李小波，刘腾跃

（中国石油技术开发公司管道分公司，北京100028）

奥氏体合金油管超声检测问题研究

李小波，刘腾跃

（中国石油技术开发公司管道分公司，北京100028）

为了推进超声波探伤在奥氏体油管检测中的应用，简要介绍了奥氏体合金油管超声波检测的难点，从耦合剂的要求、探头参数的选择、对比试块的制作、焊缝余高引起的顶部盲区、周向横波检测的条件等方面详细阐述了奥氏体合金油管检测中存在的问题，并提出了伪缺陷波的判定要点。分析结果认为，奥氏体合金油管管体和焊缝超声波检测中建议耦合剂选用机油，探头频率选择2.5～5 MHz；周向横波探测奥氏体合金油管时，钢管的内外径之比应≥0.547；为了减少噪声伪缺陷波对超声检测的影响，最有效的措施是使用窄脉冲超声波进行检测，并通过声程法和水平定位法区分焊缝根部成形产生的伪缺陷波。

检测；超声检测；奥氏体合金油管；探头；伪缺陷

1 概 述

随着石油天然气需求的日益增加，常规油田已不能满足目前的能源需求，大量高酸性油气田被开采，而高酸性油气田环境极其恶劣，常规不锈钢管已无法满足此类油气田开发的需求，因此针对高酸性油气田工况的奥氏体合金油管应运而生。奥氏体合金油管不仅具有良好的抗腐蚀性能，而且强度高、塑性好，热加工和冷加工性能优良，已广泛用于石油化工、能源等领域[1-7]。奥氏体合金油管的超声波探伤包括油管管体探伤和管管对接焊缝探伤两个方面。目前，奥氏体合金油管的超声波探伤存在很多难点，推进超声波探伤在奥氏体油管的应用是急需解决的问题。

2 奥氏体合金油管超声波探伤难点

2.1 焊缝余高相对较大

奥氏体合金油管外径较小，焊缝余高相对于外径比例较大。超声波检测时，焊缝余高相对较高，容易出现杂波和伪缺陷波，这会增加定量和定性检测真实缺陷的难度。

2.2 声学特性的各向异性

奥氏体合金油管管体及焊缝的组织较为粗大，对超声波的传播和能量的衰减有较大影响。超声波检测时信噪比很低，严重影响了对缺陷的定性和定位。

2.3 传播路径复杂、声损大

奥氏体合金油管超声波检测时，焊缝处的传播路径复杂，超声波经过几次发散后，声能损失较大，且最终的聚集声压反射异于常规，又会引起一定的声能损失，从而降低了检测时的灵敏度。

3 奥氏体合金油管超声波检测存在的问题

3.1 通用问题

3.1.1 耦合剂

接触法超声波探伤主要有两种探头和工件的接触形式，即固态接触和液态接触，一般采用液态耦合。耦合的好坏主要由工件表面状况、光洁度和耦合剂的性能等决定。实际检测结果表明，工件表面状况越好、光洁度越高，超声检测时的能量损失越少，探伤灵敏度越高。当表面粗糙度＜1/8波长时，随着光洁度的提高，光洁度对超声波检测灵敏度的提高已不再明显，所以一般要求表面粗糙度≥4 μm即可。超声波探伤时，如果表面粗糙度不满足要求，可对表面进行相应的处理，防止表面出现凹面。另外，一定要将探伤面的氧化皮、污物等进行处理。而耦合剂应具备排除与探伤面之间的空气、声阻抗大、对人体无害、价格低廉等优点。一般来说，奥氏体合金油管检测时选用的耦合剂为机油。

3.1.2 探头选择

探头晶片尺寸的选择主要从发射能量、扩散角、扫描范围、发现缺陷能力等方面综合考虑。同时，还要考虑工件形状、探测面、结构等因素。因此，检测时应根据奥氏体合金油管的尺寸合理选择探头晶片尺寸。

当奥氏体合金油管的壁厚较小时，为了保证探伤能检测到全壁厚的情况，管体超声波检测探头应选用较大的K值，以避免近场区探伤。同时，还要尽量保证一次、二次波的声程要求[8]。检测奥氏体合金油管焊缝时，为了满足焊缝根部能被一次波探测到，K=2～2.5为宜。按照文献[9]，采用大角度探头（K=2～2.5）一次波超声检测时，既可以发现焊缝内缺陷，又可以发现焊缝根部未焊透、未熔合的缺陷。

3.2 个性问题

3.2.1 检测试块的制作

从待检测的奥氏体合金油管上截取一段制作环焊缝检测用试块，其形状及尺寸如图1所示。该试块是未带垫圈用试块，一端上下两角分别钻Φ3 mm×15 mm和Φ1.5 mm×15 mm的平底孔，平底孔离焊缝约500 mm。平底孔的倾斜角等于探头折射角，另一端钻两个Φ2.5 mm的横通孔和全圆周1 mm×1 mm的矩形槽，横通孔距试块一端100 mm，矩形槽中心距试块一端15 mm。横通孔用来调整扫描速度和测定探头折射角，矩形槽用来比较未焊透深度，端角平底孔用于调整灵敏度和比较缺陷当量。

图1 奥氏体合金油管环焊缝超声波探伤用检测试块

3.2.2 焊缝余高引起的顶部盲区

超声波检测时的顶部盲区如图2所示。使用一次波进行焊缝探伤时，一次波无法探测到焊缝的中上部，一般称之为顶部盲区。由图2可知，顶部盲区的大小由探头K值和探头前沿距离L0决定。因此，选用小前沿、大K值的斜探头能减小顶部盲区[10]。实际检测操作时，必须使用二次波来避免顶部盲区。

图2 超声波检测时顶部盲区示意图

3.2.3 周向横波检测条件

超声波声束在奥氏体合金油管管体的传播途径如图3所示。

为了缓解世界范围内的水资源供需矛盾，根据联合国《21世纪议程》第18章有关水资源保护、开发、管理的原则，1993年1月18日，联合国第17次大会通过了193号决议，决定从1993年开始，确定每年的3月22日为“世界水日”。决议决定每年确定一个与水资源保护有关的主题，并提请各国政府根据自己的国情，在这一天围绕主题开展如出版、散发宣传品、举行会议、展览等宣传活动，以增强公众意识。

图3 超声波声束在奥氏体合金油管管体的传播途径

如果超声波入射后仅产生横波且横波波束可以探测到内壁，折射角应符合式（1）要求。

式中：βs—横波折射角；

Cs—横波声速， Cs=3 230 m/s；CL—纵波声速， CL=5 900 m/s；

r—钢管内径；

R—钢管外径。

因此，r/R≥0.547，横波探测奥氏体合金油管时，钢管的内外径之比应≥0.547。

4 奥氏体合金油管探伤伪缺陷波的判定

4.1 噪声波

奥氏体合金油管的组织为粗大的奥氏体组织，特别是焊缝处的组织极不均匀。因此，采用超声波检测时焊缝处的检测难度较大，主要原因是：①探头K值受不同金属熔合区声速和传播方向的影响较大；②奥氏体组织的各向异性导致其在不同方向上对超声波的衰减程度不同。由于奥氏体的各向异性，容易在局部范围内使噪声波和正常检测波混合在一起，使信噪比过低，这会对缺陷波的定性和定位产生较大的影响，容易导致对缺陷的误判。因此，对于检测奥氏体合金油管来说，提高信噪比有助于提高超声波检测的准确性。但实际检测经验表明，当奥氏体合金油管超声检测信噪比＞15 dB时，噪声比对超声波检测准确性的影响将不再显著。提高超声波检测信噪比最有效的措施是使用窄脉冲超声波进行检测。

4.2 焊缝根部成形的影响

超声波检测奥氏体合金油管时，反射波强度与焊缝的成形质量有直接关系。焊缝成形良好时，无反射波或反射波强度较低；焊缝成形较差时，焊缝两侧均可以探测到反射波。超声波对焊缝根部的检测过程如图4所示。

图4 超声波检测焊缝根部过程示意图

检测时，反射波强度随焊缝根部Δt（如图4所示）的大小而变化。通过声程法和水平定位法可以判定该反射波是否为缺陷波。声程法：一次波的声程值应略小于焊缝根部成形反射波的声程，比较两者的声程即可区分。水平定位法：从偏离焊缝中心线的水平定位来说，定位在远离探头一侧的波是焊缝根部成形的反射波，而定位在靠近探头一侧的波为根部缺陷反射波。

4.3 焊缝错边缺陷

管管对接环焊时，焊缝根部存在一定的错边，如图5所示。对该类错边焊缝进行超声波探伤时，两侧信号强度不同，一侧较强（如图5（b）所示），另一侧没有信号（如图5（c）所示）。判别这类波形时，要特别注意其与单侧未焊透波形信号的区别。

图5 错边焊缝超声波检测及其对应波形示意图

5 结 论

（1）超声波探伤存在焊缝余高相对外径比例较大、奥氏体声学特性的各向异性、焊缝外径小造成曲率大等问题，奥氏体油管管体和焊缝超声检测时，建议耦合剂选用机油，探头频率选择2.5～5 MHz为宜。

（2）奥氏体油管焊缝超声检测试块应满足超声检测对缺陷、探头折射角、灵敏度等的调试要求。周向横波检测的条件应满足r/R≥0.547，为了避免焊缝顶部盲区，不能采用超声一次波进行检测，必须使用超声二次波检测。

（3）对于减少噪声伪缺陷波对超声检测的影响，最有效的措施是使用窄脉冲超声波进行检测；对于焊缝根部成形的影响产生的伪缺陷波，可通过声程法和水平定位法加以区分；对于错边缺陷波，表现为两侧信号一侧强、一侧没有信号，要特别注意与单侧未焊透波形的区别以防止误判。

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Study on Ultrasonic Testing Problem of Austenitic Alloy Tubing

LI Xiaobo,LIU Tengyue
（China Petroleum Technology&Development Corporation,Beijing 100028,China）

In order to advance the application of ultrasonic flaw detection in austenitic tubing detection，it briefly introduced the ultrasonic testing difficulties of austenitic alloy tubing,detailedly expounded the existing problems in austenitic alloy tubing detection from several aspects,including coupling agent requirements，probe parameter selection,reference blocks，top blind area caused by weld reinforcement，detection conditions of circumferential wave and so on,it also put forward the main points for judging the pseudo-flaw wave.The analysis results considered that it suggested use engine oil as a coupling agent in the ultrasonic testing of austenite tubing and weld，and the probe frequency selected 2.5~5 MHz；when using circumferential transverse wave to detect austenitic alloy tubing,the ratio of the inside and outside diameter of steel pipe should be greater than 0.547.In order to reduce the influence of noise pseudo-flaw wave on ultrasonic testing,the most effective measure is to use the narrow-pulse ultrasonic testing，and differentiated the pseudo-flaw wave caused by weld root forming through the method of acoustic distance method and horizontal position method.

detection； ultrasonic testing； austenite alloy tubing； probe； pseudo-flaw wave

TG115.28

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.09.011

李小波（1975—），男，工程师，主要从事油气管材技术研究和技术管理工作。

2017-03-08

编辑：李 超