超声相控阵技术在油田注汽锅炉质量检测中的应用分析

超声相控阵技术在油田注汽锅炉质量检测中的应用分析

黄僖 ,何东方

新疆新正检测技术有限责任公司  新疆乌鲁木齐  830000

摘要：油田注汽锅炉作为重质油开采的关键设备，设备质量关乎着开采成效。为了保证油田注汽锅炉的正常使用，就需要加强质量检测，避免安全隐患的出现。超声相控阵技术作为一项高效技术，在油田注汽锅炉质量检测中发挥着重要作用。基于此，本文阐述了超声相控阵技术的概念，并对超声相控阵技术在油田注汽锅炉质量检测中的应用展开探究。

关键字：超声相控阵技术；油田注汽锅炉；质量检测；应用

我国石油资源丰富，高凝油、稠油等重质油占据较大比例，只有降低稠油黏度，才能够完成开采。在重质油开采中，热力采油是比较有效的一种方法，而油田注汽锅炉作为关键设备，在开采中发挥着重要作用，为了保证设备的正常运行，就需要加强对其进行质量检测。汽水分离器作为设备关键部件，存在一定的安全隐患，焊缝出现刺漏情况，因此，通过使用超声相控阵技术，有效提升检测的可靠性。

1 超声相控阵技术概述

相控阵雷达由多个辐射单元组成，对阵列天线中的单元相位、幅度进行合理把控，有效调节电磁波辐射方向，并在特定范围内，合成雷达波束。超声相控阵由超声探头晶片组合而成，依据特定规律，排列压电晶片，并根据规定延迟时间，依次激发晶片，其发射的超声波，慢慢形成波阵面，对其方向、形状能够有效控制，进而完成波束扫描、聚焦等。如图1所示，为超声相控阵超声脉冲发射和缺陷回波接收示意图，阵元发射的声束，在工件中遇到缺陷便会反射回来，在聚焦区域的缺陷，会形成振幅较大的反射波波阵面。超声相控阵技术在质量检测中，主要是使用多阵元阵列换能器，利用计算机技术，把控好每一环节的时间，从而实现对各阵元声束的控制，包括扫描、聚焦等[1]。

图1 超声相控阵超声脉冲发射和缺陷回波接收示意图

2 超声相控阵技术在油田注汽锅炉质量检测中的应用

2.1 检测工艺影响因素

①检测设备。超声相控阵检测设备较多，有仪器、扫查装置、探头等。在实际检测中，仪器最好选择轻便、亮度好、操作简单的。探头一般由8个以上的晶片组成，在焊缝检测中，线性阵列探头的应用较为常见。探头的频率对检测效果有较大的影响，需要结合材料、声束等合理选择。碳钢焊缝厚度在5cm至10cm之间，频率一般选择2MHz至7.5MHz。同时，探头的大小对扫查范围有较大的影响，若焊缝壁厚较大，则需要选择大尺寸探头。

②扫查方式。扫查方式对检测效果影响较大，在焊缝检测中，可以选择扇扫描+沿线扫查的方式，扇扫的覆盖范围较广，能够扫描到焊缝的内部，对于坡口处的缺陷，线性扫查的效果非常有效。

③声束形式。一般情况下，对于焊缝的扫查，选择横波声束，使用一次反射法，针对大晶粒不锈钢焊缝，低频横波的应用会出现信噪比差等现象，最好使用2MHz至4MHz的纵波角度入射，以有效解决这一问题。如图2所示，为横波入射角度，角度不同，反射率也不相同。

图2 横波入射角度

④声束角度范围。对于角度范围，需要考虑焊缝以及两侧的热影响区；角度范围通常不超过35°至75°，依据楔块厂商推荐确定具体范围。对于闸门范围，在具体设置中，使其比最大声程对应值略微大一点。

⑤探头偏移。探头的前沿距离焊缝中心的长度为偏移，对于偏移值的确定，主要是依据检测角度、工件厚度来确定，应保证全面覆盖检测的区域，并保证检测的灵敏性。

⑥激发孔径。单次激发晶片组的长度便是激发孔径，辐射波能量伴随着孔径的增加而增加，能够有效检测出缺陷，聚焦范围也非常大，对缺陷检测十分有利。但是，若激发孔径过大，则会对设备提高要求，并且对扫查效率有一定的影响。在设置时，D（激发孔径尺寸）、B（晶片宽度）之比，需要满足一定条件，即0.2≦D/B≦5。若材料探测厚度在5cm至10cm之间，在可偏转方向，激发孔径尺寸范围在2cm至3.5cm之间。

⑦聚焦。利用超声相控阵聚焦特性，有助于增强信号强度，通过合理确定聚焦的范围，能够保证灵敏性，提高分辨力，从而保证缺陷检测效果。

2.2 拟定检测工艺

在油田注汽锅炉质量检测中，使用多普勒便携超声相控阵检测仪，设备检测效果较好，聚焦方式包含多种，具有多视图成像，在检测过程中可以在较短时间内完成电子扫描成像。由于扫查器比较小，在检测中可以规避焊缝周边接管带来的不良影响。被检对象是非高衰减系数的材料，为低碳钢，对于设备以及各项参数的选择，主要目的是提升灵敏度、分辨力，探头频率选择5MHz，楔块选择SD3-N60s型号，角度为60°，晶片有16片。依据分离器的实际特点，在缺陷检测之前，使用设备配置的软件进行模拟，设置各项参数，包括探头位置、扇扫描角度等，模拟设置声束的覆盖范围。对于扇扫查角度，设定其范围在45°至75°之间，当探头前沿距离焊缝中心34mm的时候，便可以全方位检测焊缝、热影响区[2]。

2.3 验证检测工艺

在第一次检测之前，需要对拟定工艺进行验证。校准声速，聚焦法则延时，验证灵敏度，使用TCG、DAC完成校准。根据设备的操作说明书，制作DAC曲线，点数至少三点，确保满足检测的实际需求，遵循从浅到深的原则，制作DAC曲线选择反射体，试块上的反射体，分别在10mm、20mm、30mm位置处，制作好的灵敏度，便为基准线灵敏度。TCG修正，主要是修正不同声程同样尺寸反射体的回波，使其波幅保持一致。编码器校准，扫查装置移动超过50cm的时候，将设备上位移和实际位移进行对比，保证误差不超过1%，最大误差控制在1cm内。对定位精度进行验证，将相控阵探头放在试块上，在拟检测声束范围内，单独激发两侧、中间的声束，将最高回波相应位置的测量值和实际值进行对比，判断误差有没有超过1%，经过测试，测量值和实际值都为2.5cm，误差为0，因而说明符合要求。对壁厚覆盖范围进行试验，采取拟定工艺条件，展开模拟扫查，检测厚度覆盖范围，经过实测，显示深度、实际深度之间的误差都没有超过0.1mm，符合检测要求。最后，进行现场应用检测，对油田锅炉汽水分离器壳体的对接焊缝，进行单面单侧沿线扫查、扇扫描，将检测部分分为四段，坐标识，画参考线，经过检测，对接头评估提供精准数据。

结语：在油田注汽锅炉质量检测中，超声相控阵技术的应用具有极大的优势，不仅检测效率高，还具有较高的可靠性，经过工艺验证，表明该工艺的可靠性，可以为油田注汽锅炉汽水分离器的评估，提供可靠数据支持。

参考文献：

[1]蔡亮,高帅,牛志勇,李世平,祁庆芳,蒋玉卓,李丽嫔.超声相控阵技术在压力容器焊缝无损检测中的应用[J].石油和化工设备,2020(11):75-77.

[2]万喜军, 油田注汽锅炉升级再制造技术研究与应用. 新疆维吾尔自治区,中国石油新疆油田分公司,2020-07-16.