马文杰

（新疆油田公司工程技术公司，新疆克拉玛依 834000）

0 引言

我国很多油田都有相当比例的稠油，稠油需降低黏度才能被开采，油田注汽锅炉[1]便是稠油热力开采的专用设备。随着稠油、超稠油的开采，油田注汽锅炉被广泛应用，汽水分离器是其中非常关键的部件，筒体壁厚高达70～100 mm，设计压力18.06 MPa，工作温度353 ℃，应是使用中安全管理的重点。自油田注汽锅炉投用以来，汽水分离器从未检测过，目前已有焊缝出现刺漏现象，存在安全隐患，对其实施检测成为安全管理的重要工作。

目前油田注汽锅炉汽水分离器在制造中使用的是γ 射线和常规超声检测（脉冲反射超声检测）方法。γ 射线法须在现场使用γ 源，污染环境且对站场作业面影响较大，油田业主不容许使用。常规超声检测受人为和外界因素影响较大，对与声束不垂直的缺陷易造成误判或漏检，对缺陷的检出具有不确定性，不能很好地满足检测要求。本文通过对超声相控阵检测技术在油田注汽锅炉汽水分离器检测中的应用研究，为油田注汽锅炉汽水分离器的安全评测提供更加可靠的检测数据支持。

1 技术路线

基于油田注汽锅炉汽水分离器的结构、运行特点和业主要求，针对超声相控阵检测技术在油田注汽锅炉汽水分离器检测应用活动中，拟定如下技术路线：对超声相控阵检测机理和特点的研究分析→检测工艺的拟定→检测工艺的验证→现场应用检测。

2 超声相控阵检测机理和应用特点分析

超声相控阵检测的机理是采用多阵元的阵列换能器，通过计算机技术控制各阵元发射和接收超声波的时间，来控制各阵元声束的扫描、偏转、聚焦成像的一种检测技术。

裂纹的位置和方向是随机分布的，常规单晶探头声束扩散、方向单一，对于方向不利或远离声束轴线位置的裂纹，容易漏检[2]。而相控阵技术可在探头不移动的情况下实现对被检测区域的扫查，相控阵探头的声束是聚焦的，且能以多种角度入射到缺陷上，能检出多向裂纹。相控阵检测仪器可电子配置参数，能实现检测全过程信号的记录，对信号进行处理，生成和显示不同方向投影的高质量图像[3]，探头小巧便于对局限空间位置的检测。

3 检测工艺的拟定

相控阵超声与常规超声方法虽然同是基于脉冲反射法检测，但相控阵超声在声场、信号处理、成像、性能和功能等很多方面都有很大的不同，在应用实践中的工艺拟定上，必须对其工艺影响因素重新分析研究，根据具体检测对象选择确定。

3.1 影响因素

（1）检测设备。相控阵检测设备包括仪器、探头、软件、扫查装置等，仪器应根据检测要求和现场条件来选择[4]。仪器应有多个独立的通道，水平线性误差应不大于满刻度的1%，垂直线性误差应不大于满幅度的5%，且闸门的位置、宽度及电平任意可调。现场检测时多选择轻巧便携、屏幕光亮度好、控制与成像系统操作简便的仪器。

（2）探头。探头是由多个晶片（一般不少于8 个）组成的阵列，目前焊缝检测中比较常用的为线性阵列探头。探头频率影响着检测灵敏度、分辨力及声能的衰减，实际应用中根据工件厚度、材料、声束类型等因素，合理选择探头的频率。对于厚度50～100 mm 的碳钢焊缝，常选用2～7.5 MHz 的频率。探头尺寸的大小影响着声束扫查覆盖的区域，通常根据检测对象的厚度、检测位置、检测面形状等因素选择探头的尺寸，壁厚相对较大的焊缝宜选用尺寸大的探头。

楔块的选择首先是和探头相匹配，根据制定的工艺要求，参照厂家推荐的角度偏转范围进行选择，对于有曲率的工件，选择跟工件曲率相同或相近的楔块，确保耦合良好。

（3）扫查方式。扫查器的移动和相控阵波束方向的结合形成了特定的扫查方式。选择合适的扫查方式可以更有效地检测和定量缺陷。对接焊缝优先推荐采用扇扫描＋沿线扫查，与坡口垂直的线性扫查对坡口区域的未熔合缺陷非常有效，而扇扫则能覆盖焊缝内部、根部及热影响区。

（4）声束型式。通常采用横波声束和一次反射法来扫查检测焊缝，对晶粒较粗大的不锈钢焊缝，即使采用低频的横波，仍有衰减严重、信噪比差的情况，这时如采用频率范围为2～4 MHz的纵波角度入射不失为一种好的解决方法。

（5）声束角度范围。角度范围的确定原则：根据被检对象的厚度；即要考虑焊缝本身，还要考虑两侧的热影响区；仅考虑采用一次波检测的情况；选择的角度范围并不是越大越好，一般不超出35°～75°，且在楔块制造厂商推荐的范围内。角度范围确定后，闸门范围设置略大于最大声程对应的值即可。

（6）探头偏移。探头偏移是指探头前沿离开焊缝中心的距离，探头偏移值是根据被检工件的厚度及采用的检测角度来确定的，选择时应确保对检测区域充分覆盖，同时兼顾检测灵敏度。

（7）激发孔径。激发孔径就是单次激发晶片组的总长度。激发孔径越大，辐射波的能量也就越大，发现缺陷的能力越强，且可聚焦的范围更广，这对检测有利。但过大的激发孔径尺寸对设备要求更高，还会影响扫查速度，加重数据存储的负担。在设置激发孔径尺寸时，应使激发孔径尺寸D 与晶片宽度B 之比满足0.2≤D/B≤5，对于探测厚度在50～100 mm 的一般材料检测中，可偏转方向上激发孔径尺寸设置范围常为20～35 mm。

（8）聚焦。超声相控阵系统具有声束的聚焦特性。利用聚焦特性可以提高声场信号强度，回波信号幅度和信噪比，合理设定聚焦区域，可以获得更高的灵敏度和分辨力，能很好地提高缺陷检出率和测量精度。具体设定方法可参考GB/T 32563—2016《无损检测超声检测相控阵超声检测方法》。

3.2 检测工艺

油田注汽锅炉汽水分离器的筒体材料为SA-266，筒体规格为Φ1200×80 mm，焊接方法为GTAW+SMAW+SAW，双V 形坡口，坡口间隙及钝边均为2 mm，焊缝宽度为42 mm，焊缝余高基本与母材相平。

本次检测选用多普勒Phascan 32/64 便携式超声相控阵检测仪。该设备具备多视图成像及多种聚焦方式，能实现快速电子扫描成像。扫查器体系小能够避开焊缝附近多个接管的影响。被检材料属于低碳钢，为非高衰减系数材料，为得到更好的灵敏度和分辨力，选用了型号为5L64-0.6×10-D3-T1、频率为5 MHz的探头，楔块型号SD3-N60s，角度60°，晶片数为16。

覆盖区域的确定。参照相关标准和资料[5-6]，根据分离器特性，在检测前利用仪器配备的软件，模拟设置探头位置、扇扫描角度范围等参数，对声束（横波）覆盖范围进行模拟设置。焊接接头检测区域包含了焊缝本身宽度和焊缝两侧各10 mm 的范围，选用一次波覆盖焊缝根部，二次波覆盖焊缝上部。设定扇形扫查角度范围45°～75°，角度步进1°。探头前沿离开焊缝中心的距离为34 mm 时，就可实现对该焊缝及热影响区100%的检测。声束覆盖范围如图1 所示。

图1 扇扫45°～75°声束覆盖范围

3.3 工艺验证

首次检测前，需要对拟定的检测工艺进行验证。验证工作包括超声相控阵检测仪器的校准（声速、聚焦法则延时、灵敏度、编码器等校准）和定位精度、壁厚覆盖范围测试等内容。

（1）声速校准。校准方式是将相控阵探头放在CSK-1A 试块的圆心位置，找到CSK-1A 试块的R50 mm、R100 mm 的圆弧面上的最高波，进行校准。

（2）聚焦法则延时校准。校准方式是将相控阵探头放在CSK-1A 试块的圆心位置，找到R100 mm 的圆弧面上的最高波，进行校准。也可用CSK-1A 试块深15 mm、Φ1.5 mm 的反射体，或其他反射体校准。

（3）灵敏度校准。灵敏度校准可选用DAC（距离—波幅曲线）或TCG（深度补偿曲线）方式进行校准。焊缝检测时，DAC 曲线和TCG 修正可采用CSK－ⅡA 试块，也可采用其他横孔试块。按照设备的操作手册制作DAC 曲线，制作时点数的选择不少于3 点，至少做到二次波声程对应的厚度，以满足检测的需要，制作DAC 曲线选择反射体按照由浅入深的顺序进行，参考试块上反射体的位置分别在10 mm、20 mm、30 mm 等位置，制作出的DAC 曲线的灵敏度为基准线灵敏度。TCG 修正是对不同声程处相同尺寸反射体的回波进行增益修正，修正后不同深度处相同反射体的回波波幅基本一致，经最大补偿的声束对最大声程处横孔回波的信噪比应大于12 dB。

（4）位置传感器（编码器）校准。使扫查装置移动一定的距离（≥500 mm）时对检测设备所显示的位移与实际位移进行比较，其误差应小于1%，最大不超过10 mm。

（5）定位精度测试试验。测试方法是将相控阵探头置于试块表面上，如图2 所示，在拟用于检测的声束范围内，对靠近的两侧边缘声束及居中间位置的声束分别单独激发，找到声速角度位置相同孔的最高回波对应位置测量值，与实际值相比较，位置误差范围是否小于1%。测试试验中声速角度位置相同孔的最高回波对应位置测量值为25 mm，实际值是25 mm，偏差为0，符合要求。

图2 定位精度测试试块

（6）壁厚覆盖范围测定验证试验：试验方法是使用拟定工艺选用的工艺条件及TOFD-C 试块[7]上的人工缺陷（矩形槽、侧孔）进行模拟扫查，检查其可见矩形槽、侧孔的深度，可见槽及孔最小和最大深度值则为厚度覆盖范围。试验实测4～80 mm 深度长横孔均可见，实测显示深度与实际深度误差均小于0.1 mm，符合检测工作要求。

4 现场应用检测

按照上述工艺参数及相关标准规定，对32-11-9-3#和18-19-16-3#两台锅炉汽水分离器壳体的对接焊缝进行超声相控阵的单面单侧的扇扫描和沿线扫查。检测过程中，首先对检测面的处理情况进行检查，满足检测要求后将检测部位分成4 段，进行标识和画参考线。然后依照工艺设定参数，调试设备，准备就绪后，分别按照聚焦深度在30 mm 和70 mm 处沿设定的路径进行扫查，每段扫查停止和起始位置保持20 mm 的重叠，并控制探头移动时与预设的参考线偏离量不超过5 mm，现场检测情况如图3 所示。对检测结果形成的扫描信号数据（共8 幅累计长度12.8 m 图谱）进行判读、分析和评估，检测采集的数据有效，本次现场检测为汽水分离器的焊接接头安全评估提供了定量精确可靠的检测数据。

图3 超声相控阵现场检测

5 结论

对于在役油田注汽锅炉汽水分离器的检测，超声相控阵检测方法很好地解决了现场适用检测方法的问题，且具有缺陷检出率高、检测可靠性好、实时成像可快速分析、检测效率高的特点。工艺验证试验结果和现场应用检测效果表明，超声相控阵检测工艺切实有效可行，能为油田注汽锅炉汽水分离器的安全评估提供可靠的检测数据和技术支持。