超聲波探傷技術在石油專用管材中的應用
石油工業在國民經濟中占有舉足輕重的地位,它關系到一個國家的安定繁榮,乃至世界政治經濟的和平穩定。隨著石油工業的迅速發展,鉆井深度不斷增加,目前已從陸地開發發展到海底開發石油資源,對石油專用管材,如油管、套管的數量、質量要求日益增高,對油、套管的強度要求也越來越高。因油井鉆采作業工作環境惡劣,要求鋼管必須承受各種應力(如抗拉力、擠壓應力等作用),同時還要具備抗低溫、抗硫化氫腐蝕等良好性能,因此,石油油管、套管的質量十分重要,而無損檢測則是保證石油油管、套管質量的重要方法。下面介紹一下超聲波探傷技術在石油專用管材中的應用。
超聲波探傷是利用超聲波在物體中傳播的一些物理特性來發現物體內部的不連續性,即缺陷或傷的一種方法,是無損檢驗一種重要手段。
針對石油專用管材,超聲波探傷的方法很多,按其原理分類可分為共振法、穿透法和脈沖反射法。
共振法是根據聲波(頻率可調的連續波)在工件中呈共振狀態來測量工件厚度或判斷有無缺陷的方法,這種方法主要用于表面較光滑的工件的厚度檢測,也可用于探測復合材料的粘合質量和鋼板內的夾層缺陷檢測。聲波在工件內傳播時,如入射波與反射波同相位(即工件厚度為超聲波波長的一半或成整數倍時),則引起共振。共振法的特點是:1)可精確地測厚,特別適宜測量薄板及薄壁管;2)工件表面光潔度要求高,否則不能進行測量。穿透法又稱透射法,穿透法是將二個探頭分別置于工件相對的兩面,一個發射超聲波,使超聲波從工件的一個界面透射到另一個界面,在該界面處用另一個探頭來接收。根據超聲波穿透工件后的能量變化情況,來判斷工件內部質量。工件內無缺陷時,接收到的超聲波能量較強,一旦有缺陷,聲波受缺陷阻擋,則將在缺陷后形成聲影,這樣就可根據接收到的超聲波能量的大小來判定缺陷的大小。穿透法具有以下特點:1)探測靈敏度較低,不易發現小缺陷;2)根據能量的變化即可判斷有無缺陷,但不能定位;3)適宜探測超聲波衰減大的材料;4)可避免盲區,適宜探測薄板;5)指示簡單,便于自動探傷;6)對兩探頭的相對距離和位置要求較高。
脈沖反射法是利用超聲波透入金屬材料的深處,并由一截面進入另一截面時,在界面邊緣發生反射的特點來檢查零件缺陷的一種方法,當超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內部,遇到缺陷與零件底面時就分別發生反射波來,在熒光屏上形成脈沖波形,根據這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。根據入射聲波型不同可分成如下幾種:縱波探傷法、橫波探傷法、表面波探傷法、蘭姆波探傷法。用縱波可探測金屬鑄錠、坯料、中厚板、大型鍛件和形狀比較簡單的制件中所存在的夾雜物、裂縫、縮管、白點、分層等缺陷;用橫波可探測管材中的周向和軸向裂縫、劃傷、焊縫中的氣孔、夾渣、裂縫、未焊透等缺陷;用表面波可探測形狀簡單的制件上的表面缺陷;用蘭姆波可探測薄板中的缺陷。脈沖反射法的特點是:1)探測靈敏度高;2)能準確地確定缺陷的位置和深度;3)可用不同波型探測,應用范圍廣。
按照GB/T11344-1989《接觸式超聲波回波法測厚》的要求,測定石油專用管材的厚度,常用的檢驗儀器為A型顯示脈沖反射式超聲波探傷儀。根據儀器示波屏上反射信號的有無、反射信號和入射信號的時間間隔、反射信號的高度,可確定反射面的有無、其所在位置及相對大小。通過計算實驗偏差,同時,對測量過程系統產生的不確定度分量進行評估,從而評定其不確定度。
1)測量原理
根據超聲波脈沖反射原理來進行厚度測量的,當探頭發射的超聲波脈沖通過被測物體到達材料分界面時,脈沖被反射回探頭,通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度。
2)測量過程
(1)探頭的擺放應使其分割線垂直于管體軸線,輕壓探頭以保持接觸良好;
(2)采用點測厚方法,需要在一定范圍內進行較密集的點測厚時,探頭應作跳躍式移動,不得在探頭與管體表面接觸時作相對移動;
(3)數值顯示穩定后可讀數,顯示穩定指保持同一數值(±0.1mm)至少3s。
3)建立數學模型
δ=(ut)/2
式中:δ—材料厚度,單位為mm;
u——聲速,單位為mm/s;
t——聲波在材料中往返一次的傳播時間,單位為s。
4)不確定度來源
(1)重復性測試引起的標準不確定度;
(2)測厚儀示值誤差產生的不確定度。
5)不確定度分量的評定
(1)重復性測試引起的標準不確定度:
為了獲得重復性隨機效應導致的不確定度,對同一樣品進行10次測量,其測試值分別是10.03、10.05、10.08、10.07、10.10、10.04、10.08、10.05、10.06、10.04,得到單次測量的重復性偏差為s(xi)=0.0224
算術平均值的不確定度為n—測試的次數,一般為2次測試的結果。
(2)測厚儀示值誤差產生的不確定度
測厚儀檢定證書給出其檢定值的擴展不確定度為44um,k=2.02,則由測厚儀檢定值所引起的標準不確定度為
6)合成標準不確定度
(1)將上述評定的各不確定度分量列表:
測量油、套管的不確定度分量表
(2)合成標準不確定度的計算
7)擴展不確定度
取包含因子k=2.02 ,kμ=2.02×26=52.52μm
8)結果報告
按GB/T11344—1989測試的結果,其油、套管厚度為, k=2.02
9)應用說明
本例通過油、套管的重復性測試結果計算實驗標準差,同時對測試過程系統效應產生的不確定分量進行評估,最后計算合成不確定度,求出油、套管厚度的擴展不確定度。
參考文獻
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