超聲相控陣技術在油田注汽鍋爐檢測中的應用

馬文杰

（新疆油田公司工程技術公司，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

我國很多油田都有相當比例的稠油，稠油需降低黏度才能被開采，油田注汽鍋爐[1]便是稠油熱力開采的專用設備。隨著稠油、超稠油的開采，油田注汽鍋爐被廣泛應用，汽水分離器是其中非常關鍵的部件，筒體壁厚高達70～100 mm，設計壓力18.06 MPa，工作溫度353 ℃，應是使用中安全管理的重點。自油田注汽鍋爐投用以來，汽水分離器從未檢測過，目前已有焊縫出現刺漏現象，存在安全隱患，對其實施檢測成為安全管理的重要工作。

目前油田注汽鍋爐汽水分離器在制造中使用的是γ 射線和常規超聲檢測（脈沖反射超聲檢測）方法。γ 射線法須在現場使用γ 源，污染環境且對站場作業面影響較大，油田業主不容許使用。常規超聲檢測受人為和外界因素影響較大，對與聲束不垂直的缺陷易造成誤判或漏檢，對缺陷的檢出具有不確定性，不能很好地滿足檢測要求。本文通過對超聲相控陣檢測技術在油田注汽鍋爐汽水分離器檢測中的應用研究，為油田注汽鍋爐汽水分離器的安全評測提供更加可靠的檢測數據支持。

1 技術路線

基于油田注汽鍋爐汽水分離器的結構、運行特點和業主要求，針對超聲相控陣檢測技術在油田注汽鍋爐汽水分離器檢測應用活動中，擬定如下技術路線：對超聲相控陣檢測機理和特點的研究分析→檢測工藝的擬定→檢測工藝的驗證→現場應用檢測。

2 超聲相控陣檢測機理和應用特點分析

超聲相控陣檢測的機理是采用多陣元的陣列換能器，通過計算機技術控制各陣元發射和接收超聲波的時間，來控制各陣元聲束的掃描、偏轉、聚焦成像的一種檢測技術。

裂紋的位置和方向是隨機分布的，常規單晶探頭聲束擴散、方向單一，對于方向不利或遠離聲束軸線位置的裂紋，容易漏檢[2]。而相控陣技術可在探頭不移動的情況下實現對被檢測區域的掃查，相控陣探頭的聲束是聚焦的，且能以多種角度入射到缺陷上，能檢出多向裂紋。相控陣檢測儀器可電子配置參數，能實現檢測全過程信號的記錄，對信號進行處理，生成和顯示不同方向投影的高質量圖像[3]，探頭小巧便于對局限空間位置的檢測。

3 檢測工藝的擬定

相控陣超聲與常規超聲方法雖然同是基于脈沖反射法檢測，但相控陣超聲在聲場、信號處理、成像、性能和功能等很多方面都有很大的不同，在應用實踐中的工藝擬定上，必須對其工藝影響因素重新分析研究，根據具體檢測對象選擇確定。

3.1 影響因素

（1）檢測設備。相控陣檢測設備包括儀器、探頭、軟件、掃查裝置等，儀器應根據檢測要求和現場條件來選擇[4]。儀器應有多個獨立的通道，水平線性誤差應不大于滿刻度的1%，垂直線性誤差應不大于滿幅度的5%，且閘門的位置、寬度及電平任意可調。現場檢測時多選擇輕巧便攜、屏幕光亮度好、控制與成像系統操作簡便的儀器。

（2）探頭。探頭是由多個晶片（一般不少于8 個）組成的陣列，目前焊縫檢測中比較常用的為線性陣列探頭。探頭頻率影響著檢測靈敏度、分辨力及聲能的衰減，實際應用中根據工件厚度、材料、聲束類型等因素，合理選擇探頭的頻率。對于厚度50～100 mm 的碳鋼焊縫，常選用2～7.5 MHz 的頻率。探頭尺寸的大小影響著聲束掃查覆蓋的區域，通常根據檢測對象的厚度、檢測位置、檢測面形狀等因素選擇探頭的尺寸，壁厚相對較大的焊縫宜選用尺寸大的探頭。

楔塊的選擇首先是和探頭相匹配，根據制定的工藝要求，參照廠家推薦的角度偏轉范圍進行選擇，對于有曲率的工件，選擇跟工件曲率相同或相近的楔塊，確保耦合良好。

（3）掃查方式。掃查器的移動和相控陣波束方向的結合形成了特定的掃查方式。選擇合適的掃查方式可以更有效地檢測和定量缺陷。對接焊縫優先推薦采用扇掃描＋沿線掃查，與坡口垂直的線性掃查對坡口區域的未熔合缺陷非常有效，而扇掃則能覆蓋焊縫內部、根部及熱影響區。

（4）聲束型式。通常采用橫波聲束和一次反射法來掃查檢測焊縫，對晶粒較粗大的不銹鋼焊縫，即使采用低頻的橫波，仍有衰減嚴重、信噪比差的情況，這時如采用頻率范圍為2～4 MHz的縱波角度入射不失為一種好的解決方法。

（5）聲束角度范圍。角度范圍的確定原則：根據被檢對象的厚度；即要考慮焊縫本身，還要考慮兩側的熱影響區；僅考慮采用一次波檢測的情況；選擇的角度范圍并不是越大越好，一般不超出35°～75°，且在楔塊制造廠商推薦的范圍內。角度范圍確定后，閘門范圍設置略大于最大聲程對應的值即可。

（6）探頭偏移。探頭偏移是指探頭前沿離開焊縫中心的距離，探頭偏移值是根據被檢工件的厚度及采用的檢測角度來確定的，選擇時應確保對檢測區域充分覆蓋，同時兼顧檢測靈敏度。

（7）激發孔徑。激發孔徑就是單次激發晶片組的總長度。激發孔徑越大，輻射波的能量也就越大，發現缺陷的能力越強，且可聚焦的范圍更廣，這對檢測有利。但過大的激發孔徑尺寸對設備要求更高，還會影響掃查速度，加重數據存儲的負擔。在設置激發孔徑尺寸時，應使激發孔徑尺寸D 與晶片寬度B 之比滿足0.2≤D/B≤5，對于探測厚度在50～100 mm 的一般材料檢測中，可偏轉方向上激發孔徑尺寸設置范圍常為20～35 mm。

（8）聚焦。超聲相控陣系統具有聲束的聚焦特性。利用聚焦特性可以提高聲場信號強度，回波信號幅度和信噪比，合理設定聚焦區域，可以獲得更高的靈敏度和分辨力，能很好地提高缺陷檢出率和測量精度。具體設定方法可參考GB/T 32563—2016《無損檢測超聲檢測相控陣超聲檢測方法》。

3.2 檢測工藝

油田注汽鍋爐汽水分離器的筒體材料為SA-266，筒體規格為Φ1200×80 mm，焊接方法為GTAW+SMAW+SAW，雙V 形坡口，坡口間隙及鈍邊均為2 mm，焊縫寬度為42 mm，焊縫余高基本與母材相平。

本次檢測選用多普勒Phascan 32/64 便攜式超聲相控陣檢測儀。該設備具備多視圖成像及多種聚焦方式，能實現快速電子掃描成像。掃查器體系小能夠避開焊縫附近多個接管的影響。被檢材料屬于低碳鋼，為非高衰減系數材料，為得到更好的靈敏度和分辨力，選用了型號為5L64-0.6×10-D3-T1、頻率為5 MHz的探頭，楔塊型號SD3-N60s，角度60°，晶片數為16。

覆蓋區域的確定。參照相關標準和資料[5-6]，根據分離器特性，在檢測前利用儀器配備的軟件，模擬設置探頭位置、扇掃描角度范圍等參數，對聲束（橫波）覆蓋范圍進行模擬設置。焊接接頭檢測區域包含了焊縫本身寬度和焊縫兩側各10 mm 的范圍，選用一次波覆蓋焊縫根部，二次波覆蓋焊縫上部。設定扇形掃查角度范圍45°～75°，角度步進1°。探頭前沿離開焊縫中心的距離為34 mm 時，就可實現對該焊縫及熱影響區100%的檢測。聲束覆蓋范圍如圖1 所示。

圖1 扇掃45°～75°聲束覆蓋范圍

3.3 工藝驗證

首次檢測前，需要對擬定的檢測工藝進行驗證。驗證工作包括超聲相控陣檢測儀器的校準（聲速、聚焦法則延時、靈敏度、編碼器等校準）和定位精度、壁厚覆蓋范圍測試等內容。

（1）聲速校準。校準方式是將相控陣探頭放在CSK-1A 試塊的圓心位置，找到CSK-1A 試塊的R50 mm、R100 mm 的圓弧面上的最高波，進行校準。

（2）聚焦法則延時校準。校準方式是將相控陣探頭放在CSK-1A 試塊的圓心位置，找到R100 mm 的圓弧面上的最高波，進行校準。也可用CSK-1A 試塊深15 mm、Φ1.5 mm 的反射體，或其他反射體校準。

（3）靈敏度校準。靈敏度校準可選用DAC（距離—波幅曲線）或TCG（深度補償曲線）方式進行校準。焊縫檢測時，DAC 曲線和TCG 修正可采用CSK－ⅡA 試塊，也可采用其他橫孔試塊。按照設備的操作手冊制作DAC 曲線，制作時點數的選擇不少于3 點，至少做到二次波聲程對應的厚度，以滿足檢測的需要，制作DAC 曲線選擇反射體按照由淺入深的順序進行，參考試塊上反射體的位置分別在10 mm、20 mm、30 mm 等位置，制作出的DAC 曲線的靈敏度為基準線靈敏度。TCG 修正是對不同聲程處相同尺寸反射體的回波進行增益修正，修正后不同深度處相同反射體的回波波幅基本一致，經最大補償的聲束對最大聲程處橫孔回波的信噪比應大于12 dB。

（4）位置傳感器（編碼器）校準。使掃查裝置移動一定的距離（≥500 mm）時對檢測設備所顯示的位移與實際位移進行比較，其誤差應小于1%，最大不超過10 mm。

（5）定位精度測試試驗。測試方法是將相控陣探頭置于試塊表面上，如圖2 所示，在擬用于檢測的聲束范圍內，對靠近的兩側邊緣聲束及居中間位置的聲束分別單獨激發，找到聲速角度位置相同孔的最高回波對應位置測量值，與實際值相比較，位置誤差范圍是否小于1%。測試試驗中聲速角度位置相同孔的最高回波對應位置測量值為25 mm，實際值是25 mm，偏差為0，符合要求。

圖2 定位精度測試試塊

（6）壁厚覆蓋范圍測定驗證試驗：試驗方法是使用擬定工藝選用的工藝條件及TOFD-C 試塊[7]上的人工缺陷（矩形槽、側孔）進行模擬掃查，檢查其可見矩形槽、側孔的深度，可見槽及孔最小和最大深度值則為厚度覆蓋范圍。試驗實測4～80 mm 深度長橫孔均可見，實測顯示深度與實際深度誤差均小于0.1 mm，符合檢測工作要求。

4 現場應用檢測

按照上述工藝參數及相關標準規定，對32-11-9-3#和18-19-16-3#兩臺鍋爐汽水分離器殼體的對接焊縫進行超聲相控陣的單面單側的扇掃描和沿線掃查。檢測過程中，首先對檢測面的處理情況進行檢查，滿足檢測要求后將檢測部位分成4 段，進行標識和畫參考線。然后依照工藝設定參數，調試設備，準備就緒后，分別按照聚焦深度在30 mm 和70 mm 處沿設定的路徑進行掃查，每段掃查停止和起始位置保持20 mm 的重疊，并控制探頭移動時與預設的參考線偏離量不超過5 mm，現場檢測情況如圖3 所示。對檢測結果形成的掃描信號數據（共8 幅累計長度12.8 m 圖譜）進行判讀、分析和評估，檢測采集的數據有效，本次現場檢測為汽水分離器的焊接接頭安全評估提供了定量精確可靠的檢測數據。

圖3 超聲相控陣現場檢測

5 結論

對于在役油田注汽鍋爐汽水分離器的檢測，超聲相控陣檢測方法很好地解決了現場適用檢測方法的問題，且具有缺陷檢出率高、檢測可靠性好、實時成像可快速分析、檢測效率高的特點。工藝驗證試驗結果和現場應用檢測效果表明，超聲相控陣檢測工藝切實有效可行，能為油田注汽鍋爐汽水分離器的安全評估提供可靠的檢測數據和技術支持。