影響油田用鋼管超聲波壁厚檢測因素初探

荀家鈺

（新疆油田公司物資供應總公司，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

石油專用管，如油、套管、鉆具及油田用普通鋼管、高壓鍋爐管流體管、不銹鋼無縫鋼管等，管體壁厚檢測是對產品綜合質量評判的重要手段之一。對石油用管而言，外徑圓度與壁厚的均勻性是保證安全性的重要指標。實際檢測中，缺陷在工件中所呈現的形狀、面積、位置是多樣化的，這與材料的冶煉及軋制有關。

1 壁厚檢測

因石油用管在使用中的特殊要求，為確保在服役期的質量、性能及安全要求，均采用無縫軋管（部分表管和技術套管可采用焊管）。隨著油田鉆井開采工藝的多樣性，對油井管的質量性能及安全要求多樣性也越來越高。任何一種規格種類的油井管，都經過軋制或焊縫工藝（焊縫管），管材在螺紋加工前的一切工序及質量控制的優劣，是保障油井管最終成品質量的重要環節。由此，油井用管壁厚檢測工作顯得尤為重要。

近幾年的檢測情況來看，油井用管在壁厚檢測中所存在的問題不可輕視，雖然造成壁厚檢測值誤差原因是多方面的，但與實際檢測中的操作方法及規范要求對量值的變化卻有著一定的相互影響?？偨Y、分析影響超聲波管體壁厚測量值的因素，提高對產品客觀、公正的評判。

2 量值偏差

產生油井用管壁厚量值偏差的原因較多，管坯在軋制中的工藝，均有可能影響到管壁厚的不均勻性及偏差。如管體在軋制中定徑，若管壁夾雜、材料晶粒度粗大、熱處理工藝等，都將影響到產品的尺寸及相氏變化。管軋制技術雖然有了極大的提高改進，但在整個工序過程中，因原材料中存有未能較徹底清除掉的金屬及非金屬雜質，或其他影響工藝的因素，在熔煉軋制中沉積于材料中。

缺陷存在的狀態呈多樣性、復雜性，以點、線、面積體狀等形式存在于管壁的內、中及外表層：①常見的折疊、夾雜、氣孔等附著在管壁的內外表面，嚴重影響了管材壁厚質量的穩定性；②在管軋制定徑等工藝中，由于管壁受工藝、材料、溫度等因素影響使管內壁產生的非均勻狀冷卻收縮，致使管內壁呈現不連續性的表面凹面、凹面槽或凹坑狀。此類缺陷必須引起高度重視，嚴把檢測關。

管材在從軋制到產品的過程中，經歷的最后一道工序是熱處理。因不同材料、口徑、壁厚等差異，其方法也不相同，對不同氏體的材料要求及目的不同，所產生的結果也不相同。如在熱處理工藝中快速地加溫加熱，材料的氏體將產生變化，同時在軋制及熱處理中，快速加溫可使奧氏體成分的不均勻性增加，快速加溫使得奧氏體轉變的孕育期縮短及馬氏體點改變。可能導致淬火產品中出現不同形態的馬氏體組織。

經加熱淬火后，產品截面一般可分為淬硬層和過渡層。雖然油田用管屬定型產品，但由于管壁厚度存在著較大變化，因此，對壁厚值較大口徑管（即管外徑＞140 mm，壁厚＞9 mm），經淬火處理的管材，在用超聲波設備測厚檢測時，應相對增加測厚點位，避免漏誤檢。

在小口徑、大壁厚管材中，這種淬火不均勻性的管壁，較易出現晶粒不均勻變化。偶爾存在于管壁中的此類缺欠（陷），在實測時的表現為：顯示數值閃爍不穩，與其公稱壁厚值差異變化較小；對工件壁厚值＜9 mm 的管壁測量時，可顯示其值偏小，且有一定的深度；移動探頭時，可呈現測值數字不停地閃變，其變值范圍不大；當探頭移出該范圍時，測值趨于正常。遇到這種情況，要擴大檢測范圍，增加探測點或面，進一步確定其范圍及量值的準確度。不能以其1 個測點作為最終確定值，應采取多點測量，在6 mm 半徑區域內，至少有3 個讀數小于規定管壁公差時，方可定為缺陷。

在檢測中，偶爾會有同一圓截面處測壁厚時，在對應的180°兩點間的測值差異較大，雖然外徑量值為合格，并未見橢圓。對這種情況，要進行截面的全徑向測量，認真找出變值原因及變值量率（弧變性量）。同時擴大縱向檢測面，確定屬軋制偏心或是片狀夾雜，明確缺欠的性質、位置及量值。

3 影響管壁厚測值誤差因素

在管壁測厚檢測中，雖然設施及方法較簡，但是影響其檢測量值誤差的因素卻不少。針對不同品種規格、形狀的產品工件測厚檢測，要從多方面考慮可能影響其測量精度不良因素。按照規范正確的方法要求操作，保證測值的客觀、準確。

3.1 測量儀器靈敏度及校驗比對

沒有精良的檢測儀器及準確的校驗比對，其檢測結果就不是真值，不能作為與標準對比的數據，其結果是無效的。所以，使用的儀器必須是經過專職資格職能機構檢定校驗合格的，調試校驗的對比樣塊也同樣如此。同時應詳細了解且熟練掌握調試儀器動態性能及規范操作的要求，如使用注意事項、環境氣候要求、作業程序步驟等。儀器的性能狀態如何，將直接影響到測值的準確性。減小或消除誤差，提高檢測精度將從儀器開始，應及時注意檢測探頭面磨損狀況對測值的影響。

3.2 操作方法及操作要求

任何一種設備在作業中，均有不同的作業方法要求，規范作業方法是操作的最基本要求，超聲波測厚儀的方法要求更為嚴格，使用中對操作機環境要求較嚴。當環境溫差超過其規定要求時，測值的結果會出現明顯的差異和不穩定，測量探頭的選擇、使用要求及養護也非常重要。

長期測量帶有曲率或有一定弧曲面工件時，要時常檢查探頭測量面的磨損狀況，當磨損量達到一定程度，如曲面磨損而造成測量精度的下降，其探頭晶片發射的聲束將在磨損的曲面處改變方向，造成聲束在工件介質中產生折、反射間距離的變化，將直接影響到測量值的真實性。油井管的外徑規格變化較大，直徑有60～340 mm，曲面變值大，管表面在軋制定徑后，最后涂抹防銹層，表面存在一定的粗糙度，對檢測中探頭表面造成磨損。強調操作時的正確方法及規范要求，對減少探頭面的過量磨損、延長使用期限、提高檢測精度將起著重要作用。

3.3 產品工件表面及其他因素的影響

被測產品工件表面須按要求進行處理，因不同產品規格在生產、運輸、儲存中的環節不相同，其表面因氣候、環境等造成的光滑度也各有差異。油井管屬大宗物資，存儲時間長、存儲環境惡劣，經風雨雪、砂塵等物侵害，易造成表面銹蝕、塵物積聚等。若普通鋼管表面銹跡較嚴重，不管使用用途如何，必須對產品表面進行清理。

耦合液要有一定黏度范圍，過低易流淌，影響耦合效果。同時禁止用半固態狀物作為耦合介質，否則影響檢測結果。管徑與曲面的大小尤應注意，口徑越大就較趨于平面狀，過小則會影響探頭與工件間的接觸面及耦合效果。這種情況要相應增大耦合液的黏度，測頭壓力要均衡，確保最大接觸面積。

針對鉆具管體壁厚的檢測，要注意外表面因軋制加工所產生的影響檢測效果的不良狀況。對材料為不銹鋼的鉆具類，如鉆鋌、加重鉆桿等，因管體外表面在機加工中留有管子全長的環向細密的機械波紋，盡管很細小，但對檢測影響很大，造成數值不穩且量值完全失真。由于超聲波測厚探頭工作原理的特殊性，當工件表面呈現有規律性的細小波紋，入射聲束在工件表面遇到波紋面時被反射，使聲束無法進入被測介質。當波紋形狀較大時，會產生同樣的情況。

硅酸鹽夾雜物是金屬材料中常見的缺欠類型之一，如硅酸亞鐵夾雜物（2FeOSiO2）、硅酸亞錳類（2MnOSiO2）等。這兩種夾雜物在熱加工后（熱處理工藝），沿變形方向延伸，在距表層處具有不規則粗糙度，當管壁厚度過大時，易產生這類夾雜物。由于這種夾雜物的成分中含帶有一定量的金屬物，即使用超聲波測厚儀檢測時，同一平面上的測厚值變化會反復無常。上海寶鋼生產的某型石油套管規格為：244.5 mm×11.05 mm，鋼級為P110 的偏梯形扣管。在抽檢和擴檢時，其測厚值最小為4.60 mm，大部分缺陷管測值均＜9.66 mm 負公差峰值，呈點狀及線狀。廠方來人現場看貨、檢測，最終取樣回廠分析，得出的結論是，測厚超差原因屬硅酸鹽夾雜物所致。

4 超聲波測厚檢測評判及注意事項

標準對油井管壁厚檢測的要求及評判方法均作了詳細的要求，對非破壞性檢測，超聲波測厚技術及手段已被廣大用戶所接受。

油井管對管壁厚的檢測及評判有行業標準所控，在操作中，須按合同中指定的標準作為驗收依據。行業標準SY/T 6474—2000 中18.9 項及行業標準SY/T 5447—1992 規定了測厚檢測方法及要求。在實測中，被測壁厚的缺欠在形式、走向呈多樣化，基本是呈點、線、面狀，以點、線狀為主。當一個測點處的厚值發生較大變化時，應從管縱向或橫向（徑向）移動探頭進行檢測。如果移動范圍＜6 mm 時，雖然測值右邊（該測點的變化值是產品公稱壁厚的允許最小值）則不能定為缺欠，反之可判為缺欠。對呈線狀壁厚缺欠，應注意方向（縱或徑向）及長度和深度層（中上層或中下層）面積（寬度），凡是長度＞5 mm 者均為缺欠，呈面積狀壁厚缺欠（陷）較為少見。

被測工件表面應光滑平整，如有機械加工形成的規律性槽、劃痕、孔道等，應進行必要的處理，否則這種狀況在用雙晶探頭檢測時，會產生錯誤的厚度讀數。檢測調試樣塊的表面粗糙度應與工件表面相接近，過大的表面相差，將會影響探頭與工件表面的耦合狀況，并要控制好耦合液的黏度適中，過大或過小也會影響測值的準確度。在此，方法要求非常重要。

對管材及曲面工件檢測時，曲面的大小與檢測操作關系極大。探頭直徑越小，越能改善耦合，并能減小探頭在曲面上呈“擺動狀況”，盡量使入射聲束與工件表面呈垂直入射，可提高檢測值的準確性及精確度。對曲面工件檢測時，探頭的置放方向應與曲面縱向呈垂直狀，對所有規格的管材都是如此。