石油鉆機鋼結構焊縫的無損檢測應用研究

張銀洲，劉 杰，王 剛

（渤海石油裝備制造有限公司遼河鉆采裝備分公司，遼寧盤錦 124010）

0 引言

焊縫無損檢測是焊接領域正在發展的重要技術，這類技術既能夠幫助技術人員明確焊縫焊接的質量，又能夠不傷害焊接結構本身，是生產建設領域中的關鍵檢測技術。目前常用于焊縫無損檢測的技術包括超聲波、射線、磁粉、滲透等，這些技術在無損檢測的質量和效率上各有特點，需要根據實際情況進行選擇。石油鉆機是一種承擔重負荷、強沖擊力的設備，鉆井過程中整個鉆機的鋼結構都在承受力的作用，若焊縫質量不過關很有可能導致鉆機鋼結構在某些部位出現超預期磨損，影響鉆機的運行質量和運行安全。

1 石油鉆機鋼結構焊縫無損檢測技術應用的必要性

我國的石油礦藏多存儲于含鹽、含堿的地帶，或海洋板塊之下，這些區域的開采環境無疑是比較惡劣的，石油鉆機在這些地區的應用承受著不可忽視的腐蝕和負面影響。而且在石油鉆機的鉆井工作過程中，鉆機及鋼結構都在承受著持續不斷的振動影響，這些影響因素對鋼結構焊縫的質量和安全程度有著不可忽視的作用。要保證石油鉆機鋼結構的質量和穩定性，需要在無損狀態下檢測焊縫的焊接質量，避免石油鉆機在整體性有缺陷、穩定性不足的情況下進行鉆井開采工作，保證石油開采的順利進行。

2 目前常用的無損檢測技術

2.1 超聲波檢測技術

超聲波檢測技術是無損檢測領域中的一種，在焊縫無損檢測領域中比較常見。這里的超聲波是指頻率高于20 000 Hz的波段，在焊接金屬、結構金屬、縫隙3種不同材料內傳播、折射、反射的效果不同，能夠在不損傷焊接焊縫的前提下完成探傷操作，幫助技術人員了解焊接缺陷所在，了解焊接缺陷的大小，以便于進行補救，提高焊縫的焊接質量，保證結構的穩定性。超聲波焊縫無損檢測技術的應用有自己的優缺點，優點是這種技術成本低、操作難度低、檢測效率高、檢測準確率高，缺點則是檢測結果以波形呈現，需要技術人員根據波形進行解讀，對技術人員的專業水平和工作經驗依賴較大，檢測結果不夠直觀。而且，超聲波無損檢測技術在不同材質、材料性狀的影響下還容易產生不同的檢測結果，對技術人員的解讀干擾也比較大，是一種還需要完善的技術。

2.2 射線檢測技術

射線無損檢測技術是一種利用射線進行檢測的技術，常用的射線包括X射線、γ射線等。射線通過焊縫能夠將焊縫內部的情況直接呈現在屏幕上，因此，這種檢測技術也被稱為照相觀察法。與超聲波檢測技術不同，射線檢測技術能夠將焊縫內的缺陷、損傷所在的位置及其大小直接以可視化的方式呈現出來，方便技術人員掌握并進行處理。但由于射線在通過焊縫內部時，會發生不可避免的、一定程度的衰減，且在不同的焊接材料影響下射線的衰減系數并不是一致的，所以判斷焊縫缺陷時需要充分考慮到射線的衰減問題。在進行石油鉆機鋼結構焊縫無損檢測時，射線檢測技術的穿透力度、缺陷形狀描繪、可視化功能都能夠幫助技術人員更好的了解焊縫情況，但需要找好射線的入射角度，盡量避免使用射線去穿透厚度超過200 mm的材料，以免穿透得出的結果容易出現較大的誤差，不利于檢測結果的判斷。無論是X射線還是γ射線，在照射厚度較大、規模較大的情況下，想要清楚檢測焊縫的情況需要長時間照射，這對技術人員的身體是有很大傷害的。因此，射線檢測技術的應用必須要找準角度和方位。

2.3 磁粉檢測技術

磁粉檢測技術是一種與超聲波、射線檢測技術原理都有較大差異的檢測技術，主要利用金屬材料的磁場來進行缺陷判斷。磁粉檢測技術多用于鋼材等能夠產生磁性的材料檢測中，鋼材磁化后產生磁場，磁粉會在磁場影響下形成規律排布，而缺陷的存在會使得鋼材的磁場發生局部變形，磁粉就會在磁場的作用下發生局部聚集。因此，在使用磁粉進行無損檢測時，如果技術人員觀察到磁粉的局部聚集就可以判斷缺陷的存在，并可根據磁粉聚集的位置、聚集量的大小來判斷鋼結構焊縫缺陷存在的位置和大小。磁粉檢測技術是一種操作簡單、檢測效率高、檢測速度快、對人體沒有傷害的檢測技術，但這種檢測技術對于近鋼材表面的缺陷有較為明顯的反映，對位于鋼材深處的缺陷卻無法順利表達，有較為明顯的局限性。如果要檢測的對象并非可磁化的材料，或磁化后磁性較弱，則磁粉檢測技術不可用，這種檢測技術的局限性比超聲波、射線檢測技術更大。

2.4 滲透檢測技術

滲透檢測技術的原理與前三者都有很大不同，這里的滲透是指毛細血管現象所引起的液體在縫隙中的流動現象。滲透檢測技術又稱為液體滲透檢測。具體操作方法是在保證焊縫溫度在10～50℃時，對焊縫表面涂抹滲透液，待滲透液在焊縫表面縫隙內充分流動后，技術人員再將表面的滲透液擦除，就能夠在沒有表面滲透液干擾的情況下觀測到焊縫內部的滲透液，從而通過滲透液的存在來明確焊縫內部的缺陷所在。常用的滲透液可以是熒光質地，也可以是可著色的質地，前者可在黑暗情況下觀測到焊縫缺陷，后者可在光照情況下進行。滲透檢測技術是一種能夠直觀呈現焊縫缺陷的檢測技術，操作簡單，效果明顯，且受到材料、缺陷位置的影響較小，但這種檢測技術對于存在于內部深處的缺陷無法檢測，或者說滲透液能夠流進去，技術人員卻無法進行有效觀測，因此更多用于表面焊縫缺陷的檢測。

3 無損檢測技術在石油鉆機鋼結構焊縫檢測中的應用

3.1 測厚儀在石油鉆機底座無損檢測中的應用

測厚儀是一種利用超聲波檢測技術的設備，探頭可送入石油鉆機鋼結構焊縫內部，發射超聲波并接收超聲波反射結果，從而實現對焊縫缺陷的位置、大小的掌握。測厚儀能夠準確測量對象的厚度，從而對深藏在鋼結構焊縫內部的夾層缺陷、裂紋缺陷、腐蝕缺陷都有較為良好的檢測效果。測厚儀的應用需要經過位置確定、精度調整、耦合劑使用等多個環節，以保證檢測的質量和準確性。首先是位置測定，石油鉆機鋼結構焊縫的無損檢測，目標是鋼結構焊縫，其中經常與其他部位、地面接觸且摩擦的位置應當是重點檢測對象，比如經常接觸鹽堿土環境、經常搬動受撞擊的底座諸多焊縫位置。其次是精度調整。能夠影響這臺檢測儀器工作效果的因素中比較常見且影響較大的包括材料表面狀態、耦合劑材料選擇兩種。材料表面狀態可以通過打磨的方式讓探頭能夠更貼合檢測部位，盡量排除二者之間的空氣，耦合劑的選擇也能夠幫助探頭與檢測部位更好的接觸。在實際檢測過程中，測厚儀需要耦合劑的配合，耦合劑能夠排除探頭和被測部位材料之間的空氣，提高檢測的質量和準確度。通常材料表面較光滑時多用低粘度耦合劑，材料表面粗糙時多用高粘度耦合劑。在涂膜耦合劑后，探頭需要在1個測試位置進行3次檢測，取較小值；如果檢測結果不穩定，則需要以原檢測位置為圓心、以30 mm為半徑進行數次檢測，取較小值。

3.2 鋼結構工程焊縫缺陷定位

除了測厚儀外，超聲波無損檢測技術還能夠用于大面積掃描、定位缺陷，這樣的應用方式比較適合技術人員對石油鉆機進行日常運維，能夠幫助技術人員快速發現、定位鋼結構焊縫缺陷，為后續的針對性檢測和維修奠定基礎。用超聲波無損檢測技術定位時，首先技術人員需要進行水平位置的掃描，通過降低掃描速度來對比出現超聲波波動的位置，將缺陷可能存在的位置進行劃定。其次，在掌握缺陷可能存在的位置后，技術人員可以根據反射回來的超聲波是幾次波來判斷缺陷位于表層還是深層，若是二次波則說明缺陷在表層，若是一、二次波或二、三次波之間則說明缺陷在深處，若是三次波則說明缺陷在焊縫的根部，屬于位置非常深的焊接缺陷。然后，技術人員可以根據判定的缺陷位置選擇進一步精確的檢測，或進行缺陷處理。

3.3 缺陷波形識別

缺陷波形識別是應用超聲波技術為石油鉆機鋼結構焊縫做缺陷檢測時的重要環節，是技術人員能夠準確判斷缺陷位置、缺陷大小、缺陷深度的關鍵。通常來講，鋼結構焊縫常見的缺陷包括夾層、裂紋、氣孔、腐蝕等幾種情況，不同的缺陷會表現出不同的反射和折射，從而使技術人員接收到的超聲波呈現出不同的波形。比如：因氣體沒有及時排出而形成的空洞是氣孔缺陷，這種缺陷常見于保護氣體不足、焊劑未完全干透等問題，在進行超聲波檢測時波形表現為穩定的、高度較小的回波，氣孔分布越密集，回波的高度變化越大，在探頭定點轉動時能夠明顯觀測到。又比如：因焊接過程中焊縫夾雜了熔渣而形成的夾層缺陷，在超聲波檢測時波形表現為一個主峰上多個小峰，波幅有明顯的波動性，且點狀夾層、條狀夾層的回波波形都與缺陷形狀頗為相似，可以作為技術人員判斷鋼結構焊縫缺陷情況的參考。

4 結束語

在石油鉆機鋼結構焊縫的無損檢測工作中，超聲波技術是目前比較常用的一種，雖然不能直接進行內部焊縫缺陷觀測，缺陷分析也更多依賴技術人員的經驗，但這種檢測技術的適用范圍廣、檢測準確率高、對技術人員傷害小，在無損檢測領域中有廣闊的應用前景。