超聲波無損探傷在油管檢測中的應用

顧喜堃 馬云 胡炎興 王洋 蘇繼祖 陳忠平

【摘 要】油管是油田開發生產過程中的主要材料，隨著石油工業的發展，對油管的需求量與日俱增。由于使用周期的增加，油管的損壞程度增大，產生失效的幾率超高，若不及時對其質量進行科學的技術檢測，會對油田的生產造成很大的影響。通過超聲波無損檢測技術可有效對油管缺陷進行檢測。本文闡述油管無損檢測技術在油田開發生產中的意義、使用原理及應用效果。介紹了超聲波無損探傷技術具有的準確率高、適用性強、應用方便、易自動化等優點，著重介紹了超聲波的特性和在鋼管無損探傷中的應用。

【關鍵詞】油管；油管在線無損栓測研究應用；超聲波；無損探傷

1.超聲波的基本原理

超聲波是由對象振動產生的可聽見的聲波。人們可以聽到的頻率范圍是20Hz至0000Hz。20Hz以下是聲波，這是高于20000Hz的高。其原理是傳播在由干擾源在彈性介質中的超聲波。由于傳播距離的增加和能量被介質吸收，超聲波的強度衰減時，和機械能和電能的轉換的信號由超聲波傳感器顯示。從而實現對所測量物體內部的觀察，由于超聲波無損探傷具有準確率高、適用性強、應用方便、易自動化等優點，被廣泛應用在很多地方。

2.超聲波的模式特性

2.1超聲波的諧振模式

①探針具有導波共振的不同模式，其是軸對稱和非軸對稱模式。通過將探針在在管的外側的環的形狀，可以得到在軸對稱共振模式的導波。這種模式更容易激發；由于探頭外的管保持其平面同時繞著中心旋轉，其激發出的軸對稱模式保持原樣，當把探頭放到管子中時，便可在管內激發出軸對稱的縱向諧振模式的導波

②諧振模式還可利用其他方法在管壁內產生間隔相同的導波來形成。這種模式只能在縱向進行壓縮和伸展運動，不能在橫向進行移動。當把超聲波探頭斜向放置在管子里面不對稱諧振模式的導波被激勵，并且其形式通常為一個雙螺旋的形式。在雙螺旋形式的導波從探頭擴散到管的側面，到達底部端，然后被包圍后伸展，散布在管中。

2.2導波的頻射特性

①就是會隨相速度的頻率不同而變化。

由于脈沖是由多個頻率不同的諧波組成的，各個整個脈沖的群速度不等于單個諧波的相速度，導波以群速度向前傳播，而相速度則由于各諧波頻率不同而有所改變。

3.超聲波無損探傷的定義及方法

超聲波無損探傷技術是目前應用非常廣泛的一種無損探傷檢測手段。它既可以用來檢測物體表面的缺陷，又可以探測到物體內部幾米深的缺陷，而這是其他檢測手段所無法達到的深度。超聲波無損探傷技術具有靈敏度高、周期短、靈活方便、成本低、效率高，并且對人體不產生不良影響等優點，但同時其也具有不少缺點。超聲波探傷的方法有很多種，常用的一般使脈沖反射法。由這一原理就可以設計出脈沖反射式超聲波探傷儀。目前所用的脈沖反射式超聲波探傷儀大多是掃描方式，顯示器縱坐標顯示的是反射波的幅值，而橫坐標顯示的是超聲波在物體傳播的距離或是時間。

4.油管現場無損檢測技術原理

4.1現場無損檢測裝置探傷原理

磁化系統磁化測量的油管。當存在裂紋，凹坑，通孔和油管，漏磁場或磁化主磁能的內表面上的管壁的變化產生的。這些變化是由探傷傳感器獲得。信號調節和放大被放大后，在A / d轉換成數字信號，并傳送到計算機。計算機使用探傷分析軟件來分析和處理缺陷信號和以彎曲的形式顯示它。

①接線盒；②探頭總成；③油管；④定心隨動機構；⑤外殼；⑥法蘭盤。

5.應用方法

①超聲波相控陣檢測法

超聲相控陣檢測技術的應用開始于20世紀60年代，并已被廣泛應用于醫學超聲成像領域。這是從傳統的超聲波無損檢測技術不同。相控陣超聲無損檢測的基本特性是相控制，包括發射。局部相位控制和所述接收部分的相位控制。相控陣技術需要在一個傳感器上的多個入射方向。干涉現象的發生從而嚴重影響到輸出的檢測結果，所以目前采用相控陣技術的油管超聲波檢測線速度一-般低于1.0m/s。德國的NUTRONK公司在應用相控陣技術的同時在檢測中利用大量的檢測元件同時對試件進行檢測，檢測速度提高到1.3m/s.

②渦流檢測法

渦流檢測的原理是用高頻振蕩器供給激磁線圖產生激磁電流，并在被檢測件中感應出渦狀電流，渦流又產生自己的磁場，渦流磁場的作用削弱激磁磁場的變化，由于渦流磁場中包含著管材狀況等各種信息（如油管中存在的各種缺陷），儀器通過檢測線圖把渦流磁場信號檢出，進行濾波、鑒相、放大等處理，并抑制非缺陷的各種噪聲信號（如材料性能的差異、運動不平穩等），以此來判別管材中缺陷的存在.渦流探傷有點探頭式和穿過式2種基本方法。

③漏磁檢測法

漏磁檢測的基本原理是：通過外加強大的磁場對鐵磁性材料進行磁化到飽和，當被磁化的鐵磁材料存在缺陷時，即在材料表面形成漏磁場，檢測線圈或霍爾元件檢測到漏磁場并將其轉化為電流或電壓的大小，依此反映缺陷的大小和位置。漏磁檢測法具有速度快、靈敏度高、穿透能力強、不受油水影響、耐高溫等特點，可以同時檢測油管的表里的缺陷，探頭裝置結構簡單，易于實現，成本低，操作簡單?？梢詫崿F全自動化檢測，非常適合在生產線上進行質量檢測和生產過程控制。因此，在現今眾多油管內外缺陷的檢測方法中，漏磁檢測方法使用最為廣泛[1.2]。

③超聲波漏磁組合式無損檢測法

各種檢測方法都有其各自的特點，或多或少存在一些不足之處，組合式無損檢測法就是將多種檢測方法組合起來使用，達到揚長避短的目的，實現檢測系統的功能要求。對于油管在線檢測，為了能同時檢測到油管的內外缺陷及壁厚的變化，典型的組合是將漏磁縱；向、橫向及超聲波測厚設備組成一個檢測系統。

6.超聲波探傷

超聲波探傷運用兩種不同的激發和接收原理，對于傳統的壓電式探傷，超聲波由探頭發出后，通過介質（通常是水）傳送到油管上；然而電磁超聲波探傷則不需要介質，因超聲波是通過油管的縱向磁感應而產生的。由于采用的是無觸點探傷方式，因此可使測試工件保持干超聲波缺陷探傷的工作原理或者是將多個探頭布置在同一機頭上。

7.結論及建議

①油井在長期的開發過程中，油井中油管的偏磨日趨嚴重，尤其是在井斜度較大的井段，出現油管壁厚減簿或孔洞，因此，在作業現場，及時而準確地對并下油管進行檢測，可以避免無功作業，大大提高油井作業的周期。

②該裝置在使用的過程中發現，對于外圍上粘滿粘稠油的油管，在檢測的時候，易出現探頭不靈，檢測的結果有誤差，油管應在通過檢測的裝置時附帶一個刮削裝置。這樣，檢測的效果就會更佳。

超聲波無損探傷技術具有多種優點，能夠一次性測量長距離物件，效率高，現場操作簡單快速，所用時間短同時代價較低，檢測過程不受管材上覆蓋的雜物影響，具有很強的實用性，目前已成為無損檢測的主要熱門手段，由于不能夠直觀顯示缺陷，成像技術的應用還不是很成熟，造成了一定的局限，因此未來的發展方向應該向信號處理、圖像成型等方向發展，使其技術更加成熟。

參考文獻：

[1]王曉華，曾鳴，王文明，張仕民，王葆葆.基于連續油管的超聲波管道檢測裝置設計[J].石油礦場機械，2013，42（12）：51-54.

（作者單位：1.中國石油天然氣股份有限公司青海油田管道輸油處；

2.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司蜀南氣礦）