鉆機鋼結(jié)構(gòu)焊縫的無損檢測應(yīng)用研究

張銀洲，劉 杰，王 剛

（渤海石油裝備制造有限公司遼河鉆采裝備分公司，遼寧盤錦 124010）

0 引言

焊縫無損檢測是焊接領(lǐng)域正在發(fā)展的重要技術(shù)，這類技術(shù)既能夠幫助技術(shù)人員明確焊縫焊接的質(zhì)量，又能夠不傷害焊接結(jié)構(gòu)本身，是生產(chǎn)建設(shè)領(lǐng)域中的關(guān)鍵檢測技術(shù)。目前常用于焊縫無損檢測的技術(shù)包括超聲波、射線、磁粉、滲透等，這些技術(shù)在無損檢測的質(zhì)量和效率上各有特點，需要根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇。石油鉆機是一種承擔(dān)重負(fù)荷、強沖擊力的設(shè)備，鉆井過程中整個鉆機的鋼結(jié)構(gòu)都在承受力的作用，若焊縫質(zhì)量不過關(guān)很有可能導(dǎo)致鉆機鋼結(jié)構(gòu)在某些部位出現(xiàn)超預(yù)期磨損，影響鉆機的運行質(zhì)量和運行安全。

1 石油鉆機鋼結(jié)構(gòu)焊縫無損檢測技術(shù)應(yīng)用的必要性

我國的石油礦藏多存儲于含鹽、含堿的地帶，或海洋板塊之下，這些區(qū)域的開采環(huán)境無疑是比較惡劣的，石油鉆機在這些地區(qū)的應(yīng)用承受著不可忽視的腐蝕和負(fù)面影響。而且在石油鉆機的鉆井工作過程中，鉆機及鋼結(jié)構(gòu)都在承受著持續(xù)不斷的振動影響，這些影響因素對鋼結(jié)構(gòu)焊縫的質(zhì)量和安全程度有著不可忽視的作用。要保證石油鉆機鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和穩(wěn)定性，需要在無損狀態(tài)下檢測焊縫的焊接質(zhì)量，避免石油鉆機在整體性有缺陷、穩(wěn)定性不足的情況下進(jìn)行鉆井開采工作，保證石油開采的順利進(jìn)行。

2 目前常用的無損檢測技術(shù)

2.1 超聲波檢測技術(shù)

超聲波檢測技術(shù)是無損檢測領(lǐng)域中的一種，在焊縫無損檢測領(lǐng)域中比較常見。這里的超聲波是指頻率高于20 000 Hz的波段，在焊接金屬、結(jié)構(gòu)金屬、縫隙3種不同材料內(nèi)傳播、折射、反射的效果不同，能夠在不損傷焊接焊縫的前提下完成探傷操作，幫助技術(shù)人員了解焊接缺陷所在，了解焊接缺陷的大小，以便于進(jìn)行補救，提高焊縫的焊接質(zhì)量，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。超聲波焊縫無損檢測技術(shù)的應(yīng)用有自己的優(yōu)缺點，優(yōu)點是這種技術(shù)成本低、操作難度低、檢測效率高、檢測準(zhǔn)確率高，缺點則是檢測結(jié)果以波形呈現(xiàn)，需要技術(shù)人員根據(jù)波形進(jìn)行解讀，對技術(shù)人員的專業(yè)水平和工作經(jīng)驗依賴較大，檢測結(jié)果不夠直觀。而且，超聲波無損檢測技術(shù)在不同材質(zhì)、材料性狀的影響下還容易產(chǎn)生不同的檢測結(jié)果，對技術(shù)人員的解讀干擾也比較大，是一種還需要完善的技術(shù)。

2.2 射線檢測技術(shù)

射線無損檢測技術(shù)是一種利用射線進(jìn)行檢測的技術(shù)，常用的射線包括X射線、γ射線等。射線通過焊縫能夠?qū)⒑缚p內(nèi)部的情況直接呈現(xiàn)在屏幕上，因此，這種檢測技術(shù)也被稱為照相觀察法。與超聲波檢測技術(shù)不同，射線檢測技術(shù)能夠?qū)⒑缚p內(nèi)的缺陷、損傷所在的位置及其大小直接以可視化的方式呈現(xiàn)出來，方便技術(shù)人員掌握并進(jìn)行處理。但由于射線在通過焊縫內(nèi)部時，會發(fā)生不可避免的、一定程度的衰減，且在不同的焊接材料影響下射線的衰減系數(shù)并不是一致的，所以判斷焊縫缺陷時需要充分考慮到射線的衰減問題。在進(jìn)行石油鉆機鋼結(jié)構(gòu)焊縫無損檢測時，射線檢測技術(shù)的穿透力度、缺陷形狀描繪、可視化功能都能夠幫助技術(shù)人員更好的了解焊縫情況，但需要找好射線的入射角度，盡量避免使用射線去穿透厚度超過200 mm的材料，以免穿透得出的結(jié)果容易出現(xiàn)較大的誤差，不利于檢測結(jié)果的判斷。無論是X射線還是γ射線，在照射厚度較大、規(guī)模較大的情況下，想要清楚檢測焊縫的情況需要長時間照射，這對技術(shù)人員的身體是有很大傷害的。因此，射線檢測技術(shù)的應(yīng)用必須要找準(zhǔn)角度和方位。

2.3 磁粉檢測技術(shù)

磁粉檢測技術(shù)是一種與超聲波、射線檢測技術(shù)原理都有較大差異的檢測技術(shù)，主要利用金屬材料的磁場來進(jìn)行缺陷判斷。磁粉檢測技術(shù)多用于鋼材等能夠產(chǎn)生磁性的材料檢測中，鋼材磁化后產(chǎn)生磁場，磁粉會在磁場影響下形成規(guī)律排布，而缺陷的存在會使得鋼材的磁場發(fā)生局部變形，磁粉就會在磁場的作用下發(fā)生局部聚集。因此，在使用磁粉進(jìn)行無損檢測時，如果技術(shù)人員觀察到磁粉的局部聚集就可以判斷缺陷的存在，并可根據(jù)磁粉聚集的位置、聚集量的大小來判斷鋼結(jié)構(gòu)焊縫缺陷存在的位置和大小。磁粉檢測技術(shù)是一種操作簡單、檢測效率高、檢測速度快、對人體沒有傷害的檢測技術(shù)，但這種檢測技術(shù)對于近鋼材表面的缺陷有較為明顯的反映，對位于鋼材深處的缺陷卻無法順利表達(dá)，有較為明顯的局限性。如果要檢測的對象并非可磁化的材料，或磁化后磁性較弱，則磁粉檢測技術(shù)不可用，這種檢測技術(shù)的局限性比超聲波、射線檢測技術(shù)更大。

2.4 滲透檢測技術(shù)

滲透檢測技術(shù)的原理與前三者都有很大不同，這里的滲透是指毛細(xì)血管現(xiàn)象所引起的液體在縫隙中的流動現(xiàn)象。滲透檢測技術(shù)又稱為液體滲透檢測。具體操作方法是在保證焊縫溫度在10～50℃時，對焊縫表面涂抹滲透液，待滲透液在焊縫表面縫隙內(nèi)充分流動后，技術(shù)人員再將表面的滲透液擦除，就能夠在沒有表面滲透液干擾的情況下觀測到焊縫內(nèi)部的滲透液，從而通過滲透液的存在來明確焊縫內(nèi)部的缺陷所在。常用的滲透液可以是熒光質(zhì)地，也可以是可著色的質(zhì)地，前者可在黑暗情況下觀測到焊縫缺陷，后者可在光照情況下進(jìn)行。滲透檢測技術(shù)是一種能夠直觀呈現(xiàn)焊縫缺陷的檢測技術(shù)，操作簡單，效果明顯，且受到材料、缺陷位置的影響較小，但這種檢測技術(shù)對于存在于內(nèi)部深處的缺陷無法檢測，或者說滲透液能夠流進(jìn)去，技術(shù)人員卻無法進(jìn)行有效觀測，因此更多用于表面焊縫缺陷的檢測。

3 無損檢測技術(shù)在石油鉆機鋼結(jié)構(gòu)焊縫檢測中的應(yīng)用

3.1 測厚儀在石油鉆機底座無損檢測中的應(yīng)用

測厚儀是一種利用超聲波檢測技術(shù)的設(shè)備，探頭可送入石油鉆機鋼結(jié)構(gòu)焊縫內(nèi)部，發(fā)射超聲波并接收超聲波反射結(jié)果，從而實現(xiàn)對焊縫缺陷的位置、大小的掌握。測厚儀能夠準(zhǔn)確測量對象的厚度，從而對深藏在鋼結(jié)構(gòu)焊縫內(nèi)部的夾層缺陷、裂紋缺陷、腐蝕缺陷都有較為良好的檢測效果。測厚儀的應(yīng)用需要經(jīng)過位置確定、精度調(diào)整、耦合劑使用等多個環(huán)節(jié)，以保證檢測的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。首先是位置測定，石油鉆機鋼結(jié)構(gòu)焊縫的無損檢測，目標(biāo)是鋼結(jié)構(gòu)焊縫，其中經(jīng)常與其他部位、地面接觸且摩擦的位置應(yīng)當(dāng)是重點檢測對象，比如經(jīng)常接觸鹽堿土環(huán)境、經(jīng)常搬動受撞擊的底座諸多焊縫位置。其次是精度調(diào)整。能夠影響這臺檢測儀器工作效果的因素中比較常見且影響較大的包括材料表面狀態(tài)、耦合劑材料選擇兩種。材料表面狀態(tài)可以通過打磨的方式讓探頭能夠更貼合檢測部位，盡量排除二者之間的空氣，耦合劑的選擇也能夠幫助探頭與檢測部位更好的接觸。在實際檢測過程中，測厚儀需要耦合劑的配合，耦合劑能夠排除探頭和被測部位材料之間的空氣，提高檢測的質(zhì)量和準(zhǔn)確度。通常材料表面較光滑時多用低粘度耦合劑，材料表面粗糙時多用高粘度耦合劑。在涂膜耦合劑后，探頭需要在1個測試位置進(jìn)行3次檢測，取較小值；如果檢測結(jié)果不穩(wěn)定，則需要以原檢測位置為圓心、以30 mm為半徑進(jìn)行數(shù)次檢測，取較小值。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)工程焊縫缺陷定位

除了測厚儀外，超聲波無損檢測技術(shù)還能夠用于大面積掃描、定位缺陷，這樣的應(yīng)用方式比較適合技術(shù)人員對石油鉆機進(jìn)行日常運維，能夠幫助技術(shù)人員快速發(fā)現(xiàn)、定位鋼結(jié)構(gòu)焊縫缺陷，為后續(xù)的針對性檢測和維修奠定基礎(chǔ)。用超聲波無損檢測技術(shù)定位時，首先技術(shù)人員需要進(jìn)行水平位置的掃描，通過降低掃描速度來對比出現(xiàn)超聲波波動的位置，將缺陷可能存在的位置進(jìn)行劃定。其次，在掌握缺陷可能存在的位置后，技術(shù)人員可以根據(jù)反射回來的超聲波是幾次波來判斷缺陷位于表層還是深層，若是二次波則說明缺陷在表層，若是一、二次波或二、三次波之間則說明缺陷在深處，若是三次波則說明缺陷在焊縫的根部，屬于位置非常深的焊接缺陷。然后，技術(shù)人員可以根據(jù)判定的缺陷位置選擇進(jìn)一步精確的檢測，或進(jìn)行缺陷處理。

3.3 缺陷波形識別

缺陷波形識別是應(yīng)用超聲波技術(shù)為石油鉆機鋼結(jié)構(gòu)焊縫做缺陷檢測時的重要環(huán)節(jié)，是技術(shù)人員能夠準(zhǔn)確判斷缺陷位置、缺陷大小、缺陷深度的關(guān)鍵。通常來講，鋼結(jié)構(gòu)焊縫常見的缺陷包括夾層、裂紋、氣孔、腐蝕等幾種情況，不同的缺陷會表現(xiàn)出不同的反射和折射，從而使技術(shù)人員接收到的超聲波呈現(xiàn)出不同的波形。比如：因氣體沒有及時排出而形成的空洞是氣孔缺陷，這種缺陷常見于保護氣體不足、焊劑未完全干透等問題，在進(jìn)行超聲波檢測時波形表現(xiàn)為穩(wěn)定的、高度較小的回波，氣孔分布越密集，回波的高度變化越大，在探頭定點轉(zhuǎn)動時能夠明顯觀測到。又比如：因焊接過程中焊縫夾雜了熔渣而形成的夾層缺陷，在超聲波檢測時波形表現(xiàn)為一個主峰上多個小峰，波幅有明顯的波動性，且點狀夾層、條狀夾層的回波波形都與缺陷形狀頗為相似，可以作為技術(shù)人員判斷鋼結(jié)構(gòu)焊縫缺陷情況的參考。

4 結(jié)束語

在石油鉆機鋼結(jié)構(gòu)焊縫的無損檢測工作中，超聲波技術(shù)是目前比較常用的一種，雖然不能直接進(jìn)行內(nèi)部焊縫缺陷觀測，缺陷分析也更多依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗，但這種檢測技術(shù)的適用范圍廣、檢測準(zhǔn)確率高、對技術(shù)人員傷害小，在無損檢測領(lǐng)域中有廣闊的應(yīng)用前景。