海洋石油靜電脫水壓力容器的超聲導波檢測

劉偉成，張路根，胡 智，鄭冬明，曾毅平，劉 勇，胡衛勇

（1.江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院，南昌 330029；2.深圳發利構件機械技術服務有限公司，深圳 518068；3.中海石油（中國）有限公司湛江分公司 潿洲油田作業區，湛江 524057）

壓力容器是一種廣泛使用而又比較容易發生事故的特種設備，在海洋石油開采平臺，有相當數量壓力容器是20世紀80年代末、90年代初投用，內部介質含有原油、海水、CO2、H2S、O2和泥沙等，容易造成無硫（CO2）腐蝕、酸（H2S）腐蝕及沖蝕。在罐體焊縫區域，容易產生電化學腐蝕。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，在容器鞍坐部位被加強板覆蓋的罐壁，也會有腐蝕穿孔現象發生。由于海洋平臺的特殊環境和石油開采的不間斷性因素，業主迫切希望在不停車狀況下快速檢測壓力容器罐體腐蝕狀況，而常規無損檢測方法不能滿足上述要求。近年來興起的超聲導波檢測技術具有一次檢測覆蓋范圍大、檢測效率高和可檢測整個罐壁等優點，結合常規檢測方法復核可測定罐體腐蝕部位和大小，在壓力容器快速檢測和性能評價方面受到極大關注。以下針對海洋石油靜電脫水壓力容器進行導波檢測，介紹了超聲導波換能器設計、試驗測試和現場檢測應用。

1 導波換能器的設計

導波是一種由于介質存在邊界而產生的機械波［1］，具有頻散特性，傳播速度受到導波的頻率、介質的幾何形狀和尺寸大小的影響。通常需要根據被檢工件設計和選擇適當的超聲換能器，以發射和接收導波。導波的傳播行為較為復雜，在管子中，導波以縱波、扭轉波和彎曲波等多種波型存在。在板中，導波以蘭姆波、平面剪切波SH兩種波型存在［2］。針對壓力容器的特點，設計研制了專門的導波檢測換能器產生和接收導波。

通常需要根據檢測對象選擇導波換能器的晶片材料、尺寸和頻率。壓電陶瓷是目前應用最廣泛的一種壓電材料，有很好的特性參數，壓電晶片選用此材料制作［3］。晶片尺寸選取除應考慮壓力容器幾何尺寸、壁厚、一次檢測長度等因素外，還要滿足一次波探傷有足夠靈敏度，小缺陷不漏檢，同時還應避開近場的干擾區。超聲波頻率在很大程度上決定了超聲探傷的探測能力，在實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波檢測中，需要重點考慮的是探傷靈敏度和一次檢測長度，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的壓電陶瓷晶片進行測試。

其次，換能器入射角的選擇非常關鍵。因為在板中，導波以蘭姆波、平面剪切波SH兩種波型存在，所以，壓力容器的單探頭導波檢測可參照板材的蘭姆波檢測，故入射角的選擇可依據蘭姆波的激勵角曲線計算結果作為探頭入射角的設計參考。針對海洋石油靜電脫水壓力容器的特點，探頭頻率選擇為f＝1.5MHz，入射角為53°，檢測效果最好，最后確定探頭入射角α＝53°。

2 試驗與結果分析

2.1 測試試樣與儀器

測試試樣如圖1所示，長度為1400mm，寬度為600mm，鋼板厚度5～6mm，材質為低合金高強鋼。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 測試試樣設計

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

2.2 試驗結果與分析

對設計制備的帶有人工缺陷的測試試樣進行檢測，觀察超聲導波在試樣中的傳播情況，使用自制導波換能器對試樣進行檢測試驗，觀察所能達到的檢測距離和檢測效果。

圖2是一組采用自制換能器測得的φ6mm平底孔典型脈沖反射回波信號，在閘門內的波形為不同距離處測得的φ6mm平底孔反射波，右側100%波高的波形為試樣端部反射波。當自制換能器距φ6mm平底孔位置分別為600，1000mm，增益值讀數為84dB時，缺陷波幅達到滿屏高度的80%和50%。

從圖2試驗結果可以清晰地看出，來自缺陷的反射回波信號隨著換能器與缺陷距離的增加，缺陷回波在時間軸的水平位置增加；隨著換能器與缺陷距離的增加，缺陷回波信號幅度減小。

利用自制換能器可實現導波的激勵和接收，并能有效檢測距探頭1000mm處的φ6mm×1.25mm的平底孔信號。通過該試驗進一步分析可知，單換能器導波檢測壓力容器雖然能夠達到快速檢測的目的，但由于頻散和衰減，檢測的距離會受到一定的限制。例如，在對試樣測試時，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小（在同一幅值下測試此情況更明顯），這是聲波頻散和衰減造成。觀察波包的變化情況可以發現，導波在傳播過程中會產生頻散現象，即超聲導波相速度隨頻率的不同而改變。由于激勵脈沖具有一定的頻帶寬度，激勵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接收探頭，使得顯示屏的時間軸上回波信號不是一條窄線，而是具有一定寬度的包絡。隨著傳播距離增加，導波頻散現象將更加嚴重，這就使得信號的信噪比降低，導致信號的特征提取與識別困難，檢測的距離也會受到限制。

3 現場檢測應用

3.1 試樣的檢測

采用上述檢測方法和檢測條件，針對海上石油開采平臺的油水分離系統、污水處理系統的壓力容器進行不停車在用超聲導波檢測要求。首先專門設計制備試樣，以驗證超聲導波檢測的可靠性和有效性。試樣材質為碳鋼，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，見圖3（a）。圖3（b）是距人工缺陷約500mm處超聲導波成像結果。從圖3（b）中可清晰分辨兩組平底孔導波掃描圖像，與檢測試樣平底孔對應情況良好，很好地驗證了超聲導波檢測效果的可靠性和準確性。

3.2 現場檢測應用

某海洋石油開采平臺有一臺靜電脫水器，容器編號 P－V－103，制造日期是 1992 年，設計壓力0.4MPa，罐體直徑3800mm，罐體長度12080mm，筒體名義厚度10mm，封頭名義厚度12mm，介質為油水混合物、少量天然氣及H2S等，罐體材質為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罐體腐蝕情況進行導波檢測。因該罐體底部某接管附近已發生腐蝕穿孔泄漏情況，在拆除少量保溫層情況下，首先對罐體底部區域進行檢測。

考慮容器表面漆層及內部介質對聲波的衰減，一次檢測長度定為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、軸向進行掃查，當發現有效信號后，再拆除該部位保溫層采用常規超聲方法進行復核。在檢測過程中，由于導波信號較多，經復核發現多處嚴重腐蝕部位，且邊檢測邊拆除保溫層的速度慢，局部保溫層的拆除使得整個罐體保溫松動，無法固定，故用戶要求此罐在拆除保溫情況下對罐體進行100%導波檢測，圖4和5為P－V－103靜電脫水器超聲導波現場檢測情況。

圖6為罐體腐蝕部位分布，圖中紅色塊狀、點狀區域為腐蝕部位，雙剖面線藍色部位為罐體鞍座部位。圖4檢測部位是罐體底部進口端，探頭軸向掃查時，距探頭約500mm處發現多處導波有效信號（圖中十字星標記），經超聲檢測復核，結果與導波檢測相符，其中存在一處嚴重腐蝕，面積200mm×100mm，最小剩余壁厚僅6.3mm。圖5檢測部位為罐體進口端封頭底部，距導波探頭400mm處時發現多處有效信號（圖中十字星標記），經超聲檢測復核，結果與導波檢測相符，其中存在兩處嚴重腐蝕，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圖

從圖6可知，靜電脫水器P－V－103經100%超聲導波檢測加常規超聲檢測復核，發現20多處腐蝕部位，其中，腐蝕面積最大為900mm×1000mm，最小為點狀，腐蝕區域最小剩余壁厚3mm，大部分腐蝕位于3點～9點鐘方向的罐體底部區域。該罐已發現兩處腐蝕穿孔泄漏，其中一處位于鞍座加強板覆蓋的管壁部位，導波對此處檢測信號清晰，說明導波對罐體隱蔽部位能進行有效檢測。此外，還對此海洋開采平臺油水分離系統、污水處理系統的其他壓力容器進行了100%導波在線檢測，發現罐體腐蝕情況也較嚴重，有一臺生產分離器，在封頭氣液界面的焊縫熱影響區，導波檢測發現一處面積350mm×30mm、最小剩余壁厚5.5mm的腐蝕（封頭名義厚度14mm）。綜上所述，超聲導波技術能夠對在役壓力容器進行有效檢測。

原海上開采平臺壓力容器的在線檢測，多采用外觀檢驗結合超聲測厚方法進行，具有檢測效率低，易漏檢等缺點。而單探頭超聲導波檢測技術具有一次檢測距離長，能快速檢測整個罐體腐蝕類缺陷狀況等優點，現場應用前景廣闊。在現場實際檢測時，由于罐體表面漆層、內部液體介質等導致聲波衰減因素的影響，一次檢測有效長度不宜超過1000mm，控制在500mm內檢測效果較理想。在實際掃查時，檢測靈敏度高會湮沒距探頭較近的缺陷回波信號，所以，應以兩個不同靈敏度對罐體同一部位進行兩次掃查，較低靈敏度檢測距探頭較近區域缺陷，較高靈敏度檢測距探頭較遠區域缺陷。為確定缺陷類型和大小，必須采用其他檢測方法復核，例如常規超聲檢測方法。罐體幾何尺寸突變部位、焊縫余高、接管、罐內部件與罐體內壁焊接部位，內壁污物堆積、氣液界面等均有明顯回波信號，檢測時應注意區分。為確定有效導波信號，探頭應進行前后、左右和轉動掃查，掃查時注意觀察回波變化情況，如探頭前后移動，回波在時間軸線上與探頭移動方向一致，且波幅高度變化與探頭移動方向一致，則為有效導波信號。對同一部位缺陷，導波探頭應在離該部位一定距離的罐體周向和軸向分別進行掃查，觀察在同一部位是否都有回波信號，如有，則為有效導波信號。

4 結語

（1）超聲導波檢測方法為在役壓力容器提供了一種有效的缺陷檢測方法。檢測試驗和現場應用結果表明，設計和選擇適當的超聲換能器對導波檢測非常重要。實際檢測結果表明，利用自行研制的導波換能器可以清晰檢出1400mm×600mm×5mm試樣中φ6mm×1.25mm的平底孔，一次檢測距離可達1000mm。

（2）采用導波檢測方法可以檢出海洋石油靜電脫水壓力容器內外壁腐蝕類缺陷。由于表面漆層、內部液體介質對聲波衰減較大，一次探測距離長度不大于500mm效果較理想。

（3）單探頭超聲導波技術結合常規檢測方法可實現在役壓力容器腐蝕類缺陷的快速檢測。實際檢測應用中，由于存在影響導波檢測的非缺陷指示信號等因素，可以首先利用導波對整個罐體進行掃查，確定檢測區域和缺陷指示區，再采用其他方法進行復核，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：北京科學出版社出版，2004.

［2］他得安，劉鎮清，田光春.超聲導波在管材中的傳播特性［J］.聲學技術，2001，20（3）：131－132.

［3］石歡.壓力管道檢測中單探頭導波的激勵與接收［J］.無損探傷，2008（2）：21－22.

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