超聲波探傷技術(shù)在石油專用管材中的應(yīng)用
石油工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位,它關(guān)系到一個國家的安定繁榮,乃至世界政治經(jīng)濟(jì)的和平穩(wěn)定。隨著石油工業(yè)的迅速發(fā)展,鉆井深度不斷增加,目前已從陸地開發(fā)發(fā)展到海底開發(fā)石油資源,對石油專用管材,如油管、套管的數(shù)量、質(zhì)量要求日益增高,對油、套管的強(qiáng)度要求也越來越高。因油井鉆采作業(yè)工作環(huán)境惡劣,要求鋼管必須承受各種應(yīng)力(如抗拉力、擠壓應(yīng)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(zhì)量十分重要,而無損檢測則是保證石油油管、套管質(zhì)量的重要方法。下面介紹一下超聲波探傷技術(shù)在石油專用管材中的應(yīng)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(fā)現(xiàn)物體內(nèi)部的不連續(xù)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(jù)聲波(頻率可調(diào)的連續(xù)波)在工件中呈共振狀態(tài)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(fù)合材料的粘合質(zhì)量和鋼板內(nèi)的夾層缺陷檢測。聲波在工件內(nèi)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(shù)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(jìn)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(fā)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(jù)超聲波穿透工件后的能量變化情況,來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量。工件內(nèi)無缺陷時,接收到的超聲波能量較強(qiáng),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(jù)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(fā)現(xiàn)小缺陷;2)根據(jù)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(qū),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(jìn)入另一截面時,在界面邊緣發(fā)生反射的特點來檢查零件缺陷的一種方法,當(dāng)超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內(nèi)部,遇到缺陷與零件底面時就分別發(fā)生反射波來,在熒光屏上形成脈沖波形,根據(jù)這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。根據(jù)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(zhǔn)確地確定缺陷的位置和深度;3)可用不同波型探測,應(yīng)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(jù)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(tǒng)產(chǎn)生的不確定度分量進(jìn)行評估,從而評定其不確定度。
1)測量原理
根據(jù)超聲波脈沖反射原理來進(jìn)行厚度測量的,當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達(dá)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(yīng)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(nèi)進(jìn)行較密集的點測厚時,探頭應(yīng)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(shù)值顯示穩(wěn)定后可讀數(shù),顯示穩(wěn)定指保持同一數(shù)值(±0.1mm)至少3s。
3)建立數(shù)學(xué)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(fù)性測試引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度;
(2)測厚儀示值誤差產(chǎn)生的不確定度。
5)不確定度分量的評定
(1)重復(fù)性測試引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度:
為了獲得重復(fù)性隨機(jī)效應(yīng)導(dǎo)致的不確定度,對同一樣品進(jìn)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(fù)性偏差為s(xi)=0.0224
算術(shù)平均值的不確定度為n—測試的次數(shù),一般為2次測試的結(jié)果。
(2)測厚儀示值誤差產(chǎn)生的不確定度
測厚儀檢定證書給出其檢定值的擴(kuò)展不確定度為44um,k=2.02,則由測厚儀檢定值所引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為
6)合成標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)不確定度的計算
7)擴(kuò)展不確定度
取包含因子k=2.02 ,kμ=2.02×26=52.52μm
8)結(jié)果報告
按GB/T11344—1989測試的結(jié)果,其油、套管厚度為, k=2.02
9)應(yīng)用說明
本例通過油、套管的重復(fù)性測試結(jié)果計算實驗標(biāo)準(zhǔn)差,同時對測試過程系統(tǒng)效應(yīng)產(chǎn)生的不確定分量進(jìn)行評估,最后計算合成不確定度,求出油、套管厚度的擴(kuò)展不確定度。
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