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(shè)備，石油探勘設(shè)備和傳輸管道、運(yùn)輸容器等對(duì)于無損檢測(cè)技術(shù)的要求非常高，而且這類機(jī)械結(jié)構(gòu)不能存在空隙氣孔、焊接缺陷、裂紋等質(zhì)量缺陷，因此只有通過無損檢測(cè)技術(shù)才能確保石油機(jī)械結(jié)構(gòu)的檢測(cè)維修質(zhì)量。超聲波無損檢測(cè)方法是一種檢測(cè)效率非常高，并且可靠性也十分優(yōu)異、應(yīng)用過程非常便利的無損檢測(cè)技術(shù)，和滲透法等其他無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)比之下更加精確可靠。超聲波無損檢測(cè)技術(shù)的工作頻率一般在0.4～5 MHz，超聲波無損檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)也十分明顯，如在介質(zhì)中傳播時(shí)遇到界面會(huì)進(jìn)行反射；超聲波具有較強(qiáng)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(cè)效率和精度都能夠得到保障。本文主要圍繞石油機(jī)械設(shè)備無損檢測(cè)展開論述，重點(diǎn)探討了超聲波無損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。

1 石油機(jī)械結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)面臨的問題

目前，石油機(jī)械設(shè)備的制造廠商較多，每臺(tái)機(jī)械設(shè)備的來源很難進(jìn)行統(tǒng)一，許多石油企業(yè)所應(yīng)用的無損檢測(cè)技術(shù)仍然可能面臨一些問題或不足，或沿用的無損檢測(cè)技術(shù)不夠成熟等，無法全面檢測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)中可能潛在的安全隱患，使得無損檢測(cè)各層次檢測(cè)的方式方法無法統(tǒng)一。不了解機(jī)械結(jié)構(gòu)的本質(zhì)也會(huì)在設(shè)備維修維護(hù)中難以找到著手點(diǎn)。同時(shí)，即便機(jī)械設(shè)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(shè)備運(yùn)行的環(huán)境因素如溫度、地理位置、濕度、污塵等都會(huì)在機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行以及檢測(cè)兩個(gè)方面帶來影響，一方面導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行容易出現(xiàn)故障，另一方面也會(huì)給無損檢測(cè)本身帶來阻礙。此外，目前很多石油機(jī)械設(shè)備在日常運(yùn)行中就面臨著一些問題，若是這些問題未能及時(shí)進(jìn)行解決，不僅會(huì)對(duì)石油企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營效益帶來影響，同時(shí)也可能會(huì)引發(fā)各種安全隱患，帶來無法挽回的損失。而機(jī)械結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)期間可能產(chǎn)生的問題主要分為兩個(gè)大類，也就是人為因素與非人為因素。

1.1 人為因素

對(duì)于石油機(jī)械設(shè)備無損檢測(cè)來說，人為因素影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

（1）無損檢測(cè)中人為的不安全行為。不安全行為主要包含操作不規(guī)范、作業(yè)違反規(guī)定、操作失誤等，導(dǎo)致這一現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因在于人員安全意識(shí)薄弱，安全知識(shí)匱乏。例如一些人員不愿改變?cè)幸呀?jīng)熟悉的作業(yè)模式以及程序，也就是操作習(xí)慣，這雖然是人員長時(shí)間工作所產(chǎn)生的經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣，但卻存在著難以改變的問題，若這些習(xí)慣本身是錯(cuò)誤或需要改變的，必然會(huì)存在不利影響，無法快速適應(yīng)新的作業(yè)模式與程序。同時(shí)，也有一部分人員忽略了檢測(cè)機(jī)械操作期間的必要程序，一些人員為了圖省事可能會(huì)忽略掉正確操作程序中的某一項(xiàng)或多項(xiàng)，認(rèn)為省去的程序項(xiàng)是不必要的，之后的操作也會(huì)延續(xù)該次操作，這也是機(jī)械設(shè)備事故發(fā)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(xiàn)場調(diào)度以及日常維護(hù)工作中不可或缺的項(xiàng)目內(nèi)容，但機(jī)械結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)可能會(huì)在組織設(shè)計(jì)中并沒有完善有關(guān)的安全生產(chǎn)措施，或措施流于形式等，安全管理資料中將專項(xiàng)施工方案與施工組織設(shè)計(jì)混淆，因此管理人員必須要進(jìn)一步提高人員管理和現(xiàn)場調(diào)度的控制效力，確保石油機(jī)械結(jié)構(gòu)檢測(cè)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(zhì)，一經(jīng)操作則可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。對(duì)此需要在機(jī)械結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)過程中進(jìn)一步控制物的不安全因素，一般這類因素總會(huì)與人為因素存在很多聯(lián)系，所以人為因素常與非人為因素交織在一起，很容易引發(fā)相互誘發(fā)的現(xiàn)象，所以做好設(shè)備檢查，排查物的不安全狀態(tài)則成為了管理工作中的關(guān)鍵[1]。

2 超聲波信號(hào)的生成

按照彈性介質(zhì)的支點(diǎn)振動(dòng)方向以及波的傳播方向關(guān)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(jī)械結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)中進(jìn)行應(yīng)用。其中縱波能夠在三態(tài)物質(zhì)也就是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)中進(jìn)行傳播，而縱波的產(chǎn)生與接收都很容易而且影響因素較少，所以在工業(yè)探傷中的應(yīng)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(zhì)中能夠進(jìn)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(jié)構(gòu)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(cè)探傷工作中選擇不同類型的超聲波至關(guān)重要。

2.1 軟件編制生成單脈沖信號(hào)

對(duì)于超聲波無損檢測(cè)來說，通常都會(huì)選擇較窄的單脈沖信號(hào)，例如美國某公司開發(fā)的任意信號(hào)編輯軟件，在計(jì)算機(jī)中編輯好將要選用的單脈沖超聲波信號(hào)，頻率都在超聲波信號(hào)范圍中，在試驗(yàn)中一般應(yīng)用單脈沖信號(hào)的時(shí)間寬度為0.625μs以及1μs。除卻軟件編制預(yù)選的脈沖信號(hào)外，也可以在SONY公司開發(fā)的AFG320信號(hào)發(fā)生器面板中直接操作形成不同信號(hào)以及編輯產(chǎn)生特定信號(hào)等，但這些信號(hào)在頻率以及波形方面都可能會(huì)受到約束，單脈沖信號(hào)只能產(chǎn)生至100 kHz。因SONY公司開發(fā)的AFG320信號(hào)發(fā)生器的實(shí)際應(yīng)用可能會(huì)受到限制，所以無法完全達(dá)到石油機(jī)械結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)的要求，應(yīng)用AFG320信號(hào)發(fā)生器無法產(chǎn)生足夠的單脈沖信號(hào)。為改善這一問題仍然需要采用美國某公司所開發(fā)的任意信號(hào)編輯軟件，在計(jì)算機(jī)中編輯生成一個(gè)較窄的單脈沖信號(hào)，之后利用GPIB電纜以及計(jì)算機(jī)PCI插槽中的一塊GPIB接口板，將單脈沖信號(hào)通過計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)于AFG320信號(hào)發(fā)生器中4個(gè)獨(dú)立內(nèi)存的其中一個(gè)，信號(hào)發(fā)生器具有4個(gè)獨(dú)立的任意信號(hào)存儲(chǔ)器，計(jì)算機(jī)編制完成的任意信號(hào)都能夠在其中分別存儲(chǔ)，在需要使用時(shí)進(jìn)行調(diào)用。實(shí)驗(yàn)工作期間，可以結(jié)合具體需求進(jìn)行調(diào)用，并在使用之前針對(duì)4個(gè)相互獨(dú)立的信號(hào)進(jìn)行編輯，一般選擇1 MHz及以上的單脈沖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)石油機(jī)械結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)工作[2]。

2.2 單脈沖信號(hào)類型選取

以美國GE公司的0151MH型以及014LJM型聲電轉(zhuǎn)換設(shè)備來說，不同類型的單脈沖信號(hào)在鋁板中傳播時(shí)很可能會(huì)出現(xiàn)不同裂紋反射波，從而導(dǎo)致無損檢測(cè)結(jié)果精確性難以保障的現(xiàn)象。經(jīng)多次比較之下，發(fā)現(xiàn)斜波可以有效改善這類現(xiàn)象。

3 石油機(jī)械結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)過程

3.1 無損檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

無損檢測(cè)系統(tǒng)主要是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)作為支撐，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)利用GPIB電纜和信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字示波器等進(jìn)行連接。信號(hào)發(fā)生器經(jīng)過功率放大器和波發(fā)生換能器連接，數(shù)字示波器和波接收換能器連接。參與試驗(yàn)的石油機(jī)械結(jié)構(gòu)利用波發(fā)聲換能器和波接收換能器來傳輸信號(hào)，最后信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行吸納后分析，可以確定機(jī)械結(jié)構(gòu)是否存在損傷，完成無損檢測(cè)過程。

3.2 A掃描法裂紋檢測(cè)和裂紋寬度的確定

將負(fù)責(zé)信號(hào)發(fā)射以及接收的換能器固定于同一直線，使其形成一套發(fā)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(yàn)結(jié)構(gòu)中箭頭所指方向移動(dòng)發(fā)射與接收裝置組進(jìn)行掃描探傷。利用分析計(jì)算來獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通常利用示波器中多個(gè)發(fā)送及反射信號(hào)圖像，也可以通過數(shù)字示波器將信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析處理，能夠檢測(cè)到試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)中是否存在裂紋，同時(shí)經(jīng)過計(jì)算明確裂縫的寬度以及位置[3]。

根據(jù)箭頭所指方向在試驗(yàn)件中移動(dòng)信號(hào)發(fā)射接收裝置，在裝置移動(dòng)至左位置1區(qū)間時(shí)，只能接收1個(gè)經(jīng)試驗(yàn)件上部反射的信號(hào)，收集的信號(hào)示波器中只有1個(gè)反射波。之后繼續(xù)移動(dòng)裝置，在移動(dòng)至位置2端點(diǎn)附近時(shí)能夠收集到信號(hào)有2個(gè)反射波，第一個(gè)反射波便是裂紋反射波，另一個(gè)反射波便是試件上部邊緣反射波，裂紋反射波的反射時(shí)間相比于邊緣反射波的行程更短。將該裝置移動(dòng)至位置3區(qū)間時(shí)，可以收集到1個(gè)反射波信號(hào)，為裂紋反射波，行程非常短。之后繼續(xù)進(jìn)行掃描，也能夠發(fā)現(xiàn)裂紋右頂點(diǎn)，在遭遇裂紋頂點(diǎn)時(shí)便可以在試件中標(biāo)示出的裂紋端點(diǎn)位置做出檢出裂紋端點(diǎn)標(biāo)示，利用左右兩個(gè)標(biāo)示出的裂紋端點(diǎn)便可以明確裂紋寬度信息。

3.3 確定裂紋位置

為進(jìn)一步解決裂紋問題，在找出裂紋寬度的同時(shí)還要進(jìn)一步確定裂紋的位置信息。發(fā)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(xiàn)更佳，因此可以在石油機(jī)械結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)中應(yīng)用。通過橫波無損探傷的技術(shù)手段能夠快速找到裂紋位置信息，在此基礎(chǔ)上若橫波遇到裂紋則會(huì)自動(dòng)將缺陷信息發(fā)送到計(jì)算機(jī)并顯示給工作人員，工作人員可以根據(jù)橫波反饋的數(shù)據(jù)信息找到裂紋的位置。可以通過鋁合金板或A3鋼管作為介質(zhì)，結(jié)合橫波自身的特征，在兩種介質(zhì)中傳播速度可以達(dá)到3100 m/s，在信號(hào)傳輸完成后，結(jié)合計(jì)算機(jī)接受到反射波的時(shí)間進(jìn)行判斷，找出裂紋具體的所在位置[4]。

4 結(jié)束語

超聲波方法在石油機(jī)械結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)中的應(yīng)用能夠有效加強(qiáng)無損檢測(cè)的精確性和檢測(cè)效率，相比于其他傳統(tǒng)檢測(cè)方法來說，具有更高的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值。對(duì)此石油機(jī)械生產(chǎn)單位和石油企業(yè)要關(guān)注這一問題，合理運(yùn)用超聲波無損檢測(cè)技術(shù)，為石油機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠支撐。