田志新
中海石油技术检测有限公司天津300452
摘要：随着海洋石油工业的迅猛发展，钢制工件在海洋石油行业的使用频率非常高，如固定式平台结构、浮式储油轮、输油管道、各种容器等。这类钢制工件一般会承受较高的载荷，对可靠性要求也较高，在制造及运行过程中均需进行无损检测。对于运行中的工件，为确定其剩余壁厚只能选用超声波测厚法进行测量。本文主要以管线为例，对常规超声波测厚取点方法的弊端，采用A扫描脉冲反射回波测厚法配合网格式扫描区间方法在实际应用中的特点，以及对影响超声波测厚仪示值的因素加以分析，阐述超声波测厚方法在实际应用的注意点及可操作性。
关键词：超声波测厚；测厚截面；A扫描；网格区间；示值
1引言
超声波测厚是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常规超声波测厚取点方法
2.1常规超声波测厚取点方法
常规超声波测厚一般可分为两种方法。一种是在一点处用探头进行两次测厚，在两次测量中探头的分割面互为90°，取较小值为被测工件厚度值。另一种是在50mm×50mm范围内多点测量，取最小值为被测工件厚度值。
目前，海洋石油行业在用管线一般采用第二种方法进行测量。下面以管线为例加以介绍取点方法。一般以管线内流体流动方向为视线方向，顺时针分别取点12、3、6、9点，每点范围为50mm×50mm（管径允许情况下），在此范围内取多点进行测量，取测量所得最小值为该点管线厚度值，并加以记录。
如下图1所示为弯头的取点原则及测量截面范围。
图1弯头测厚截面取点方法
2.2常规超声波测厚取点方法的弊端
采用此方法进行厚度测量时，检测速度较快，能够反映出管线的面状腐蚀及缺陷。但是，如果管线内部存在点状腐蚀、冲蚀或缺陷，采用此种方法进行测量可能会漏检。
以图1黄色测厚截面为例，该测厚截面的四个测厚点范围并不能将管件整个截面覆盖，在相邻两个测厚点范围之间存在漏检区域。如果在漏检区域内存在点状腐蚀、冲蚀或缺陷则不能及时发现，随着管件长期运行，管壁厚度逐渐减薄，当管壁厚度减薄到不能承受管内压力时，最终可能导致管线爆裂、流体泄漏、污染海洋环境等严重的事故。
2.3常规超声波测厚漏检实例
海洋石油935钻井平台顶驱鹅颈管在工作过程中突然发生刺漏，停泵后进行检查发现为鹅颈管水平段直角弯头内侧侧上方刺漏，如下图2。
图2鹅颈管刺漏点
对该刺漏点进行测量，其面积约为10mm2，边缘厚度约为7mm与其他位置厚度相差较大，符合点腐蚀或点冲蚀特征。根据鹅颈管内流体多为混合泥浆，内含颗粒状固体判断该刺漏点为点冲蚀所致。查找该段管线测厚报告，测厚报告数据显示并无异常，并且测厚时间与刺漏发生时间间隔非常接近。对照刺漏点与测厚取点范围发现，该刺漏点正好位于6点与9点之间的空白区域，也就是常规超声波测厚取点的漏检区域。
3A扫描+网格区间测厚取点方法
为应对常规超声波测厚对点冲蚀存在漏检的缺点，采用带有A扫描图的脉冲反射回波测厚仪对被测表面进行扫查，并且在检测区域划上网格，将检测区域分为若干区间并加以编号，对每一区间进行100%扫描，记录该区间内最小测量值。该方法对检测部位进行100%扫描，检测区域覆盖整个截面，可以避免点冲蚀的漏检。
下图3以三通为例示意网格区间形式及编号方法。
图3三通
此测厚方法优点是：检测区域全面不存在漏检区域，能够确定检测区域内壁厚最小值。同时，在管件上做网格标记可以保证每次壁厚测量均为同一区域，经过相同间隔时间多次测量可以大概获得管件的壁厚损失情况，为保证管件的安全运行提供理论依据。并且为数字平台的建立和完整性管理提供数据支持。
此方法缺点是：加大了检测人工和材料成本，检测工期相对较长。
4影响超声波测厚仪示值的因素
（1）工件表面粗糙度过大，造成探头与接触面耦合效果差，反射回波低，甚至无法接收到回波信号。对于表面锈蚀，耦合效果极差的在役设备、管道等可通过砂、磨、挫等方法对表面进行处理，降低粗糙度，同时也可以将氧化物及油漆层去掉，露出金属光泽，使探头与被检表面通过耦合剂能达到很好的耦合效果。
（2）工件曲率半径太小，尤其是小径管测厚时，因常用探头表面为平面，与曲面接触为点接触或线接触，声强透射率低（耦合不好）。可选用小管径专用探头（6mm),能较精确的测量管道等曲面材料。
（3）检测面与底面不平行，声波遇到底面产生散射，探头无法接受到底波信号。
（4）铸件、奥氏体钢因组织不均匀或晶粒粗大，超声波在其中穿过时产生严重的散射衰减，被散射的超声波沿着复杂的路径传播，有可能使回波湮没，造成不显示。可选用频率较低的粗晶专用探头（2.5MHz)。
（5）探头接触面有一定磨损。常用测厚探头表面为丙烯树脂，长期
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使用会使其表面粗糙度增加，导致灵敏度下降，从而造成显示不正确。可选用500#砂纸打磨，使其平滑并保证平行度。如仍不稳定，则应考虑更换探头。
（6）被测表面的背面有大量腐蚀坑。由于被测表面的另一面有锈斑、腐蚀凹坑，造成声波衰减，导致读数无规则变化，在极端情况下甚至无读数。
（7）被测物体（如管道）内有沉积物，当沉积物与工件声阻抗相差不大时，测厚仪显示值为壁厚加沉积物厚度。
（8）温度的影响。一般固体材料中的声速随其温度升高而降低，有试验数据表明，热态材料每增加100℃，声速下降1%。对于高温在役设备常常碰到这种情况，应选用高温专用探头（300－600℃)，切勿使用普通探头。
（9）层叠材料、复合（非均质）材料。要测量未经耦合的层叠材料是不可能的，因超声波无法穿透未经耦合的空间，而且不能在复合（非均质）材料中匀速传播。对于由多层材料包扎制成的设备（如套管），测厚时要特别注意，测厚仪的示值仅表示与探头接触的那层材料厚度。
（10）耦合剂的影响。耦合剂是用来排除探头和被测物体之间的空气，使超声波能有效地穿入工件达到检测目的。如果选择种类或使用方法不当，将造成误差或无法测量。应根据使用情况选择合适的种类，当使用在光滑材料表面时，可以使用低粘度的耦合剂；当使用在粗糙表面、垂直表面及顶表面时，应使用粘度高的耦合剂。高温工件应选用高温耦合剂。其次，耦合剂应适量使用，涂抹均匀，一般应将耦合剂涂在被测材料的表面，但当测量温度较高时，耦合剂应涂在探头上。
（11）声速选择错误。测量工件前，根据材料种类预置其声速或根据标准试块反测出声速。当用一种材料校正仪器后（常用试块为碳钢）又去测量另一种材料时，将产生错误的结果。要求在测量前一定要正确识别材料，选择合适声速。
（12）应力的影响。在役设备、管道大部分有应力存在，固体材料的应力状况对声速有一定的影响，当应力方向与传播方向一致时，若应力为压应力，则应力作用使工件弹性增加，声速加快；反之，若应力为拉应力，则声速减慢。当应力与波的传播方向不一至时，波动过程中质点振动轨迹受应力干扰，波的传播方向产生偏离。一般应力增加，声速缓慢增加。
（13）金属表面氧化物或油漆涂层的影响。金属表面产生的致密氧化物或油漆防腐层，虽与基体材料结合紧密，无明显界面，但声速在两种物质中的传播速度是不同的，从而造成误差，且随覆盖物厚度不同，误差大小也不同。目前，市场上出现的测厚仪一般提供带涂层测厚模式，可以自动去除涂层厚度，所测量数值即为金属实际厚度。
5结语
不论检测何种设备、容器或是管线，必须保证测厚数据的准确性和有效性。根据现场实际的检测环境及检测条件，确定最合适的测厚方法，排除影响示值的因素，避免漏检的产生。在正常情况下，超声波测厚方法是简单的，但要会判别异常情况，因此，需要具有超声波检测资格的人员来进行测厚操作，避免产生误判现象。充分利用超声波测厚的特点，对在役设备、容器、管线壁厚的腐蚀情况进行有效监测，为数字平台的建立和完整性管理提供有效数据，保证安全运行。