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摘要：基于压力容器及其无损检测的重要性和特殊性，对超声导波检测方法在海洋石油静电脱水压力容器检测中的应用进行深入分析，以此为这项检测方法充分发挥应有作用效果提供可靠参考依据。
关键词：压力容器；超声导波检测
压力容器在很多行业中都有所应用，由于其所处环境较为复杂，所以容易发生腐蚀和损坏，而且在检测时往往不支持停车，这就对无损检测提出了很高要求，采用传统的检测方法难以保证检测效果，有必要应用超声导波检测这一全新方法。
1压力容器及其无损检测概述
对于压力容器，它是一种有着广泛应用且较易产生安全事故及意外的设备，在现有的海洋石油开采作业中，有很多压力容器为八九十年代投入使用的，由于其内部介质含有大量的泥沙、二氧化碳、氧气与硫化氢，所以很容易发生冲蚀及腐蚀，尤其是罐体焊缝处，容易产生严重的电化学腐蚀[1]。因海上工况十分恶劣，所以会在压力容器的外部覆盖一层保温层，而一旦保温层发生破损，则会导致容器的外壁产生腐蚀现象，即便在压力容器的鞍坐处增设加强板，也难以避免腐蚀穿孔。另外，因海洋环境情况特殊，且石油开采具有不间断性特点，所以业主普遍希望无需停车就能对压力容器实施腐蚀检测，但对常规检测方法而言，根本无法达到这一要求。近几年快速兴起的新技术，如超声导波检测等，能一次性对整个罐体进行检测，而且还具有很高的检测效率，并与常规检测方法相结合，可对腐蚀的产生位置与面积大小进行测定与符合，这项技术目前在压力容器的综合检测过程中与性能综合评价过程中都受到很大关注。
2基于超声导波法的海洋石油静电脱水压力容器检测
2.1导波换能器
对于导波这种机械波，它是因介质有边界而产生的。其具有明显的频散特性，波频、介质形状及大小均会对传播速度造成影响。一般应以待检测的工件为依据，对超声换能器进行设计与选择，用于导波的发射与接收。在导波传播时，其传播行为十分复杂，管子当中，导波会以不同的多种形式存在，如弯曲波、纵波与扭转波；而板中，多以平面剪切波与兰姆波形式存在。基于压力容器具有的以上特点，需要专门设计并研制出相应的换能器。
一般情况下，要以待检测对象为依据，为换能器选取适宜的频率、晶片与尺寸。对于压电陶瓷，它是现在有广泛应用的压电材料，特性参数良好，所以压电晶片可将其为原材料进行制作。确定晶片尺寸时，不仅要对待检测对象的尺寸进行充分考虑，而且还必须达到要求的灵敏度，防止漏检，并避开所有干扰区。超声探伤具有的探测能力主要取决于超声导波的频率，探伤过程中，应确定适宜频率范围。对压力容器进行单探头检测时，应将重点放在一次检测长度与探伤作业的灵敏度上，为有效减少或避免衰减，建议采用频率相对较低的晶片，以1.0-1.5MHz为宜。基于此，选用频率为1.5MHz，尺寸为23mm×28mm的压电陶瓷实施测试[2]。
除此之外，确定换能器入射角也十分重要，这是因为在板当中，多以平面剪切波与兰姆波形式存在，故对压力容器进行的检测，可按照对板材进行的检测实施，基于此，确定入射角时，应以波对应的激励角曲线为依据，并充分考虑计算结果，将其作为入射角确定重要参考。对于在海洋石油开采中使用的压力容器，其探头的频率宜确定为1.5MHz，且以53°的角度入射时，能达到最好的检测效果。
2.2样品和仪器
2.2.1样品
样品为1400mm长、600mm宽、5-6mm厚的低合金高强钢板，同时沿钢板的宽度方向，在中心位置和其中一端相距400mm的位置加工一处平底孔，其规格尺寸为 6mm×1.25mm。
2.2.2仪器
仪器型号为ISONIC2005，并采用自制而成的导波换能器，其入射角确定为53°，将黄油作为耦合剂。
2.3结果及分析
检测对象为带有一定缺陷的压力容器，检测时对导波实际传播状况进行观察，并利用换能器实施检测试验，对可以达到的距离及效果进行观察。600mm和1000m处的导波波形如图1所所示。处于闸门中的波形，是在不同距离位置检测确定的反射波，其左侧波高为100%的波形主要是端部对应的反射波。换能器和平底孔之间的距离为600mm时，缺陷波幅可以达到总高80%；换能器和平底孔之间的距离为1000mm时，缺陷波幅可以达到总高50%。以上增益值读数均为84dB[3]。
由图1可知，从缺陷反射的波形，伴随换能器和缺陷之间距离的不断增加，在时间轴上明显增加，但信号的幅度明显减小。
通过对自制换能器的合理应用，能对导波进行激励与接收，同时可对和探头相距1000mm位置的平底孔信号进行检测。经进一步的分析能看出，采用单换能器导波对压力容器进行检测尽管可以实现快速检测目标，但因具有频散与衰减的特性，实际的检测距离会受到很大影响与限制。比如，对样品实施检测时，伴随换能器和缺陷之间的距离不断增加，回波与样品端部回波的幅度明显减小，其原因主要就是声波会发生频散与衰减。通过波包及其变化情况的深入观察可知，导波传播时会发生频繁，相速度由于频率的改变而发生变化。因激励脉冲存在频带宽度，同构激励产生的频率分量有所不同的超声导波会以各自的速度进行传播，当距离相同时，频率上有所不同的声波会以不同的时间到达探头，这会使回波信号不再是简单的窄线，变成有宽度的包络[4]。伴随传播距离不断增加，频散的现象会变得更为严重，导致信噪比降低，使信号特征提取及识别都变得十分困难，而且有效的检修距离同样会受到很大限制。
3结论
通过以上分析，可得出以下几条结论：
（1）对于超声导波检测，它能为正处使用状态的压力容器检测工作提供简单可行与切实有效的方法。经检测试验及实际使用均可看出，根据压力容器特点选择或设计适宜的换能器是做好导波检测，保证检测结果准确性的关键所在。实践表明，通过对自行设计的换能器的合理应用，能对样品中规格为 6mm×1.25mm的所有平底孔进行检测，而且一次检测距离在一般情况下能达到1000mm。
（2）通过对导波检测这一方法进行合理应用，能对海洋石油开采过程中使用的静电脱水压力容器进行检测，确认容器的内壁和外壁是否存在腐蚀现象和腐蚀程度。因容器表面的漆层和容器中的介质都会使声波发生很大的衰减，所以需将一次探测长度控制在500mm以内，这样可以达到理想的检测效果。
（3）在超声导波检测的基础上充分结合常规方法，能对正处使用状态的压力容器进行快速检测，确定其腐蚀的类型、部位和严重程度。在实际的检测过程中，因有会对检测造成明显影响的因素，所以应先利用导波全面检查整个压力容器，以此准确确定出检测的区域及缺陷指示区，然后利用其它方法予以复核，最终确定损伤面积及剩余的容器壁厚。总的来说，这是一种对压力容器进行无损检测的有效方法，但在应用这一方法进行检测的过程中，需要重视并做好换能器的设计，并确定适宜的导波入射角。
参考文献：
[1]胡滨. 压力容器检验中TOFD超声成像检测技术应用分析[J]. 科技风, 2015(13):73-74.
[2]邹凯. 无损检测方法在压力容器检验中的综合应用[J]. 科学技术创新, 2016(8):12-13.
[3]孙政. 无损检测技术应用于锅炉压力容器检验的技术研究[J]. 电子制作, 2015(2):137-138.
[4]马新飞, 徐晓晖. 压力容器检验过程中危险源的控制措施研究[J]. 化工管理, 2015(10):99-100.
论文作者:牟惟义
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/11
标签：导波论文; 压力容器论文; 超声论文; 换能器论文; 入射角论文; 距离论文; 波形论文; 《基层建设》2019年第3期论文;