淺談石油專用管的超聲波檢測技術

石峰 (勝利油田物資供應處檢驗所檢驗車間 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，這些專用管工作時受到復雜的應力作用，工作條件很惡劣，但工程對專用管質量要求很嚴格，不能有任何一處出現故障，否則將造成巨大的經濟損失，甚至人員傷亡。無損檢測技術是保證石油專用管質量的重要檢測手段，在專用管材制造加工過程中就應該根據檢測計劃和要求對管材成品和半成品進行檢測，另外在重復使用石油專用管材時也要定期進行檢測，從而保證石油工程作業的順利進行。對于石油專用管的無損檢測常用的方法有：目視檢查、漏磁檢查、射線檢查、磁粉檢測、渦流檢驗以及超聲波檢測等。其中，超聲波檢測是檢測效果與現場推廣程度俱佳的一種檢測技術，超聲波技術主要用來檢測管材內部腐蝕狀況和管材的壁厚，尤其是對可能造成較大危害裂紋性質的管材缺陷有著相當好的檢驗效果。

一、超聲波檢測原理

超聲波檢測技術是利用了超聲波可以傳入金屬材料內部，當其從一個截面傳入另一截面時，在兩截面的邊緣將會發生反射的性質來達到檢測管材缺陷的目的，即當超聲波束由探頭出發從管材表面傳入到管材內部，當遇到內部缺陷或是管材底面時，超聲波就將發生反射，并在超聲波檢測儀器的屏幕上形成脈沖波形，根據波形即可確定管材內部缺陷的大小與位置。

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

二、超聲波檢測方法

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

穿透法是在待測工件相對的兩面分別放置一個探頭，發射端探頭發出超聲波，穿透待測工件的一個界面到達相對的另一界面，從而被該處的探頭所接收。工件內部缺陷狀況判斷依據是超聲波穿透工件兩個界面前后的能量變化值。當工件內部質量完好時，終端探頭接收到的超聲波信號的能量就較強；反之，如果工件內部存在缺陷時，超聲波將在缺陷處受到阻礙，會在缺陷后產生聲影，如此，即可根據發射端與終端超聲波能量值的差異大小來分析待測工件內部缺陷大小。穿透法有以下幾個特點：①可以根據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對于微小缺陷的靈敏度不高，常常會被忽略；③操作和指示都比較簡單，可實現自動化作業；④能夠用于薄板的檢測作業，因其可以有效地避免盲區；⑤對于會引起超聲波較大衰減的材料也能夠適應；⑥在放置發射端和終端探頭時，對其位置與相對距離都有較高的要求。

共振法是通過對連續聲波頻率的調節使待測工件內部達到共振狀態，以此來計算待測工件的厚度或是判定工件內部是否存在缺陷的一種檢測方法。共振法主要用來檢測表面粗糙度較低的工件厚度，另外也可以對復合材料的膠結狀態進行探測以及檢測鋼板內部夾層的缺陷。超聲波在待測工件內部傳播，通過調節頻率，當反射波的相位與入射波的相位相等時，即會在工件內部引起共振現象，此時待測工件的厚度等于超聲波波長的0.5倍或是整數倍。共振法檢測技術有以下兩個特點：①對待測工件表面粗糙度有很高的要求；②測量工件厚度時有著很高的精確度，在對薄板或薄壁管檢測作業時有著很好的效果。

脈沖反射法是將超聲波發射傳播到待測工件內部，當從一截面傳送到另一截面時，在兩個截面的界面上將發生反射的性質來判斷工件內部是否存在缺陷的一種檢測方法。其根據入射波波型可以分為：橫波檢測法、縱波檢測法、表面波檢測法以及蘭姆波檢測法。脈沖反射法的特點有以下幾點：①可以利用不同波型的特點進行探測，適用的場合很廣；②能夠對待測工件內部缺陷的大小與位置進行很精確的測量；③有很高的靈敏度，可用于探測細微的缺陷。

三、超聲波檢測方法實現過程

在石油專用管檢測中，常用到的檢測儀器是A型顯示脈沖反射式超聲波探傷儀，該儀器可以測量得到待測工件內部是否存在缺陷、缺陷的大小以及位置，其依據分別是通過示波屏反映出來的是否存在反射信號、反射信號與入射信號的相位差以及反射信號的幅度。另外，對每次測試的偏差進行計算，評估整個檢測作業的不確定度分量，最終確定檢測系統的不確定度。其測量過程分為以下幾個步驟：

（1）測量數據：①在垂直于待測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當采用點測量管材厚度，要求布置比較密集的測量點時，移動探頭時不得與管體表面始終保持接觸，而應該做跳躍式的移動；③顯示屏上顯示數據穩定以后方可讀取數據，數據顯示是否穩定的判定依據一般是要求同一數值在±0.1mm范圍內保持3s或以上。

（2）確定數學公式：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間（s）。

（3）評定不確定度分量，主要分為兩個方面，首先確定對同一指標重復性檢測產生的不確定度，再確定超聲波儀器顯示值誤差導致的不確定度。

（4）將已評定的不確定度分量進行列表，并合成計算標準不確定度，再選取包含因子，確定擴展不確定度。

（5）根據相關標準得出測試結果，出具檢測報告。