超声波方法进行石油机械结构的无损检测

郭志永

摘 要：在石油开采中，由于存在高强压力，对石油机械设备强度要求很高，不允许石油机械设备出现裂缝、严重腐蚀、磨损等情况，因此必须对石油机械结构进行有效检测，及时了解机械运行状况，目前对石油机械结构检测方法主要有超声波探测、射线探伤、渗透探测法、电位探测法等，但是另一方面由于石油机械结构精密复杂，不少探测方法会对其造成影响，所以本文对无损检测中的超声波检测法进行分析，探究其在石油机械结构中的应用，为石油企业更好的掌握机械设备运行状况提供有价值的参考。

关键词：石油勘探仪器;无损检测;超声波;裂纹

社会经济发展，对资源的需要越来越大，石油产业日渐兴盛。随着采油企业的设备保有量不断增高，设备的购置与更新为采油工程注入了新的生产动力的同时，也给石油机械设备管理与维护提出了更大的挑战。现阶段，为应对市场需求，我国多数采油企业的机械设备连续运行、超限作业日益的常态化，成为采油工程的不稳定因素，采油机械设备一旦出现故障将企业员工的人身安全带来危害，同时也将给采油企业带来的一定的经济损失[1]。以2018年为例，仅一年我国石油化工事故就高达176起，平均两天一起事故，其中由各种原因引起设备故障造成事故达62起，死亡125人。为了有效保障设备正常运行，减少设备故障的发生，石油企业需要定期进行检修和维护，那么准确有效了解石油机械结构状况成为了设备维护的必要前提。目前市面上存在多种检测方法，各有特点，但是为了确保检测不对石油的一些精密仪器造成影响，所以不少石油企业采用无损检测的方法进行检测，超声波检测是无损检测的一种，具有成本低，效果好等特点。

1 超声波概述

1.1 超声波概念

超声波是一种特殊频率的声波，因为人耳朵能听到的声音频率在16-20000Hz，而超声波的频率在20000Hz以上，所以人耳并不会听到超声波，故此得名。超声波因为频率高，穿透性强，在很多领域都得到了广泛应用，常见应用有测量距离、计算速度、进行高频率震动清洁、破碎、消毒杀菌等，行业涵盖了医学、农业、工业、服务业、军事行业，具有极大的研究价值和生产潜力。

1.2 超声波检验原理

超声波具有超强的频率，可以应用于多领域多行业，本文主要在超声波检测方面发展进行研究，因为超声波频率高，所以根据波长越长频率越低，波长越短频率越高可知，超声波的波长较短，因此具有较好的稳定性和方向性，其穿透性强这一特点使其可以广泛用于机械设备内部的探测，其实质是超声波在0.4MHz-5MHz频率范围内以波动形式在设备介质中进行传播振动，有效进行设备探伤、测距、测厚、清洁[2]。操作人员通过使用超声波发射设备进行定向发射超声波，超声波在设备中传播，在经过不同材质密度时会发生反射和吸收现象，通过捕捉反馈回来的超声波信号进行分析，并结合数字分析建模技术，进行画面成像，可以形象鲜明的展现出设备内部情况，这一过程也简称为超声成像技术。超声波在石油机械设备方面的检测具有很好的效果，因为超声波检测设备信息后不会对设备产生任何影响，没有任何的残留物质，是一种无损检测，从而使得检測效果客观准确，并且超声波随着频率的增大其指向性和稳定性也越好，大大方便了超声波对各种不同材质的设备进行研究探测[3]。

2 石油机械结构进行无损检测的重要意义

石油机械设备非常精密并且复杂，在油田前期进行设备装置，需要根据实际情况进行长时间参数调试，一旦成功投产后，便需要定期进行维护管理，确保其不出任何问题，所以石油机械设备检测具有重要意义，是石油企业对设备进行维修调整的依据遵循。

2.1 超声波无损检测能够避免次生影响

常见的石油机械设备检测有不少是通过实验介质进行分析判断研究，在检测完成后，会在设备内部残留试验物质，对设备运行产生一定影响，无损检测则是通过电波或者声波进行检测，根据设备物理反应进行数据分析，可以在不对设备造成任何影响的情况下获得测试结果，没有残留物质，因此不会对设备运行造成次生影响。下文主要对目前主流的无损检测方法--超声波检测进行分析研究。

2.2 超声波检测能够准确探测设备运行状况

超声波检测具有穿透性强、灵敏度高等特点，可以对设备内部进行深度探测，对大型设备有较好探测效果，同时高频率高灵敏度可以有效控制探测方向，并进行微米级别探测，对设备内部各个方位以及设备各部件的大小和形状的探测都较为准确，结合警示系统，可以对设备缺陷区域进行实时示警，非常适合检测精密设备的运行状况。同时超声波检测仪技术成熟，市场规模大，具体操作简单，使用成本较低。

3 如何利用超声波进行无损检测

3.1 超声波信号发射

超声波信号有特制的超声波仪器发出，是具有大功率的信号发生设备，通过作用于超声波换能器，把电能转换成与高频交流震荡波，形成脉冲信号波，这种波根据传播方向可以分为，横向波和纵向波，由于纵向波特性，可以轻易穿过任何介质，包括液体和气体，而横波只能传播在固体中，因此纵向波应用较为广泛，不同种类的波在相同介质下传播速度也不相同，一般来说纵向波传播速度较快，是横波的1.8倍。在进行超声检测时，通常使用的脉冲信号时间宽度为（10E-6s）0.625μs和1μs，频率一般调整为1MHz，通过实践测试，对穿透和频率进行进一步的优化，并实际应用到石油设备精密机械结构的无损检测过程中，达到更好的检测效果。

3.2 超声波检测出的设备裂纹问题处理

首先要通过计算机对GPIB电缆、信号发生器以及数字示波器进行连接，然后通过信号发生器发射超声波，数字示波器分析数据，由电缆进行信号传输，通过计算机最终分析完成检测过程，

在检测过程中一旦发现设备出现裂纹问题时，需要首先判断裂纹性质，大小和形状，结合实际情况分析其对设备运行的影响，通过横波可以在固体传播的特性，进行位置探测，在横波遇见裂缝时，超声波会出现信号变动，计算机通过传感器详细记录其发生变化位置，确定裂纹的位置，为之后的设备维修维护提供具体参考。

3.3 超声波信号放大识别

超声波信号在不断探测中，会发生反射吸收，因此接收器在接受不经过处理的超声信号时会出现较大杂波干扰，给信号识别带来一定的困难，所以在接收器接受信号前会利用放大器设备对超声波信号进行放大，通过对这些放大后的超声波信号进行分析，获取准确探测的效果。目前市面上存在着不同类型放大器，其原理略有不同，功能略有差异，早期使用电子管做放大器件，现在则普遍采用晶体管，例如EPA-104型号放大器、ATA-2000系列高压放大器等。只有规范操作设备才能有效保障超声波信号放大后的效果，为石油机械设备探测提供准确数据。

4 结语

油田机械设备管理与维护是应用与发展，作为油田企业管理中的重要环节，其运行效能直接决定了油田企业降本提效的成果。如果因为日常维护不到位导致机械设备出现故障，将对石油开采造成严重影响。随着技术的不断发展，检测手段也越发地丰富。在无损检测中，超声波检测由高操作、低成本而广泛应用，对石油精密设备内部的裂缝、缺陷、腐蚀等问题能够有效探测，设备轻巧、灵活、准确度高，市场发展前景良好。油田机械设备管理与维护的升级是一系统化问题，需在多效渠道地共同促成中才可有效实现。目前超声波在推广上还有不少发展潜力，石油机械探测领域有必要对超声波探测进行深入研究，并在资金、人才方面予以支撑，以便于更好的将超声波探测方法应用到更多的设备探测中，助推石油行业健康发展。

参考文献：

[1]肖全旺.超声波方法进行石油机械结构的无损检测[J].石化技术，2016（10）.

[2]王超.结合LabVIEW的超声波无损检测的研究[D].兰州：西北师范大学，2016.

[3]张鑫.超声波探伤技术在钢结构无损检测中的应用研究[J].建筑工程技术与设计，2017，000（034）：265+267.