基于石油机械结构检测中超声波方法的实践研究

2023-08-20姚源

中国设备工程 2023年14期

姚源

（大庆油田技术监督中心石油工业机械产品质量监督检验站，黑龙江大庆 163000）

石油勘探设备与普通设备之间存在较为明显的差异性特点，因此在检测勘探设备等相关机械结构时，需要应用无损检测提高检测真实性和精准性，以确保机械处于正常运行状态中。作为高效率的检测方法——超声波无损检测工作频率可达到0.4～5MHz，具有较多检测优势，如指向性强、传播能量大等，在石油机械结构检测中受到青睐。

1 石油机械运行现状分析

目前，石油机械会受到各类因素影响，造成机械运行异常。

1.1 机械润滑不到位

石油机械需要充足的润滑油帮助其正常运行，如润滑不到位，则会造成机械构件磨损，长期磨损后不仅会造成机械使用周期缩短，也会影响产业生产进度，不利于经济效益的提升。

1.2 操作不合理

部分技术人员在操作机械时方法不当，也会导致机械出现异常。例如，使用机械之前，必须检查装置是否正常、冷却液是否充足，满足启动条件后才可开启机械进行生产。若未按照要求做好全面检查，则会对机械产生一定损伤。

1.3 检测方法不可靠

日常生产中，工作人员会借助相关检测方法对石油机械进行检查与维护，但是传统检测方法真实性和准确度一般，可能会影响工作人员的判断力。如机械内部构件异常时，检测仪器未及时检测出故障问题，留下极大的安全隐患。

综上所述，石油机械需要专业技术人员、高效检测方法以提升运行稳定性。相对传统检测方法，无损检测方法大大提升了检测准确性以及可靠性，保障了产业生产的运行安全，可在机械结构检测中得到广泛应用与推广。

2 超声波方法在石油机械结构检测中的重要作用

为了提高石油机械结构检测效果，技术人员可采用超声波方法实现无损检测。超声波方法可在实际监测中解决众多传统检测方法存在的问题，并发挥其真正应用价值。

2.1 实现故障预判

检测机械结构时，工作人员可以借助这种方法全面掌握不同运行环境、不同构件的实时数据，并根据数据分析设备运行现状。例如，构件是否出现磨损；零件是否老化或破损等。由此可见，该检测方法可以帮助工作人员进行预判，使其降低设备运行风险，完成故障清零目标。

2.2 降低企业成本

通过有效检测可以及时预防设备故障问题，避免增加机械修复或更新相关成本费用。与此同时，企业也可根据数据提前更换老化构件，以更低成本维护机械。石油机械设备运行时间过久后，内部构件可能会因其他因素受到影响，出现老化等问题，检测异常后可及时提醒技术人员进行更换，以免构件长期未更换引发更大故障。

2.3 促进产业科学发展

科技时代背景下，行业面临新发展机遇和挑战，自动化、智能化技术成为各行各业未来发展主流趋势，选择超声波无损检测技术是一种科学性发展，有利于提高产业生产效率和品质。无损检测可有效提升检测质量，确保石油机械结构发生异常时得到及时反馈，以便于技术人员采取科学修复方案。

由上可见，超声波检测对石油机械的稳定运行具有一定的促进作用，企业应积极引进该检测技术保障检测效果。

3 超声波方法概述

3.1 应用特点

超声波检测是无损检测方法中的主要检测方式之一，应用于多种检测中：（1）裂纹；（2）气孔；（3）焊缝缺陷等。这种检测方法具有较大优势：（1）检测结果真实可靠；（2）操作方便；（3）精准度高。它可以利用专用的信号编辑软件编辑信号——窄单脉冲信号。接着，经过电缆和计算机插槽的接口，将信号发送至石油机械设备，并根据反射信号明确设备是否处于损伤状态。反射信号是在弹性介质中传播超声振动时遇到界面而产生。通常超声波方法可检测出机械裂缝位置、裂纹宽度等精确数据，以供工作人员参考。

3.2 技术原理

超声波方法主要探究非声学量以及超声量关系，包含以下因素：（1）浓度；（2）温度；（3）速度；（4）声音；（5）固体等。对超声量进行测定可以有效分析介质特点、检测介质质量、计算工程数据等。最常见的超声测量方法分为两种，一种为超声传播测量法，可以根据超声波在介质中的传播了解其规律；另一种为振动测量方法，可以根据物体振动进行精确测量。

超声波频率极强，且具有波长短的特点，波长通常小于2cm，良好的稳定性与方向性是其主要特性。机械设备内部探测时，在设备介质中通过波动形式传播振动超声波，从而实现各种目的：（1）测距；（2）探伤；（3）测厚；（4）清洁。实践检测中，技术人员可以利用超声波发射设备，定向发射超声波，在设备中实时传播超声波。之后借助数字建模技术，构建相关画面模型，并将内部情况直观展现出来。超声波检测技术不会影响设备结构、不会生成残留物质，可以获取更客观的检测结果。增大超声波频率时，可有效提升超声波稳定性以及指向性，其检测结果更为真实可靠。

3.3 超声波种类

若根据弹性介质质点震动方向以及传播方向的不同划分超声波种类，可分为以下几种：（1）表面波。在构件表面相邻的两个波长范围内检测其是否存在缺陷，较常应用于机械结构表面探伤检测；（2）纵波。在不同介质中均可实现传播，如气体等介质。由于其形成因素简单，在检测工业机械结构中应用较为广泛；（3）横波。在固体中传播；（4）板波。在板状介质中传播，属于一种弹性波。这种超声波类别多，其中以兰姆波最为重要。上述描述的不同类型超声波其传播速度也有不同，如纵波速度大于横波。

4 基于石油机械结构检测中超声波方法的实践研究

结合实际操作内容，分析超声波方法在石油机械结构检测中的具体应用，以供相关人员参考。

4.1 实际案例概况

某石化高压甲氨冷凝器专用立式列管式热交换器由以下几个部件构成：（1）不锈钢列管；（2）碳钢管板；（3）支撑板；（4）堆焊层。由于该设备长期处于高温和高压运行状态，并受到疲劳应力、腐蚀以及冲刷的多重作用力，列管管壁存在极大的安全隐患，如：（1）损伤；（2）腐蚀；（3）壁厚减薄等。为了明确机械内部结构情况，采用超声波方法进行检查。

4.2 分析超声波信号

超声波信号为石油机械结构无损检测的主要依据，唯有通过超声波信号，才可准确判断机械结构运行状态。由于超声波信号为单脉冲信号，主要根据介质传播，无法在真空中存在。基于石油机械结构检测，应用超声波方法主要原理为：对超声波信号进行分析，从而获取机械结构状态信息。从本质上来看，超声波性信号属于单脉冲信号，且信号较窄。通常情况下，我们会使其与计算机信息技术相结合，利用软件辨识方式拓宽信号渠道，保证超声波信号更强。超声波信号宽度范围为0.625μS；频率为1MHz。技术人员可以根据这些数据优化和改良信号穿透性，以保证其可发挥良好作用，提高检测准确性。

4.3 检测过程

4.3.1 使用无损检测系统

该系统建立在计算机信息技术上，技术人员可使用GPIB电缆连接这些设备：（1）数字示波器；（2）计算机；（3）信号发生器。同时，连接波发生换能器和功率放大器；连接波接收换能器和示波器。利用波发生换能器和波接收换能器两种设备，可以促使石油机械结构发出信号。接着，计算机会接收这些信号，并对其进行精密计算与分析，以确定机械设备是否存在异常。

4.3.2 明确裂纹宽度

无损检测过程中，如发现石油机械结构出现裂纹，则需要明确裂纹宽度，并通过A扫描法裂纹检测了解机械运行情况。保证信号发射和接收换能器处于同一直线上，形成换能器装置组。接着，利用扫描形式扫描探伤情况，主要根据箭头所指方向进行检测。通过观察示波器反射信号图像，对数据进行分析和计算。

技术人员可以不断移动检测装置，石油机械在内部构件出现裂纹时会发射反射信号；反之，则无反射信号。待装置转移至一个区间内时，其只能接收一个反射信号。收集到的信号示波器中也只有一个反射波。之后，持续移动装置至第二个端点位置，此时可接收到两个反射波：一个为裂纹反射波；另一个为试件上部边缘反射波。相较于边缘反射波行程，裂纹反射波行程更短一些。挪动装置至第三个区间时，则可以接收到一个反射波信号——裂纹反射波，且其行程较短。扫描后可发现裂纹右顶点，并标示裂纹端点位置。在此基础上，技术人员也可准确判断裂纹宽度。需要注意的是，技术人员应确定裂纹的产生原因（如裂纹下产生、机械结构边缘产生），以保证检测结果的可靠性。

4.3.3 确定裂纹位置

明确裂纹宽度后，技术人员需要确定石油机械结构裂纹位置，以此来解决机械结构裂纹问题。接收换能器和发射换能器产生的超声波一般为横波，上述提到其可以在固体中良好传播，且传播速度相对来说较快。无损检测时，可利用横波优势提高检测效果。横波可以在传播中及时发现裂纹位置，并实时记录相关数据，将这些数据发送至计算机控制中心平台。技术人员可以在显示屏查看数据结果，根据结果判断石油机械结构裂纹位置。例如，机械设备材料为A3钢管和铝合金板，横波传播速度可达到每秒3100m，发送数据至计算机后，可精确判断机械缺陷位置。

4.3.4 使用放大器

使用放大器的目的为放大超声波，这样技术人员可以更加容易识别超声波信号。一般放大器功能性高，则超声波信号识别性能更佳。在此基础上，既可以促进石油机械结构检测工作效率得到显著提升，也可以强化无损超声波检测方法的精确度。在使用放大器时，技术人员应充分了解其性能特征，严格按照操作规范识别超声波信号，以免操作不当无法充分发挥其实际作用。

5 关于强化超声波检测效果的几点建议

超声波方法应用效果与技术人员操作水平直接挂钩，从人员和制度方面出发，提出以下两点建议，旨在增强该检测技术的应用价值。

5.1 提升技术人员专业能力

超声波方法具有良好检测优势，为了加强其检测效果，相关企业应注重技术人员的培训与考核，以此来提升人员专业能力，使其全面掌握技术要点。首先，聘请无损检测专业技术人员作为讲师，选择实践培训模式帮助学习人员快速了解技术内容，既可缩短培训周期，也可保证培训科学性。培训结束后，对技术人员进行技术考核，根据相关技术指标筛选技术人才；其次，储备专业人才，通过线上招聘渠道吸引专业技术人才，结合市场薪资现状和企业经济实力，合理设置薪资和福利，尽量提高招聘吸引力，才可寻到优质的长期性专业人员。

5.2 完善石油机械结构检测制度

技术达标后，企业还需要针对内部运营情况和人员特点制定更加完善的石油机械结构检测管理制度，将管理制度作为规范技术人员检测行为的主要依据，以保证机械检测的合理性。制度中必须包括清晰的奖惩条例，通过奖罚分明帮助技术人员明确检测规则。对于严格按照技术规范和检测制度的人员，可设置物质奖励；对于因技术专业问题造成检测失误的人员，可根据损失程度对其进行处理。

总之，唯有结合专业技术人才和严格的管理制度，才可进一步保障石油机械结构检测质量，避免机械运行风险，并为企业带来更加可观的经济效益。