石油工业在国民经济中占有举足轻重的地位,它关系到一个国家的安定繁荣,乃至世界政治经济的和平稳定。随着石油工业的迅速发展,钻井深度不断增加,目前已从陆地开发发展到海底开发石油资源,对石油专用管材,如油管、套管的数量、质量要求日益增高,对油、套管的强度要求也越来越高。因油井钻采作业工作环境恶劣,要求钢管必须承受各种应力(如抗拉力、挤压应力等作用),同时还要具备抗低温、抗硫化氢腐蚀等良好性能,因此,石油油管、套管的质量十分重要,而无损检测则是保证石油油管、套管质量的重要方法。下面介绍一下超声波探伤技术在石油专用管材中的应用。
超声波探伤是利用超声波在物体中传播的一些物理特性来发现物体内部的不连续性,即缺陷或伤的一种方法,是无损检验一种重要手段。
针对石油专用管材,超声波探伤的方法很多,按其原理分类可分为共振法、穿透法和脉冲反射法。
共振法是根据声波(频率可调的连续波)在工件中呈共振状态来测量工件厚度或判断有无缺陷的方法,这种方法主要用于表面较光滑的工件的厚度检测,也可用于探测复合材料的粘合质量和钢板内的夹层缺陷检测。声波在工件内传播时,如入射波与反射波同相位(即工件厚度为超声波波长的一半或成整数倍时),则引起共振。共振法的特点是:1)可精确地测厚,特别适宜测量薄板及薄壁管;2)工件表面光洁度要求高,否则不能进行测量。
穿透法又称透射法,穿透法是将二个探头分别置于工件相对的两面,一个发射超声波,使超声波从工件的一个界面透射到另一个界面,在该界面处用另一个探头来接收。根据超声波穿透工件后的能量变化情况,来判断工件内部质量。工件内无缺陷时,接收到的超声波能量较强,一旦有缺陷,声波受缺陷阻挡,则将在缺陷后形成声影,这样就可根据接收到的超声波能量的大小来判定缺陷的大小。穿透法具有以下特点:1)探测灵敏度较低,不易发现小缺陷;2)根据能量的变化即可判断有无缺陷,但不能定位;3)适宜探测超声波衰减大的材料;4)可避免盲区,适宜探测薄板;5)指示简单,便于自动探伤;6)对两探头的相对距离和位置要求较高。
脉冲反射法是利用超声波透入金属材料的深处,并由一截面进入另一截面时,在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法,当超声波束自零件表面由探头通至金属内部,遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波来,在荧光屏上形成脉冲波形,根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。根据入射声波型不同可分成如下几种:纵波探伤法、横波探伤法、表面波探伤法、兰姆波探伤法。用纵波可探测金属铸锭、坯料、中厚板、大型锻件和形状比较简单的制件中所存在的夹杂物、裂缝、缩管、白点、分层等缺陷;用横波可探测管材中的周向和轴向裂缝、划伤、焊缝中的气孔、夹渣、裂缝、未焊透等缺陷;用表面波可探测形状简单的制件上的表面缺陷;用兰姆波可探测薄板中的缺陷。脉冲反射法的特点是:1)探测灵敏度高;2)能准确地确定缺陷的位置和深度;3)可用不同波型探测,应用范围广。
按照GB/T11344-1989《接触式超声波回波法测厚》的要求,测定石油专用管材的厚度,常用的检验仪器为A型显示脉冲反射式超声波探伤仪。根据仪器示波屏上反射信号的有无、反射信号和入射信号的时间间隔、反射信号的高度,可确定反射面的有无、其所在位置及相对大小。通过计算实验偏差,同时,对测量过程系统产生的不确定度分量进行评估,从而评定其不确定度。
1)测量原理
根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的,当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时,脉冲被反射回探头,通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。
2)测量过程
(1)探头的摆放应使其分割线垂直于管体轴线,轻压探头以保持接触良好;
(2)采用点测厚方法,需要在一定范围内进行较密集的点测厚时,探头应作跳跃式移动,不得在探头与管体表面接触时作相对移动;
(3)数值显示稳定后可读数,显示稳定指保持同一数值(±0.1mm)至少3s。
3)建立数学模型
δ=(ut)/2
式中:δ—材料厚度,单位为mm;
u——声速,单位为mm/s;
t——声波在材料中往返一次的传播时间,单位为s。
4)不确定度来源
(1)重复性测试引起的标准不确定度;
(2)测厚仪示值误差产生的不确定度。
5)不确定度分量的评定
(1)重复性测试引起的标准不确定度:
为了获得重复性随机效应导致的不确定度,对同一样品进行10次测量,其测试值分别是10.03、10.05、10.08、10.07、10.10、10.04、10.08、10.05、10.06、10.04,得到单次测量的重复性偏差为
s(xi)=0.0224
算术平均值的不确定度为
n—测试的次数,一般为2次测试的结果。
(2)测厚仪示值误差产生的不确定度
测厚仪检定证书给出其检定值的扩展不确定度为44um,k=2.02,则由测厚仪检定值所引起的标准不确定度为
6)合成标准不确定度
(1)将上述评定的各不确定度分量列表:
测量油、套管的不确定度分量表
(2)合成标准不确定度的计算
7)扩展不确定度
取包含因子k=2.02 ,kμ=2.02×26=52.52μm
8)结果报告
按GB/T11344—1989测试的结果,其油、套管厚度为,
k=2.02
9)应用说明
本例通过油、套管的重复性测试结果计算实验标准差,同时对测试过程系统效应产生的不确定分量进行评估,最后计算合成不确定度,求出油、套管厚度的扩展不确定度。
