奧氏體合金油管超聲檢測(cè)問題研究

李小波，劉騰躍

（中國(guó)石油技術(shù)開發(fā)公司管道分公司，北京100028）

奧氏體合金油管超聲檢測(cè)問題研究

李小波，劉騰躍

（中國(guó)石油技術(shù)開發(fā)公司管道分公司，北京100028）

為了推進(jìn)超聲波探傷在奧氏體油管檢測(cè)中的應(yīng)用，簡(jiǎn)要介紹了奧氏體合金油管超聲波檢測(cè)的難點(diǎn)，從耦合劑的要求、探頭參數(shù)的選擇、對(duì)比試塊的制作、焊縫余高引起的頂部盲區(qū)、周向橫波檢測(cè)的條件等方面詳細(xì)闡述了奧氏體合金油管檢測(cè)中存在的問題，并提出了偽缺陷波的判定要點(diǎn)。分析結(jié)果認(rèn)為，奧氏體合金油管管體和焊縫超聲波檢測(cè)中建議耦合劑選用機(jī)油，探頭頻率選擇2.5～5 MHz；周向橫波探測(cè)奧氏體合金油管時(shí)，鋼管的內(nèi)外徑之比應(yīng)≥0.547；為了減少噪聲偽缺陷波對(duì)超聲檢測(cè)的影響，最有效的措施是使用窄脈沖超聲波進(jìn)行檢測(cè)，并通過聲程法和水平定位法區(qū)分焊縫根部成形產(chǎn)生的偽缺陷波。

檢測(cè)；超聲檢測(cè)；奧氏體合金油管；探頭；偽缺陷

1 概 述

隨著石油天然氣需求的日益增加，常規(guī)油田已不能滿足目前的能源需求，大量高酸性油氣田被開采，而高酸性油氣田環(huán)境極其惡劣，常規(guī)不銹鋼管已無(wú)法滿足此類油氣田開發(fā)的需求，因此針對(duì)高酸性油氣田工況的奧氏體合金油管應(yīng)運(yùn)而生。奧氏體合金油管不僅具有良好的抗腐蝕性能，而且強(qiáng)度高、塑性好，熱加工和冷加工性能優(yōu)良，已廣泛用于石油化工、能源等領(lǐng)域[1-7]。奧氏體合金油管的超聲波探傷包括油管管體探傷和管管對(duì)接焊縫探傷兩個(gè)方面。目前，奧氏體合金油管的超聲波探傷存在很多難點(diǎn)，推進(jìn)超聲波探傷在奧氏體油管的應(yīng)用是急需解決的問題。

2 奧氏體合金油管超聲波探傷難點(diǎn)

2.1 焊縫余高相對(duì)較大

奧氏體合金油管外徑較小，焊縫余高相對(duì)于外徑比例較大。超聲波檢測(cè)時(shí)，焊縫余高相對(duì)較高，容易出現(xiàn)雜波和偽缺陷波，這會(huì)增加定量和定性檢測(cè)真實(shí)缺陷的難度。

2.2 聲學(xué)特性的各向異性

奧氏體合金油管管體及焊縫的組織較為粗大，對(duì)超聲波的傳播和能量的衰減有較大影響。超聲波檢測(cè)時(shí)信噪比很低，嚴(yán)重影響了對(duì)缺陷的定性和定位。

2.3 傳播路徑復(fù)雜、聲損大

奧氏體合金油管超聲波檢測(cè)時(shí)，焊縫處的傳播路徑復(fù)雜，超聲波經(jīng)過幾次發(fā)散后，聲能損失較大，且最終的聚集聲壓反射異于常規(guī)，又會(huì)引起一定的聲能損失，從而降低了檢測(cè)時(shí)的靈敏度。

3 奧氏體合金油管超聲波檢測(cè)存在的問題

3.1 通用問題

3.1.1 耦合劑

接觸法超聲波探傷主要有兩種探頭和工件的接觸形式，即固態(tài)接觸和液態(tài)接觸，一般采用液態(tài)耦合。耦合的好壞主要由工件表面狀況、光潔度和耦合劑的性能等決定。實(shí)際檢測(cè)結(jié)果表明，工件表面狀況越好、光潔度越高，超聲檢測(cè)時(shí)的能量損失越少，探傷靈敏度越高。當(dāng)表面粗糙度＜1/8波長(zhǎng)時(shí)，隨著光潔度的提高，光潔度對(duì)超聲波檢測(cè)靈敏度的提高已不再明顯，所以一般要求表面粗糙度≥4 μm即可。超聲波探傷時(shí)，如果表面粗糙度不滿足要求，可對(duì)表面進(jìn)行相應(yīng)的處理，防止表面出現(xiàn)凹面。另外，一定要將探傷面的氧化皮、污物等進(jìn)行處理。而耦合劑應(yīng)具備排除與探傷面之間的空氣、聲阻抗大、對(duì)人體無(wú)害、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，奧氏體合金油管檢測(cè)時(shí)選用的耦合劑為機(jī)油。

3.1.2 探頭選擇

探頭晶片尺寸的選擇主要從發(fā)射能量、擴(kuò)散角、掃描范圍、發(fā)現(xiàn)缺陷能力等方面綜合考慮。同時(shí)，還要考慮工件形狀、探測(cè)面、結(jié)構(gòu)等因素。因此，檢測(cè)時(shí)應(yīng)根據(jù)奧氏體合金油管的尺寸合理選擇探頭晶片尺寸。

當(dāng)奧氏體合金油管的壁厚較小時(shí)，為了保證探傷能檢測(cè)到全壁厚的情況，管體超聲波檢測(cè)探頭應(yīng)選用較大的K值，以避免近場(chǎng)區(qū)探傷。同時(shí)，還要盡量保證一次、二次波的聲程要求[8]。檢測(cè)奧氏體合金油管焊縫時(shí)，為了滿足焊縫根部能被一次波探測(cè)到，K=2～2.5為宜。按照文獻(xiàn)[9]，采用大角度探頭（K=2～2.5）一次波超聲檢測(cè)時(shí)，既可以發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)缺陷，又可以發(fā)現(xiàn)焊縫根部未焊透、未熔合的缺陷。

3.2 個(gè)性問題

3.2.1 檢測(cè)試塊的制作

從待檢測(cè)的奧氏體合金油管上截取一段制作環(huán)焊縫檢測(cè)用試塊，其形狀及尺寸如圖1所示。該試塊是未帶墊圈用試塊，一端上下兩角分別鉆Φ3 mm×15 mm和Φ1.5 mm×15 mm的平底孔，平底孔離焊縫約500 mm。平底孔的傾斜角等于探頭折射角，另一端鉆兩個(gè)Φ2.5 mm的橫通孔和全圓周1 mm×1 mm的矩形槽，橫通孔距試塊一端100 mm，矩形槽中心距試塊一端15 mm。橫通孔用來(lái)調(diào)整掃描速度和測(cè)定探頭折射角，矩形槽用來(lái)比較未焊透深度，端角平底孔用于調(diào)整靈敏度和比較缺陷當(dāng)量。

圖1 奧氏體合金油管環(huán)焊縫超聲波探傷用檢測(cè)試塊

3.2.2 焊縫余高引起的頂部盲區(qū)

超聲波檢測(cè)時(shí)的頂部盲區(qū)如圖2所示。使用一次波進(jìn)行焊縫探傷時(shí)，一次波無(wú)法探測(cè)到焊縫的中上部，一般稱之為頂部盲區(qū)。由圖2可知，頂部盲區(qū)的大小由探頭K值和探頭前沿距離L0決定。因此，選用小前沿、大K值的斜探頭能減小頂部盲區(qū)[10]。實(shí)際檢測(cè)操作時(shí)，必須使用二次波來(lái)避免頂部盲區(qū)。

圖2 超聲波檢測(cè)時(shí)頂部盲區(qū)示意圖

3.2.3 周向橫波檢測(cè)條件

超聲波聲束在奧氏體合金油管管體的傳播途徑如圖3所示。

為了緩解世界范圍內(nèi)的水資源供需矛盾，根據(jù)聯(lián)合國(guó)《21世紀(jì)議程》第18章有關(guān)水資源保護(hù)、開發(fā)、管理的原則，1993年1月18日，聯(lián)合國(guó)第17次大會(huì)通過了193號(hào)決議，決定從1993年開始，確定每年的3月22日為“世界水日”。決議決定每年確定一個(gè)與水資源保護(hù)有關(guān)的主題，并提請(qǐng)各國(guó)政府根據(jù)自己的國(guó)情，在這一天圍繞主題開展如出版、散發(fā)宣傳品、舉行會(huì)議、展覽等宣傳活動(dòng)，以增強(qiáng)公眾意識(shí)。

圖3 超聲波聲束在奧氏體合金油管管體的傳播途徑

如果超聲波入射后僅產(chǎn)生橫波且橫波波束可以探測(cè)到內(nèi)壁，折射角應(yīng)符合式（1）要求。

式中：βs—橫波折射角；

Cs—橫波聲速， Cs=3 230 m/s；CL—縱波聲速， CL=5 900 m/s；

r—鋼管內(nèi)徑；

R—鋼管外徑。

因此，r/R≥0.547，橫波探測(cè)奧氏體合金油管時(shí)，鋼管的內(nèi)外徑之比應(yīng)≥0.547。

4 奧氏體合金油管探傷偽缺陷波的判定

4.1 噪聲波

奧氏體合金油管的組織為粗大的奧氏體組織，特別是焊縫處的組織極不均勻。因此，采用超聲波檢測(cè)時(shí)焊縫處的檢測(cè)難度較大，主要原因是：①探頭K值受不同金屬熔合區(qū)聲速和傳播方向的影響較大；②奧氏體組織的各向異性導(dǎo)致其在不同方向上對(duì)超聲波的衰減程度不同。由于奧氏體的各向異性，容易在局部范圍內(nèi)使噪聲波和正常檢測(cè)波混合在一起，使信噪比過低，這會(huì)對(duì)缺陷波的定性和定位產(chǎn)生較大的影響，容易導(dǎo)致對(duì)缺陷的誤判。因此，對(duì)于檢測(cè)奧氏體合金油管來(lái)說(shuō)，提高信噪比有助于提高超聲波檢測(cè)的準(zhǔn)確性。但實(shí)際檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)奧氏體合金油管超聲檢測(cè)信噪比＞15 dB時(shí)，噪聲比對(duì)超聲波檢測(cè)準(zhǔn)確性的影響將不再顯著。提高超聲波檢測(cè)信噪比最有效的措施是使用窄脈沖超聲波進(jìn)行檢測(cè)。

4.2 焊縫根部成形的影響

超聲波檢測(cè)奧氏體合金油管時(shí)，反射波強(qiáng)度與焊縫的成形質(zhì)量有直接關(guān)系。焊縫成形良好時(shí)，無(wú)反射波或反射波強(qiáng)度較低；焊縫成形較差時(shí)，焊縫兩側(cè)均可以探測(cè)到反射波。超聲波對(duì)焊縫根部的檢測(cè)過程如圖4所示。

圖4 超聲波檢測(cè)焊縫根部過程示意圖

檢測(cè)時(shí)，反射波強(qiáng)度隨焊縫根部Δt（如圖4所示）的大小而變化。通過聲程法和水平定位法可以判定該反射波是否為缺陷波。聲程法：一次波的聲程值應(yīng)略小于焊縫根部成形反射波的聲程，比較兩者的聲程即可區(qū)分。水平定位法：從偏離焊縫中心線的水平定位來(lái)說(shuō)，定位在遠(yuǎn)離探頭一側(cè)的波是焊縫根部成形的反射波，而定位在靠近探頭一側(cè)的波為根部缺陷反射波。

4.3 焊縫錯(cuò)邊缺陷

管管對(duì)接環(huán)焊時(shí)，焊縫根部存在一定的錯(cuò)邊，如圖5所示。對(duì)該類錯(cuò)邊焊縫進(jìn)行超聲波探傷時(shí)，兩側(cè)信號(hào)強(qiáng)度不同，一側(cè)較強(qiáng)（如圖5（b）所示），另一側(cè)沒有信號(hào)（如圖5（c）所示）。判別這類波形時(shí)，要特別注意其與單側(cè)未焊透波形信號(hào)的區(qū)別。

圖5 錯(cuò)邊焊縫超聲波檢測(cè)及其對(duì)應(yīng)波形示意圖

5 結(jié) 論

（1）超聲波探傷存在焊縫余高相對(duì)外徑比例較大、奧氏體聲學(xué)特性的各向異性、焊縫外徑小造成曲率大等問題，奧氏體油管管體和焊縫超聲檢測(cè)時(shí)，建議耦合劑選用機(jī)油，探頭頻率選擇2.5～5 MHz為宜。

（2）奧氏體油管焊縫超聲檢測(cè)試塊應(yīng)滿足超聲檢測(cè)對(duì)缺陷、探頭折射角、靈敏度等的調(diào)試要求。周向橫波檢測(cè)的條件應(yīng)滿足r/R≥0.547，為了避免焊縫頂部盲區(qū)，不能采用超聲一次波進(jìn)行檢測(cè)，必須使用超聲二次波檢測(cè)。

（3）對(duì)于減少噪聲偽缺陷波對(duì)超聲檢測(cè)的影響，最有效的措施是使用窄脈沖超聲波進(jìn)行檢測(cè)；對(duì)于焊縫根部成形的影響產(chǎn)生的偽缺陷波，可通過聲程法和水平定位法加以區(qū)分；對(duì)于錯(cuò)邊缺陷波，表現(xiàn)為兩側(cè)信號(hào)一側(cè)強(qiáng)、一側(cè)沒有信號(hào)，要特別注意與單側(cè)未焊透波形的區(qū)別以防止誤判。

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Study on Ultrasonic Testing Problem of Austenitic Alloy Tubing

LI Xiaobo,LIU Tengyue
（China Petroleum Technology&Development Corporation,Beijing 100028,China）

In order to advance the application of ultrasonic flaw detection in austenitic tubing detection，it briefly introduced the ultrasonic testing difficulties of austenitic alloy tubing,detailedly expounded the existing problems in austenitic alloy tubing detection from several aspects,including coupling agent requirements，probe parameter selection,reference blocks，top blind area caused by weld reinforcement，detection conditions of circumferential wave and so on,it also put forward the main points for judging the pseudo-flaw wave.The analysis results considered that it suggested use engine oil as a coupling agent in the ultrasonic testing of austenite tubing and weld，and the probe frequency selected 2.5~5 MHz；when using circumferential transverse wave to detect austenitic alloy tubing,the ratio of the inside and outside diameter of steel pipe should be greater than 0.547.In order to reduce the influence of noise pseudo-flaw wave on ultrasonic testing,the most effective measure is to use the narrow-pulse ultrasonic testing，and differentiated the pseudo-flaw wave caused by weld root forming through the method of acoustic distance method and horizontal position method.

detection； ultrasonic testing； austenite alloy tubing； probe； pseudo-flaw wave

TG115.28

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.09.011

李小波（1975—），男，工程師，主要從事油氣管材技術(shù)研究和技術(shù)管理工作。

2017-03-08

編輯：李 超