用超聲波方法進行石油機械結構的無損檢測

劉 杰，王 剛，張銀洲

（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

相較于一般設備，石油探勘設備和傳輸管道、運輸容器等對于無損檢測技術的要求非常高，而且這類機械結構不能存在空隙氣孔、焊接缺陷、裂紋等質量缺陷，因此只有通過無損檢測技術才能確保石油機械結構的檢測維修質量。超聲波無損檢測方法是一種檢測效率非常高，并且可靠性也十分優異、應用過程非常便利的無損檢測技術，和滲透法等其他無損檢測技術對比之下更加精確可靠。超聲波無損檢測技術的工作頻率一般在0.4～5 MHz，超聲波無損檢測的優勢也十分明顯，如在介質中傳播時遇到界面會進行反射；超聲波具有較強的指向性，頻率越高則指向性也越高；超聲波傳播能量大，能夠輕松穿透多種材料，所以檢測效率和精度都能夠得到保障。本文主要圍繞石油機械設備無損檢測展開論述，重點探討了超聲波無損檢測技術的應用。

1 石油機械結構無損檢測面臨的問題

目前，石油機械設備的制造廠商較多，每臺機械設備的來源很難進行統一，許多石油企業所應用的無損檢測技術仍然可能面臨一些問題或不足，或沿用的無損檢測技術不夠成熟等，無法全面檢測機械結構中可能潛在的安全隱患，使得無損檢測各層次檢測的方式方法無法統一。不了解機械結構的本質也會在設備維修維護中難以找到著手點。同時，即便機械設備的來源相同，使用人員也可能存在不同，包括操作人員的操作因素以及設備運行的環境因素如溫度、地理位置、濕度、污塵等都會在機械設備的運行以及檢測兩個方面帶來影響，一方面導致設備運行容易出現故障，另一方面也會給無損檢測本身帶來阻礙。此外，目前很多石油機械設備在日常運行中就面臨著一些問題，若是這些問題未能及時進行解決，不僅會對石油企業的生產經營效益帶來影響，同時也可能會引發各種安全隱患，帶來無法挽回的損失。而機械結構無損檢測期間可能產生的問題主要分為兩個大類，也就是人為因素與非人為因素。

1.1 人為因素

對于石油機械設備無損檢測來說，人為因素影響主要表現在兩個方面：

（1）無損檢測中人為的不安全行為。不安全行為主要包含操作不規范、作業違反規定、操作失誤等，導致這一現象產生的主要原因在于人員安全意識薄弱，安全知識匱乏。例如一些人員不愿改變原有已經熟悉的作業模式以及程序，也就是操作習慣，這雖然是人員長時間工作所產生的經驗和習慣，但卻存在著難以改變的問題，若這些習慣本身是錯誤或需要改變的，必然會存在不利影響，無法快速適應新的作業模式與程序。同時，也有一部分人員忽略了檢測機械操作期間的必要程序，一些人員為了圖省事可能會忽略掉正確操作程序中的某一項或多項，認為省去的程序項是不必要的，之后的操作也會延續該次操作，這也是機械設備事故發生的原因之一。

（2）人員管理存在不足。人員管理是石油工程現場調度以及日常維護工作中不可或缺的項目內容，但機械結構無損檢測可能會在組織設計中并沒有完善有關的安全生產措施，或措施流于形式等，安全管理資料中將專項施工方案與施工組織設計混淆，因此管理人員必須要進一步提高人員管理和現場調度的控制效力，確保石油機械結構檢測工作能夠順利開展。

1.2 非人為因素

非人為因素主要指物的不安全因素，物可以是各種形式或性質，一經操作則可能會引發嚴重的安全事故。對此需要在機械結構無損檢測過程中進一步控制物的不安全因素，一般這類因素總會與人為因素存在很多聯系，所以人為因素常與非人為因素交織在一起，很容易引發相互誘發的現象，所以做好設備檢查，排查物的不安全狀態則成為了管理工作中的關鍵[1]。

2 超聲波信號的生成

按照彈性介質的支點振動方向以及波的傳播方向關系，可以將聲波劃分為橫波、縱波、板波等多種，都可以在石油機械結構無損檢測中進行應用。其中縱波能夠在三態物質也就是固態、液態、氣態中進行傳播，而縱波的產生與接收都很容易而且影響因素較少，所以在工業探傷中的應用更加普遍。液體與氣體因不具備剪切彈性，所以只能傳播縱波無法傳播橫波，橫波只能局限于固體表面探傷。板樁介質中能夠進行傳播的彈性波便是板波，板波又能劃分多種類型，最具代表性的便是蘭姆波。波型不同則傳播效率也具有明顯差異，如在鋼結構中縱波傳播速度便是橫波速度的1.8倍左右，表面波傳播速度為橫波傳播速度的90%左右等，所以在無損檢測探傷工作中選擇不同類型的超聲波至關重要。

2.1 軟件編制生成單脈沖信號

對于超聲波無損檢測來說，通常都會選擇較窄的單脈沖信號，例如美國某公司開發的任意信號編輯軟件，在計算機中編輯好將要選用的單脈沖超聲波信號，頻率都在超聲波信號范圍中，在試驗中一般應用單脈沖信號的時間寬度為0.625μs以及1μs。除卻軟件編制預選的脈沖信號外，也可以在SONY公司開發的AFG320信號發生器面板中直接操作形成不同信號以及編輯產生特定信號等，但這些信號在頻率以及波形方面都可能會受到約束，單脈沖信號只能產生至100 kHz。因SONY公司開發的AFG320信號發生器的實際應用可能會受到限制，所以無法完全達到石油機械結構無損檢測的要求，應用AFG320信號發生器無法產生足夠的單脈沖信號。為改善這一問題仍然需要采用美國某公司所開發的任意信號編輯軟件，在計算機中編輯生成一個較窄的單脈沖信號，之后利用GPIB電纜以及計算機PCI插槽中的一塊GPIB接口板，將單脈沖信號通過計算機存儲于AFG320信號發生器中4個獨立內存的其中一個，信號發生器具有4個獨立的任意信號存儲器，計算機編制完成的任意信號都能夠在其中分別存儲，在需要使用時進行調用。實驗工作期間，可以結合具體需求進行調用，并在使用之前針對4個相互獨立的信號進行編輯，一般選擇1 MHz及以上的單脈沖信號來實現石油機械結構的無損檢測工作[2]。

2.2 單脈沖信號類型選取

以美國GE公司的0151MH型以及014LJM型聲電轉換設備來說，不同類型的單脈沖信號在鋁板中傳播時很可能會出現不同裂紋反射波，從而導致無損檢測結果精確性難以保障的現象。經多次比較之下，發現斜波可以有效改善這類現象。

3 石油機械結構無損檢測過程

3.1 無損檢測系統的構成

無損檢測系統主要是利用計算機技術作為支撐，通過計算機系統利用GPIB電纜和信號發生器、數字示波器等進行連接。信號發生器經過功率放大器和波發生換能器連接，數字示波器和波接收換能器連接。參與試驗的石油機械結構利用波發聲換能器和波接收換能器來傳輸信號，最后信號傳輸到計算機，通過計算機進行吸納后分析，可以確定機械結構是否存在損傷，完成無損檢測過程。

3.2 A掃描法裂紋檢測和裂紋寬度的確定

將負責信號發射以及接收的換能器固定于同一直線，使其形成一套發射與接收所用的換能器裝置組。之后通過掃描的形式在試驗結構中箭頭所指方向移動發射與接收裝置組進行掃描探傷。利用分析計算來獲取試驗數據，通常利用示波器中多個發送及反射信號圖像，也可以通過數字示波器將信號數據傳輸至計算機中進行分析處理，能夠檢測到試驗件結構中是否存在裂紋，同時經過計算明確裂縫的寬度以及位置[3]。

根據箭頭所指方向在試驗件中移動信號發射接收裝置，在裝置移動至左位置1區間時，只能接收1個經試驗件上部反射的信號，收集的信號示波器中只有1個反射波。之后繼續移動裝置，在移動至位置2端點附近時能夠收集到信號有2個反射波，第一個反射波便是裂紋反射波，另一個反射波便是試件上部邊緣反射波，裂紋反射波的反射時間相比于邊緣反射波的行程更短。將該裝置移動至位置3區間時，可以收集到1個反射波信號，為裂紋反射波，行程非常短。之后繼續進行掃描，也能夠發現裂紋右頂點，在遭遇裂紋頂點時便可以在試件中標示出的裂紋端點位置做出檢出裂紋端點標示，利用左右兩個標示出的裂紋端點便可以明確裂紋寬度信息。

3.3 確定裂紋位置

為進一步解決裂紋問題，在找出裂紋寬度的同時還要進一步確定裂紋的位置信息。發射和接收換能器生成的波屬于橫波，而如上所述橫波的特征便是能在固體中傳播，并且固體傳播情況下整體表現更佳，因此可以在石油機械結構無損檢測中應用。通過橫波無損探傷的技術手段能夠快速找到裂紋位置信息，在此基礎上若橫波遇到裂紋則會自動將缺陷信息發送到計算機并顯示給工作人員，工作人員可以根據橫波反饋的數據信息找到裂紋的位置?？梢酝ㄟ^鋁合金板或A3鋼管作為介質，結合橫波自身的特征，在兩種介質中傳播速度可以達到3100 m/s，在信號傳輸完成后，結合計算機接受到反射波的時間進行判斷，找出裂紋具體的所在位置[4]。

4 結束語

超聲波方法在石油機械結構無損檢測中的應用能夠有效加強無損檢測的精確性和檢測效率，相比于其他傳統檢測方法來說，具有更高的應用優勢和應用價值。對此石油機械生產單位和石油企業要關注這一問題，合理運用超聲波無損檢測技術，為石油機械設備的穩定運行提供可靠支撐。