影响油田用钢管超声波壁厚检测因素初探

荀家钰

（新疆油田公司物资供应总公司，新疆克拉玛依 834000）

0 引言

石油专用管，如油、套管、钻具及油田用普通钢管、高压锅炉管流体管、不锈钢无缝钢管等，管体壁厚检测是对产品综合质量评判的重要手段之一。对石油用管而言，外径圆度与壁厚的均匀性是保证安全性的重要指标。实际检测中，缺陷在工件中所呈现的形状、面积、位置是多样化的，这与材料的冶炼及轧制有关。

1 壁厚检测

因石油用管在使用中的特殊要求，为确保在服役期的质量、性能及安全要求，均采用无缝轧管（部分表管和技术套管可采用焊管）。随着油田钻井开采工艺的多样性，对油井管的质量性能及安全要求多样性也越来越高。任何一种规格种类的油井管，都经过轧制或焊缝工艺（焊缝管），管材在螺纹加工前的一切工序及质量控制的优劣，是保障油井管最终成品质量的重要环节。由此，油井用管壁厚检测工作显得尤为重要。

近几年的检测情况来看，油井用管在壁厚检测中所存在的问题不可轻视，虽然造成壁厚检测值误差原因是多方面的，但与实际检测中的操作方法及规范要求对量值的变化却有着一定的相互影响。总结、分析影响超声波管体壁厚测量值的因素，提高对产品客观、公正的评判。

2 量值偏差

产生油井用管壁厚量值偏差的原因较多，管坯在轧制中的工艺，均有可能影响到管壁厚的不均匀性及偏差。如管体在轧制中定径，若管壁夹杂、材料晶粒度粗大、热处理工艺等，都将影响到产品的尺寸及相氏变化。管轧制技术虽然有了极大的提高改进，但在整个工序过程中，因原材料中存有未能较彻底清除掉的金属及非金属杂质，或其他影响工艺的因素，在熔炼轧制中沉积于材料中。

缺陷存在的状态呈多样性、复杂性，以点、线、面积体状等形式存在于管壁的内、中及外表层：①常见的折叠、夹杂、气孔等附着在管壁的内外表面，严重影响了管材壁厚质量的稳定性；②在管轧制定径等工艺中，由于管壁受工艺、材料、温度等因素影响使管内壁产生的非均匀状冷却收缩，致使管内壁呈现不连续性的表面凹面、凹面槽或凹坑状。此类缺陷必须引起高度重视，严把检测关。

管材在从轧制到产品的过程中，经历的最后一道工序是热处理。因不同材料、口径、壁厚等差异，其方法也不相同，对不同氏体的材料要求及目的不同，所产生的结果也不相同。如在热处理工艺中快速地加温加热，材料的氏体将产生变化，同时在轧制及热处理中，快速加温可使奥氏体成分的不均匀性增加，快速加温使得奥氏体转变的孕育期缩短及马氏体点改变。可能导致淬火产品中出现不同形态的马氏体组织。

经加热淬火后，产品截面一般可分为淬硬层和过渡层。虽然油田用管属定型产品，但由于管壁厚度存在着较大变化，因此，对壁厚值较大口径管（即管外径＞140 mm，壁厚＞9 mm），经淬火处理的管材，在用超声波设备测厚检测时，应相对增加测厚点位，避免漏误检。

在小口径、大壁厚管材中，这种淬火不均匀性的管壁，较易出现晶粒不均匀变化。偶尔存在于管壁中的此类缺欠（陷），在实测时的表现为：显示数值闪烁不稳，与其公称壁厚值差异变化较小；对工件壁厚值＜9 mm 的管壁测量时，可显示其值偏小，且有一定的深度；移动探头时，可呈现测值数字不停地闪变，其变值范围不大；当探头移出该范围时，测值趋于正常。遇到这种情况，要扩大检测范围，增加探测点或面，进一步确定其范围及量值的准确度。不能以其1 个测点作为最终确定值，应采取多点测量，在6 mm 半径区域内，至少有3 个读数小于规定管壁公差时，方可定为缺陷。

在检测中，偶尔会有同一圆截面处测壁厚时，在对应的180°两点间的测值差异较大，虽然外径量值为合格，并未见椭圆。对这种情况，要进行截面的全径向测量，认真找出变值原因及变值量率（弧变性量）。同时扩大纵向检测面，确定属轧制偏心或是片状夹杂，明确缺欠的性质、位置及量值。

3 影响管壁厚测值误差因素

在管壁测厚检测中，虽然设施及方法较简，但是影响其检测量值误差的因素却不少。针对不同品种规格、形状的产品工件测厚检测，要从多方面考虑可能影响其测量精度不良因素。按照规范正确的方法要求操作，保证测值的客观、准确。

3.1 测量仪器灵敏度及校验比对

没有精良的检测仪器及准确的校验比对，其检测结果就不是真值，不能作为与标准对比的数据，其结果是无效的。所以，使用的仪器必须是经过专职资格职能机构检定校验合格的，调试校验的对比样块也同样如此。同时应详细了解且熟练掌握调试仪器动态性能及规范操作的要求，如使用注意事项、环境气候要求、作业程序步骤等。仪器的性能状态如何，将直接影响到测值的准确性。减小或消除误差，提高检测精度将从仪器开始，应及时注意检测探头面磨损状况对测值的影响。

3.2 操作方法及操作要求

任何一种设备在作业中，均有不同的作业方法要求，规范作业方法是操作的最基本要求，超声波测厚仪的方法要求更为严格，使用中对操作机环境要求较严。当环境温差超过其规定要求时，测值的结果会出现明显的差异和不稳定，测量探头的选择、使用要求及养护也非常重要。

长期测量带有曲率或有一定弧曲面工件时，要时常检查探头测量面的磨损状况，当磨损量达到一定程度，如曲面磨损而造成测量精度的下降，其探头晶片发射的声束将在磨损的曲面处改变方向，造成声束在工件介质中产生折、反射间距离的变化，将直接影响到测量值的真实性。油井管的外径规格变化较大，直径有60～340 mm，曲面变值大，管表面在轧制定径后，最后涂抹防锈层，表面存在一定的粗糙度，对检测中探头表面造成磨损。强调操作时的正确方法及规范要求，对减少探头面的过量磨损、延长使用期限、提高检测精度将起着重要作用。

3.3 产品工件表面及其他因素的影响

被测产品工件表面须按要求进行处理，因不同产品规格在生产、运输、储存中的环节不相同，其表面因气候、环境等造成的光滑度也各有差异。油井管属大宗物资，存储时间长、存储环境恶劣，经风雨雪、砂尘等物侵害，易造成表面锈蚀、尘物积聚等。若普通钢管表面锈迹较严重，不管使用用途如何，必须对产品表面进行清理。

耦合液要有一定黏度范围，过低易流淌，影响耦合效果。同时禁止用半固态状物作为耦合介质，否则影响检测结果。管径与曲面的大小尤应注意，口径越大就较趋于平面状，过小则会影响探头与工件间的接触面及耦合效果。这种情况要相应增大耦合液的黏度，测头压力要均衡，确保最大接触面积。

针对钻具管体壁厚的检测，要注意外表面因轧制加工所产生的影响检测效果的不良状况。对材料为不锈钢的钻具类，如钻铤、加重钻杆等，因管体外表面在机加工中留有管子全长的环向细密的机械波纹，尽管很细小，但对检测影响很大，造成数值不稳且量值完全失真。由于超声波测厚探头工作原理的特殊性，当工件表面呈现有规律性的细小波纹，入射声束在工件表面遇到波纹面时被反射，使声束无法进入被测介质。当波纹形状较大时，会产生同样的情况。

硅酸盐夹杂物是金属材料中常见的缺欠类型之一，如硅酸亚铁夹杂物（2FeOSiO2）、硅酸亚锰类（2MnOSiO2）等。这两种夹杂物在热加工后（热处理工艺），沿变形方向延伸，在距表层处具有不规则粗糙度，当管壁厚度过大时，易产生这类夹杂物。由于这种夹杂物的成分中含带有一定量的金属物，即使用超声波测厚仪检测时，同一平面上的测厚值变化会反复无常。上海宝钢生产的某型石油套管规格为：244.5 mm×11.05 mm，钢级为P110 的偏梯形扣管。在抽检和扩检时，其测厚值最小为4.60 mm，大部分缺陷管测值均＜9.66 mm 负公差峰值，呈点状及线状。厂方来人现场看货、检测，最终取样回厂分析，得出的结论是，测厚超差原因属硅酸盐夹杂物所致。

4 超声波测厚检测评判及注意事项

标准对油井管壁厚检测的要求及评判方法均作了详细的要求，对非破坏性检测，超声波测厚技术及手段已被广大用户所接受。

油井管对管壁厚的检测及评判有行业标准所控，在操作中，须按合同中指定的标准作为验收依据。行业标准SY/T 6474—2000 中18.9 项及行业标准SY/T 5447—1992 规定了测厚检测方法及要求。在实测中，被测壁厚的缺欠在形式、走向呈多样化，基本是呈点、线、面状，以点、线状为主。当一个测点处的厚值发生较大变化时，应从管纵向或横向（径向）移动探头进行检测。如果移动范围＜6 mm 时，虽然测值右边（该测点的变化值是产品公称壁厚的允许最小值）则不能定为缺欠，反之可判为缺欠。对呈线状壁厚缺欠，应注意方向（纵或径向）及长度和深度层（中上层或中下层）面积（宽度），凡是长度＞5 mm 者均为缺欠，呈面积状壁厚缺欠（陷）较为少见。

被测工件表面应光滑平整，如有机械加工形成的规律性槽、划痕、孔道等，应进行必要的处理，否则这种状况在用双晶探头检测时，会产生错误的厚度读数。检测调试样块的表面粗糙度应与工件表面相接近，过大的表面相差，将会影响探头与工件表面的耦合状况，并要控制好耦合液的黏度适中，过大或过小也会影响测值的准确度。在此，方法要求非常重要。

对管材及曲面工件检测时，曲面的大小与检测操作关系极大。探头直径越小，越能改善耦合，并能减小探头在曲面上呈“摆动状况”，尽量使入射声束与工件表面呈垂直入射，可提高检测值的准确性及精确度。对曲面工件检测时，探头的置放方向应与曲面纵向呈垂直状，对所有规格的管材都是如此。