用超声波方法进行石油机械结构的无损检测

刘 杰，王 刚，张银洲

（渤海石油装备制造有限公司辽河钻采装备分公司，辽宁盘锦 124010）

0 引言

相较于一般设备，石油探勘设备和传输管道、运输容器等对于无损检测技术的要求非常高，而且这类机械结构不能存在空隙气孔、焊接缺陷、裂纹等质量缺陷，因此只有通过无损检测技术才能确保石油机械结构的检测维修质量。超声波无损检测方法是一种检测效率非常高，并且可靠性也十分优异、应用过程非常便利的无损检测技术，和渗透法等其他无损检测技术对比之下更加精确可靠。超声波无损检测技术的工作频率一般在0.4～5 MHz，超声波无损检测的优势也十分明显，如在介质中传播时遇到界面会进行反射；超声波具有较强的指向性，频率越高则指向性也越高；超声波传播能量大，能够轻松穿透多种材料，所以检测效率和精度都能够得到保障。本文主要围绕石油机械设备无损检测展开论述，重点探讨了超声波无损检测技术的应用。

1 石油机械结构无损检测面临的问题

目前，石油机械设备的制造厂商较多，每台机械设备的来源很难进行统一，许多石油企业所应用的无损检测技术仍然可能面临一些问题或不足，或沿用的无损检测技术不够成熟等，无法全面检测机械结构中可能潜在的安全隐患，使得无损检测各层次检测的方式方法无法统一。不了解机械结构的本质也会在设备维修维护中难以找到着手点。同时，即便机械设备的来源相同，使用人员也可能存在不同，包括操作人员的操作因素以及设备运行的环境因素如温度、地理位置、湿度、污尘等都会在机械设备的运行以及检测两个方面带来影响，一方面导致设备运行容易出现故障，另一方面也会给无损检测本身带来阻碍。此外，目前很多石油机械设备在日常运行中就面临着一些问题，若是这些问题未能及时进行解决，不仅会对石油企业的生产经营效益带来影响，同时也可能会引发各种安全隐患，带来无法挽回的损失。而机械结构无损检测期间可能产生的问题主要分为两个大类，也就是人为因素与非人为因素。

1.1 人为因素

对于石油机械设备无损检测来说，人为因素影响主要表现在两个方面：

（1）无损检测中人为的不安全行为。不安全行为主要包含操作不规范、作业违反规定、操作失误等，导致这一现象产生的主要原因在于人员安全意识薄弱，安全知识匮乏。例如一些人员不愿改变原有已经熟悉的作业模式以及程序，也就是操作习惯，这虽然是人员长时间工作所产生的经验和习惯，但却存在着难以改变的问题，若这些习惯本身是错误或需要改变的，必然会存在不利影响，无法快速适应新的作业模式与程序。同时，也有一部分人员忽略了检测机械操作期间的必要程序，一些人员为了图省事可能会忽略掉正确操作程序中的某一项或多项，认为省去的程序项是不必要的，之后的操作也会延续该次操作，这也是机械设备事故发生的原因之一。

（2）人员管理存在不足。人员管理是石油工程现场调度以及日常维护工作中不可或缺的项目内容，但机械结构无损检测可能会在组织设计中并没有完善有关的安全生产措施，或措施流于形式等，安全管理资料中将专项施工方案与施工组织设计混淆，因此管理人员必须要进一步提高人员管理和现场调度的控制效力，确保石油机械结构检测工作能够顺利开展。

1.2 非人为因素

非人为因素主要指物的不安全因素，物可以是各种形式或性质，一经操作则可能会引发严重的安全事故。对此需要在机械结构无损检测过程中进一步控制物的不安全因素，一般这类因素总会与人为因素存在很多联系，所以人为因素常与非人为因素交织在一起，很容易引发相互诱发的现象，所以做好设备检查，排查物的不安全状态则成为了管理工作中的关键[1]。

2 超声波信号的生成

按照弹性介质的支点振动方向以及波的传播方向关系，可以将声波划分为横波、纵波、板波等多种，都可以在石油机械结构无损检测中进行应用。其中纵波能够在三态物质也就是固态、液态、气态中进行传播，而纵波的产生与接收都很容易而且影响因素较少，所以在工业探伤中的应用更加普遍。液体与气体因不具备剪切弹性，所以只能传播纵波无法传播横波，横波只能局限于固体表面探伤。板桩介质中能够进行传播的弹性波便是板波，板波又能划分多种类型，最具代表性的便是兰姆波。波型不同则传播效率也具有明显差异，如在钢结构中纵波传播速度便是横波速度的1.8倍左右，表面波传播速度为横波传播速度的90%左右等，所以在无损检测探伤工作中选择不同类型的超声波至关重要。

2.1 软件编制生成单脉冲信号

对于超声波无损检测来说，通常都会选择较窄的单脉冲信号，例如美国某公司开发的任意信号编辑软件，在计算机中编辑好将要选用的单脉冲超声波信号，频率都在超声波信号范围中，在试验中一般应用单脉冲信号的时间宽度为0.625μs以及1μs。除却软件编制预选的脉冲信号外，也可以在SONY公司开发的AFG320信号发生器面板中直接操作形成不同信号以及编辑产生特定信号等，但这些信号在频率以及波形方面都可能会受到约束，单脉冲信号只能产生至100 kHz。因SONY公司开发的AFG320信号发生器的实际应用可能会受到限制，所以无法完全达到石油机械结构无损检测的要求，应用AFG320信号发生器无法产生足够的单脉冲信号。为改善这一问题仍然需要采用美国某公司所开发的任意信号编辑软件，在计算机中编辑生成一个较窄的单脉冲信号，之后利用GPIB电缆以及计算机PCI插槽中的一块GPIB接口板，将单脉冲信号通过计算机存储于AFG320信号发生器中4个独立内存的其中一个，信号发生器具有4个独立的任意信号存储器，计算机编制完成的任意信号都能够在其中分别存储，在需要使用时进行调用。实验工作期间，可以结合具体需求进行调用，并在使用之前针对4个相互独立的信号进行编辑，一般选择1 MHz及以上的单脉冲信号来实现石油机械结构的无损检测工作[2]。

2.2 单脉冲信号类型选取

以美国GE公司的0151MH型以及014LJM型声电转换设备来说，不同类型的单脉冲信号在铝板中传播时很可能会出现不同裂纹反射波，从而导致无损检测结果精确性难以保障的现象。经多次比较之下，发现斜波可以有效改善这类现象。

3 石油机械结构无损检测过程

3.1 无损检测系统的构成

无损检测系统主要是利用计算机技术作为支撑，通过计算机系统利用GPIB电缆和信号发生器、数字示波器等进行连接。信号发生器经过功率放大器和波发生换能器连接，数字示波器和波接收换能器连接。参与试验的石油机械结构利用波发声换能器和波接收换能器来传输信号，最后信号传输到计算机，通过计算机进行吸纳后分析，可以确定机械结构是否存在损伤，完成无损检测过程。

3.2 A扫描法裂纹检测和裂纹宽度的确定

将负责信号发射以及接收的换能器固定于同一直线，使其形成一套发射与接收所用的换能器装置组。之后通过扫描的形式在试验结构中箭头所指方向移动发射与接收装置组进行扫描探伤。利用分析计算来获取试验数据，通常利用示波器中多个发送及反射信号图像，也可以通过数字示波器将信号数据传输至计算机中进行分析处理，能够检测到试验件结构中是否存在裂纹，同时经过计算明确裂缝的宽度以及位置[3]。

根据箭头所指方向在试验件中移动信号发射接收装置，在装置移动至左位置1区间时，只能接收1个经试验件上部反射的信号，收集的信号示波器中只有1个反射波。之后继续移动装置，在移动至位置2端点附近时能够收集到信号有2个反射波，第一个反射波便是裂纹反射波，另一个反射波便是试件上部边缘反射波，裂纹反射波的反射时间相比于边缘反射波的行程更短。将该装置移动至位置3区间时，可以收集到1个反射波信号，为裂纹反射波，行程非常短。之后继续进行扫描，也能够发现裂纹右顶点，在遭遇裂纹顶点时便可以在试件中标示出的裂纹端点位置做出检出裂纹端点标示，利用左右两个标示出的裂纹端点便可以明确裂纹宽度信息。

3.3 确定裂纹位置

为进一步解决裂纹问题，在找出裂纹宽度的同时还要进一步确定裂纹的位置信息。发射和接收换能器生成的波属于横波，而如上所述横波的特征便是能在固体中传播，并且固体传播情况下整体表现更佳，因此可以在石油机械结构无损检测中应用。通过横波无损探伤的技术手段能够快速找到裂纹位置信息，在此基础上若横波遇到裂纹则会自动将缺陷信息发送到计算机并显示给工作人员，工作人员可以根据横波反馈的数据信息找到裂纹的位置。可以通过铝合金板或A3钢管作为介质，结合横波自身的特征，在两种介质中传播速度可以达到3100 m/s，在信号传输完成后，结合计算机接受到反射波的时间进行判断，找出裂纹具体的所在位置[4]。

4 结束语

超声波方法在石油机械结构无损检测中的应用能够有效加强无损检测的精确性和检测效率，相比于其他传统检测方法来说，具有更高的应用优势和应用价值。对此石油机械生产单位和石油企业要关注这一问题，合理运用超声波无损检测技术，为石油机械设备的稳定运行提供可靠支撑。