浅谈石油专用管的超声波检测技术

石峰 (胜利油田物资供应处检验所检验车间 山东 东营 257000)

石油专用管材包括钻杆、方钻杆、钻铤、油管、套管等，这些专用管工作时受到复杂的应力作用，工作条件很恶劣，但工程对专用管质量要求很严格，不能有任何一处出现故障，否则将造成巨大的经济损失，甚至人员伤亡。无损检测技术是保证石油专用管质量的重要检测手段，在专用管材制造加工过程中就应该根据检测计划和要求对管材成品和半成品进行检测，另外在重复使用石油专用管材时也要定期进行检测，从而保证石油工程作业的顺利进行。对于石油专用管的无损检测常用的方法有：目视检查、漏磁检查、射线检查、磁粉检测、涡流检验以及超声波检测等。其中，超声波检测是检测效果与现场推广程度俱佳的一种检测技术，超声波技术主要用来检测管材内部腐蚀状况和管材的壁厚，尤其是对可能造成较大危害裂纹性质的管材缺陷有着相当好的检验效果。

一、超声波检测原理

超声波检测技术是利用了超声波可以传入金属材料内部，当其从一个截面传入另一截面时，在两截面的边缘将会发生反射的性质来达到检测管材缺陷的目的，即当超声波束由探头出发从管材表面传入到管材内部，当遇到内部缺陷或是管材底面时，超声波就将发生反射，并在超声波检测仪器的屏幕上形成脉冲波形，根据波形即可确定管材内部缺陷的大小与位置。

超声波有很多种波形，常用到的检测波形有：横波、纵波、板波及表面波。每种波形应用的场合也不尽相同，横波可用于检测管材内部轴向或者周向裂纹与划痕以及焊缝内部的夹渣、气孔、裂纹、没焊透等问题；纵波主要用于检测铸件、锻件、坯料内部的白点、缩管、杂物、裂纹等缺陷；板波可用来检测薄板内部的缺陷；表面波可以用来检测外形简单加工件表面的缺陷。

二、超声波检测方法

超声波检测技术在石油专用管中应用的方法有很多种，根据原理的差异可分为穿透法、共振法和脉冲反射法。

穿透法是在待测工件相对的两面分别放置一个探头，发射端探头发出超声波，穿透待测工件的一个界面到达相对的另一界面，从而被该处的探头所接收。工件内部缺陷状况判断依据是超声波穿透工件两个界面前后的能量变化值。当工件内部质量完好时，终端探头接收到的超声波信号的能量就较强；反之，如果工件内部存在缺陷时，超声波将在缺陷处受到阻碍，会在缺陷后产生声影，如此，即可根据发射端与终端超声波能量值的差异大小来分析待测工件内部缺陷大小。穿透法有以下几个特点：①可以根据前后能量差异来判定是否存在缺陷，但是不能确定缺陷的具体位置；②对于微小缺陷的灵敏度不高，常常会被忽略；③操作和指示都比较简单，可实现自动化作业；④能够用于薄板的检测作业，因其可以有效地避免盲区；⑤对于会引起超声波较大衰减的材料也能够适应；⑥在放置发射端和终端探头时，对其位置与相对距离都有较高的要求。

共振法是通过对连续声波频率的调节使待测工件内部达到共振状态，以此来计算待测工件的厚度或是判定工件内部是否存在缺陷的一种检测方法。共振法主要用来检测表面粗糙度较低的工件厚度，另外也可以对复合材料的胶结状态进行探测以及检测钢板内部夹层的缺陷。超声波在待测工件内部传播，通过调节频率，当反射波的相位与入射波的相位相等时，即会在工件内部引起共振现象，此时待测工件的厚度等于超声波波长的0.5倍或是整数倍。共振法检测技术有以下两个特点：①对待测工件表面粗糙度有很高的要求；②测量工件厚度时有着很高的精确度，在对薄板或薄壁管检测作业时有着很好的效果。

脉冲反射法是将超声波发射传播到待测工件内部，当从一截面传送到另一截面时，在两个截面的界面上将发生反射的性质来判断工件内部是否存在缺陷的一种检测方法。其根据入射波波型可以分为：横波检测法、纵波检测法、表面波检测法以及兰姆波检测法。脉冲反射法的特点有以下几点：①可以利用不同波型的特点进行探测，适用的场合很广；②能够对待测工件内部缺陷的大小与位置进行很精确的测量；③有很高的灵敏度，可用于探测细微的缺陷。

三、超声波检测方法实现过程

在石油专用管检测中，常用到的检测仪器是A型显示脉冲反射式超声波探伤仪，该仪器可以测量得到待测工件内部是否存在缺陷、缺陷的大小以及位置，其依据分别是通过示波屏反映出来的是否存在反射信号、反射信号与入射信号的相位差以及反射信号的幅度。另外，对每次测试的偏差进行计算，评估整个检测作业的不确定度分量，最终确定检测系统的不确定度。其测量过程分为以下几个步骤：

（1）测量数据：①在垂直于待测管材中心轴线的分割线上安装探头，通过轻压使探头与专用管体保持良好的接触；②当采用点测量管材厚度，要求布置比较密集的测量点时，移动探头时不得与管体表面始终保持接触，而应该做跳跃式的移动；③显示屏上显示数据稳定以后方可读取数据，数据显示是否稳定的判定依据一般是要求同一数值在±0.1mm范围内保持3s或以上。

（2）确定数学公式：δ=（ut）/2，其中 δ 是管材厚度（mm)，u 是声波速度（mm/s），t是声波在管材中往返一次的时间（s）。

（3）评定不确定度分量，主要分为两个方面，首先确定对同一指标重复性检测产生的不确定度，再确定超声波仪器显示值误差导致的不确定度。

（4）将已评定的不确定度分量进行列表，并合成计算标准不确定度，再选取包含因子，确定扩展不确定度。

（5）根据相关标准得出测试结果，出具检测报告。