超聲相控陣技術(shù)在油田注汽鍋爐檢測(cè)中的應(yīng)用

馬文杰

（新疆油田公司工程技術(shù)公司，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

我國(guó)很多油田都有相當(dāng)比例的稠油，稠油需降低黏度才能被開(kāi)采，油田注汽鍋爐[1]便是稠油熱力開(kāi)采的專用設(shè)備。隨著稠油、超稠油的開(kāi)采，油田注汽鍋爐被廣泛應(yīng)用，汽水分離器是其中非常關(guān)鍵的部件，筒體壁厚高達(dá)70～100 mm，設(shè)計(jì)壓力18.06 MPa，工作溫度353 ℃，應(yīng)是使用中安全管理的重點(diǎn)。自油田注汽鍋爐投用以來(lái)，汽水分離器從未檢測(cè)過(guò)，目前已有焊縫出現(xiàn)刺漏現(xiàn)象，存在安全隱患，對(duì)其實(shí)施檢測(cè)成為安全管理的重要工作。

目前油田注汽鍋爐汽水分離器在制造中使用的是γ 射線和常規(guī)超聲檢測(cè)（脈沖反射超聲檢測(cè)）方法。γ 射線法須在現(xiàn)場(chǎng)使用γ 源，污染環(huán)境且對(duì)站場(chǎng)作業(yè)面影響較大，油田業(yè)主不容許使用。常規(guī)超聲檢測(cè)受人為和外界因素影響較大，對(duì)與聲束不垂直的缺陷易造成誤判或漏檢，對(duì)缺陷的檢出具有不確定性，不能很好地滿足檢測(cè)要求。本文通過(guò)對(duì)超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在油田注汽鍋爐汽水分離器檢測(cè)中的應(yīng)用研究，為油田注汽鍋爐汽水分離器的安全評(píng)測(cè)提供更加可靠的檢測(cè)數(shù)據(jù)支持。

1 技術(shù)路線

基于油田注汽鍋爐汽水分離器的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特點(diǎn)和業(yè)主要求，針對(duì)超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在油田注汽鍋爐汽水分離器檢測(cè)應(yīng)用活動(dòng)中，擬定如下技術(shù)路線：對(duì)超聲相控陣檢測(cè)機(jī)理和特點(diǎn)的研究分析→檢測(cè)工藝的擬定→檢測(cè)工藝的驗(yàn)證→現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用檢測(cè)。

2 超聲相控陣檢測(cè)機(jī)理和應(yīng)用特點(diǎn)分析

超聲相控陣檢測(cè)的機(jī)理是采用多陣元的陣列換能器，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)控制各陣元發(fā)射和接收超聲波的時(shí)間，來(lái)控制各陣元聲束的掃描、偏轉(zhuǎn)、聚焦成像的一種檢測(cè)技術(shù)。

裂紋的位置和方向是隨機(jī)分布的，常規(guī)單晶探頭聲束擴(kuò)散、方向單一，對(duì)于方向不利或遠(yuǎn)離聲束軸線位置的裂紋，容易漏檢[2]。而相控陣技術(shù)可在探頭不移動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)區(qū)域的掃查，相控陣探頭的聲束是聚焦的，且能以多種角度入射到缺陷上，能檢出多向裂紋。相控陣檢測(cè)儀器可電子配置參數(shù)，能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)全過(guò)程信號(hào)的記錄，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，生成和顯示不同方向投影的高質(zhì)量圖像[3]，探頭小巧便于對(duì)局限空間位置的檢測(cè)。

3 檢測(cè)工藝的擬定

相控陣超聲與常規(guī)超聲方法雖然同是基于脈沖反射法檢測(cè)，但相控陣超聲在聲場(chǎng)、信號(hào)處理、成像、性能和功能等很多方面都有很大的不同，在應(yīng)用實(shí)踐中的工藝擬定上，必須對(duì)其工藝影響因素重新分析研究，根據(jù)具體檢測(cè)對(duì)象選擇確定。

3.1 影響因素

（1）檢測(cè)設(shè)備。相控陣檢測(cè)設(shè)備包括儀器、探頭、軟件、掃查裝置等，儀器應(yīng)根據(jù)檢測(cè)要求和現(xiàn)場(chǎng)條件來(lái)選擇[4]。儀器應(yīng)有多個(gè)獨(dú)立的通道，水平線性誤差應(yīng)不大于滿刻度的1%，垂直線性誤差應(yīng)不大于滿幅度的5%，且閘門的位置、寬度及電平任意可調(diào)?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)多選擇輕巧便攜、屏幕光亮度好、控制與成像系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便的儀器。

（2）探頭。探頭是由多個(gè)晶片（一般不少于8 個(gè)）組成的陣列，目前焊縫檢測(cè)中比較常用的為線性陣列探頭。探頭頻率影響著檢測(cè)靈敏度、分辨力及聲能的衰減，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)工件厚度、材料、聲束類型等因素，合理選擇探頭的頻率。對(duì)于厚度50～100 mm 的碳鋼焊縫，常選用2～7.5 MHz 的頻率。探頭尺寸的大小影響著聲束掃查覆蓋的區(qū)域，通常根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的厚度、檢測(cè)位置、檢測(cè)面形狀等因素選擇探頭的尺寸，壁厚相對(duì)較大的焊縫宜選用尺寸大的探頭。

楔塊的選擇首先是和探頭相匹配，根據(jù)制定的工藝要求，參照廠家推薦的角度偏轉(zhuǎn)范圍進(jìn)行選擇，對(duì)于有曲率的工件，選擇跟工件曲率相同或相近的楔塊，確保耦合良好。

（3）掃查方式。掃查器的移動(dòng)和相控陣波束方向的結(jié)合形成了特定的掃查方式。選擇合適的掃查方式可以更有效地檢測(cè)和定量缺陷。對(duì)接焊縫優(yōu)先推薦采用扇掃描＋沿線掃查，與坡口垂直的線性掃查對(duì)坡口區(qū)域的未熔合缺陷非常有效，而扇掃則能覆蓋焊縫內(nèi)部、根部及熱影響區(qū)。

（4）聲束型式。通常采用橫波聲束和一次反射法來(lái)掃查檢測(cè)焊縫，對(duì)晶粒較粗大的不銹鋼焊縫，即使采用低頻的橫波，仍有衰減嚴(yán)重、信噪比差的情況，這時(shí)如采用頻率范圍為2～4 MHz的縱波角度入射不失為一種好的解決方法。

（5）聲束角度范圍。角度范圍的確定原則：根據(jù)被檢對(duì)象的厚度；即要考慮焊縫本身，還要考慮兩側(cè)的熱影響區(qū)；僅考慮采用一次波檢測(cè)的情況；選擇的角度范圍并不是越大越好，一般不超出35°～75°，且在楔塊制造廠商推薦的范圍內(nèi)。角度范圍確定后，閘門范圍設(shè)置略大于最大聲程對(duì)應(yīng)的值即可。

（6）探頭偏移。探頭偏移是指探頭前沿離開(kāi)焊縫中心的距離，探頭偏移值是根據(jù)被檢工件的厚度及采用的檢測(cè)角度來(lái)確定的，選擇時(shí)應(yīng)確保對(duì)檢測(cè)區(qū)域充分覆蓋，同時(shí)兼顧檢測(cè)靈敏度。

（7）激發(fā)孔徑。激發(fā)孔徑就是單次激發(fā)晶片組的總長(zhǎng)度。激發(fā)孔徑越大，輻射波的能量也就越大，發(fā)現(xiàn)缺陷的能力越強(qiáng)，且可聚焦的范圍更廣，這對(duì)檢測(cè)有利。但過(guò)大的激發(fā)孔徑尺寸對(duì)設(shè)備要求更高，還會(huì)影響掃查速度，加重?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的負(fù)擔(dān)。在設(shè)置激發(fā)孔徑尺寸時(shí)，應(yīng)使激發(fā)孔徑尺寸D 與晶片寬度B 之比滿足0.2≤D/B≤5，對(duì)于探測(cè)厚度在50～100 mm 的一般材料檢測(cè)中，可偏轉(zhuǎn)方向上激發(fā)孔徑尺寸設(shè)置范圍常為20～35 mm。

（8）聚焦。超聲相控陣系統(tǒng)具有聲束的聚焦特性。利用聚焦特性可以提高聲場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度，回波信號(hào)幅度和信噪比，合理設(shè)定聚焦區(qū)域，可以獲得更高的靈敏度和分辨力，能很好地提高缺陷檢出率和測(cè)量精度。具體設(shè)定方法可參考GB/T 32563—2016《無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)相控陣超聲檢測(cè)方法》。

3.2 檢測(cè)工藝

油田注汽鍋爐汽水分離器的筒體材料為SA-266，筒體規(guī)格為Φ1200×80 mm，焊接方法為GTAW+SMAW+SAW，雙V 形坡口，坡口間隙及鈍邊均為2 mm，焊縫寬度為42 mm，焊縫余高基本與母材相平。

本次檢測(cè)選用多普勒Phascan 32/64 便攜式超聲相控陣檢測(cè)儀。該設(shè)備具備多視圖成像及多種聚焦方式，能實(shí)現(xiàn)快速電子掃描成像。掃查器體系小能夠避開(kāi)焊縫附近多個(gè)接管的影響。被檢材料屬于低碳鋼，為非高衰減系數(shù)材料，為得到更好的靈敏度和分辨力，選用了型號(hào)為5L64-0.6×10-D3-T1、頻率為5 MHz的探頭，楔塊型號(hào)SD3-N60s，角度60°，晶片數(shù)為16。

覆蓋區(qū)域的確定。參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和資料[5-6]，根據(jù)分離器特性，在檢測(cè)前利用儀器配備的軟件，模擬設(shè)置探頭位置、扇掃描角度范圍等參數(shù)，對(duì)聲束（橫波）覆蓋范圍進(jìn)行模擬設(shè)置。焊接接頭檢測(cè)區(qū)域包含了焊縫本身寬度和焊縫兩側(cè)各10 mm 的范圍，選用一次波覆蓋焊縫根部，二次波覆蓋焊縫上部。設(shè)定扇形掃查角度范圍45°～75°，角度步進(jìn)1°。探頭前沿離開(kāi)焊縫中心的距離為34 mm 時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)該焊縫及熱影響區(qū)100%的檢測(cè)。聲束覆蓋范圍如圖1 所示。

圖1 扇掃45°～75°聲束覆蓋范圍

3.3 工藝驗(yàn)證

首次檢測(cè)前，需要對(duì)擬定的檢測(cè)工藝進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證工作包括超聲相控陣檢測(cè)儀器的校準(zhǔn)（聲速、聚焦法則延時(shí)、靈敏度、編碼器等校準(zhǔn)）和定位精度、壁厚覆蓋范圍測(cè)試等內(nèi)容。

（1）聲速校準(zhǔn)。校準(zhǔn)方式是將相控陣探頭放在CSK-1A 試塊的圓心位置，找到CSK-1A 試塊的R50 mm、R100 mm 的圓弧面上的最高波，進(jìn)行校準(zhǔn)。

（2）聚焦法則延時(shí)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)方式是將相控陣探頭放在CSK-1A 試塊的圓心位置，找到R100 mm 的圓弧面上的最高波，進(jìn)行校準(zhǔn)。也可用CSK-1A 試塊深15 mm、Φ1.5 mm 的反射體，或其他反射體校準(zhǔn)。

（3）靈敏度校準(zhǔn)。靈敏度校準(zhǔn)可選用DAC（距離—波幅曲線）或TCG（深度補(bǔ)償曲線）方式進(jìn)行校準(zhǔn)。焊縫檢測(cè)時(shí)，DAC 曲線和TCG 修正可采用CSK－ⅡA 試塊，也可采用其他橫孔試塊。按照設(shè)備的操作手冊(cè)制作DAC 曲線，制作時(shí)點(diǎn)數(shù)的選擇不少于3 點(diǎn)，至少做到二次波聲程對(duì)應(yīng)的厚度，以滿足檢測(cè)的需要，制作DAC 曲線選擇反射體按照由淺入深的順序進(jìn)行，參考試塊上反射體的位置分別在10 mm、20 mm、30 mm 等位置，制作出的DAC 曲線的靈敏度為基準(zhǔn)線靈敏度。TCG 修正是對(duì)不同聲程處相同尺寸反射體的回波進(jìn)行增益修正，修正后不同深度處相同反射體的回波波幅基本一致，經(jīng)最大補(bǔ)償?shù)穆暿鴮?duì)最大聲程處橫孔回波的信噪比應(yīng)大于12 dB。

（4）位置傳感器（編碼器）校準(zhǔn)。使掃查裝置移動(dòng)一定的距離（≥500 mm）時(shí)對(duì)檢測(cè)設(shè)備所顯示的位移與實(shí)際位移進(jìn)行比較，其誤差應(yīng)小于1%，最大不超過(guò)10 mm。

（5）定位精度測(cè)試試驗(yàn)。測(cè)試方法是將相控陣探頭置于試塊表面上，如圖2 所示，在擬用于檢測(cè)的聲束范圍內(nèi)，對(duì)靠近的兩側(cè)邊緣聲束及居中間位置的聲束分別單獨(dú)激發(fā)，找到聲速角度位置相同孔的最高回波對(duì)應(yīng)位置測(cè)量值，與實(shí)際值相比較，位置誤差范圍是否小于1%。測(cè)試試驗(yàn)中聲速角度位置相同孔的最高回波對(duì)應(yīng)位置測(cè)量值為25 mm，實(shí)際值是25 mm，偏差為0，符合要求。

圖2 定位精度測(cè)試試塊

（6）壁厚覆蓋范圍測(cè)定驗(yàn)證試驗(yàn)：試驗(yàn)方法是使用擬定工藝選用的工藝條件及TOFD-C 試塊[7]上的人工缺陷（矩形槽、側(cè)孔）進(jìn)行模擬掃查，檢查其可見(jiàn)矩形槽、側(cè)孔的深度，可見(jiàn)槽及孔最小和最大深度值則為厚度覆蓋范圍。試驗(yàn)實(shí)測(cè)4～80 mm 深度長(zhǎng)橫孔均可見(jiàn)，實(shí)測(cè)顯示深度與實(shí)際深度誤差均小于0.1 mm，符合檢測(cè)工作要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用檢測(cè)

按照上述工藝參數(shù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)32-11-9-3#和18-19-16-3#兩臺(tái)鍋爐汽水分離器殼體的對(duì)接焊縫進(jìn)行超聲相控陣的單面單側(cè)的扇掃描和沿線掃查。檢測(cè)過(guò)程中，首先對(duì)檢測(cè)面的處理情況進(jìn)行檢查，滿足檢測(cè)要求后將檢測(cè)部位分成4 段，進(jìn)行標(biāo)識(shí)和畫(huà)參考線。然后依照工藝設(shè)定參數(shù)，調(diào)試設(shè)備，準(zhǔn)備就緒后，分別按照聚焦深度在30 mm 和70 mm 處沿設(shè)定的路徑進(jìn)行掃查，每段掃查停止和起始位置保持20 mm 的重疊，并控制探頭移動(dòng)時(shí)與預(yù)設(shè)的參考線偏離量不超過(guò)5 mm，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況如圖3 所示。對(duì)檢測(cè)結(jié)果形成的掃描信號(hào)數(shù)據(jù)（共8 幅累計(jì)長(zhǎng)度12.8 m 圖譜）進(jìn)行判讀、分析和評(píng)估，檢測(cè)采集的數(shù)據(jù)有效，本次現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)為汽水分離器的焊接接頭安全評(píng)估提供了定量精確可靠的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

圖3 超聲相控陣現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

5 結(jié)論

對(duì)于在役油田注汽鍋爐汽水分離器的檢測(cè)，超聲相控陣檢測(cè)方法很好地解決了現(xiàn)場(chǎng)適用檢測(cè)方法的問(wèn)題，且具有缺陷檢出率高、檢測(cè)可靠性好、實(shí)時(shí)成像可快速分析、檢測(cè)效率高的特點(diǎn)。工藝驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用檢測(cè)效果表明，超聲相控陣檢測(cè)工藝切實(shí)有效可行，能為油田注汽鍋爐汽水分離器的安全評(píng)估提供可靠的檢測(cè)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。