石油钻机钢结构焊缝的无损检测应用研究

张银洲，刘 杰，王 刚

（渤海石油装备制造有限公司辽河钻采装备分公司，辽宁盘锦 124010）

0 引言

焊缝无损检测是焊接领域正在发展的重要技术，这类技术既能够帮助技术人员明确焊缝焊接的质量，又能够不伤害焊接结构本身，是生产建设领域中的关键检测技术。目前常用于焊缝无损检测的技术包括超声波、射线、磁粉、渗透等，这些技术在无损检测的质量和效率上各有特点，需要根据实际情况进行选择。石油钻机是一种承担重负荷、强冲击力的设备，钻井过程中整个钻机的钢结构都在承受力的作用，若焊缝质量不过关很有可能导致钻机钢结构在某些部位出现超预期磨损，影响钻机的运行质量和运行安全。

1 石油钻机钢结构焊缝无损检测技术应用的必要性

我国的石油矿藏多存储于含盐、含碱的地带，或海洋板块之下，这些区域的开采环境无疑是比较恶劣的，石油钻机在这些地区的应用承受着不可忽视的腐蚀和负面影响。而且在石油钻机的钻井工作过程中，钻机及钢结构都在承受着持续不断的振动影响，这些影响因素对钢结构焊缝的质量和安全程度有着不可忽视的作用。要保证石油钻机钢结构的质量和稳定性，需要在无损状态下检测焊缝的焊接质量，避免石油钻机在整体性有缺陷、稳定性不足的情况下进行钻井开采工作，保证石油开采的顺利进行。

2 目前常用的无损检测技术

2.1 超声波检测技术

超声波检测技术是无损检测领域中的一种，在焊缝无损检测领域中比较常见。这里的超声波是指频率高于20 000 Hz的波段，在焊接金属、结构金属、缝隙3种不同材料内传播、折射、反射的效果不同，能够在不损伤焊接焊缝的前提下完成探伤操作，帮助技术人员了解焊接缺陷所在，了解焊接缺陷的大小，以便于进行补救，提高焊缝的焊接质量，保证结构的稳定性。超声波焊缝无损检测技术的应用有自己的优缺点，优点是这种技术成本低、操作难度低、检测效率高、检测准确率高，缺点则是检测结果以波形呈现，需要技术人员根据波形进行解读，对技术人员的专业水平和工作经验依赖较大，检测结果不够直观。而且，超声波无损检测技术在不同材质、材料性状的影响下还容易产生不同的检测结果，对技术人员的解读干扰也比较大，是一种还需要完善的技术。

2.2 射线检测技术

射线无损检测技术是一种利用射线进行检测的技术，常用的射线包括X射线、γ射线等。射线通过焊缝能够将焊缝内部的情况直接呈现在屏幕上，因此，这种检测技术也被称为照相观察法。与超声波检测技术不同，射线检测技术能够将焊缝内的缺陷、损伤所在的位置及其大小直接以可视化的方式呈现出来，方便技术人员掌握并进行处理。但由于射线在通过焊缝内部时，会发生不可避免的、一定程度的衰减，且在不同的焊接材料影响下射线的衰减系数并不是一致的，所以判断焊缝缺陷时需要充分考虑到射线的衰减问题。在进行石油钻机钢结构焊缝无损检测时，射线检测技术的穿透力度、缺陷形状描绘、可视化功能都能够帮助技术人员更好的了解焊缝情况，但需要找好射线的入射角度，尽量避免使用射线去穿透厚度超过200 mm的材料，以免穿透得出的结果容易出现较大的误差，不利于检测结果的判断。无论是X射线还是γ射线，在照射厚度较大、规模较大的情况下，想要清楚检测焊缝的情况需要长时间照射，这对技术人员的身体是有很大伤害的。因此，射线检测技术的应用必须要找准角度和方位。

2.3 磁粉检测技术

磁粉检测技术是一种与超声波、射线检测技术原理都有较大差异的检测技术，主要利用金属材料的磁场来进行缺陷判断。磁粉检测技术多用于钢材等能够产生磁性的材料检测中，钢材磁化后产生磁场，磁粉会在磁场影响下形成规律排布，而缺陷的存在会使得钢材的磁场发生局部变形，磁粉就会在磁场的作用下发生局部聚集。因此，在使用磁粉进行无损检测时，如果技术人员观察到磁粉的局部聚集就可以判断缺陷的存在，并可根据磁粉聚集的位置、聚集量的大小来判断钢结构焊缝缺陷存在的位置和大小。磁粉检测技术是一种操作简单、检测效率高、检测速度快、对人体没有伤害的检测技术，但这种检测技术对于近钢材表面的缺陷有较为明显的反映，对位于钢材深处的缺陷却无法顺利表达，有较为明显的局限性。如果要检测的对象并非可磁化的材料，或磁化后磁性较弱，则磁粉检测技术不可用，这种检测技术的局限性比超声波、射线检测技术更大。

2.4 渗透检测技术

渗透检测技术的原理与前三者都有很大不同，这里的渗透是指毛细血管现象所引起的液体在缝隙中的流动现象。渗透检测技术又称为液体渗透检测。具体操作方法是在保证焊缝温度在10～50℃时，对焊缝表面涂抹渗透液，待渗透液在焊缝表面缝隙内充分流动后，技术人员再将表面的渗透液擦除，就能够在没有表面渗透液干扰的情况下观测到焊缝内部的渗透液，从而通过渗透液的存在来明确焊缝内部的缺陷所在。常用的渗透液可以是荧光质地，也可以是可着色的质地，前者可在黑暗情况下观测到焊缝缺陷，后者可在光照情况下进行。渗透检测技术是一种能够直观呈现焊缝缺陷的检测技术，操作简单，效果明显，且受到材料、缺陷位置的影响较小，但这种检测技术对于存在于内部深处的缺陷无法检测，或者说渗透液能够流进去，技术人员却无法进行有效观测，因此更多用于表面焊缝缺陷的检测。

3 无损检测技术在石油钻机钢结构焊缝检测中的应用

3.1 测厚仪在石油钻机底座无损检测中的应用

测厚仪是一种利用超声波检测技术的设备，探头可送入石油钻机钢结构焊缝内部，发射超声波并接收超声波反射结果，从而实现对焊缝缺陷的位置、大小的掌握。测厚仪能够准确测量对象的厚度，从而对深藏在钢结构焊缝内部的夹层缺陷、裂纹缺陷、腐蚀缺陷都有较为良好的检测效果。测厚仪的应用需要经过位置确定、精度调整、耦合剂使用等多个环节，以保证检测的质量和准确性。首先是位置测定，石油钻机钢结构焊缝的无损检测，目标是钢结构焊缝，其中经常与其他部位、地面接触且摩擦的位置应当是重点检测对象，比如经常接触盐碱土环境、经常搬动受撞击的底座诸多焊缝位置。其次是精度调整。能够影响这台检测仪器工作效果的因素中比较常见且影响较大的包括材料表面状态、耦合剂材料选择两种。材料表面状态可以通过打磨的方式让探头能够更贴合检测部位，尽量排除二者之间的空气，耦合剂的选择也能够帮助探头与检测部位更好的接触。在实际检测过程中，测厚仪需要耦合剂的配合，耦合剂能够排除探头和被测部位材料之间的空气，提高检测的质量和准确度。通常材料表面较光滑时多用低粘度耦合剂，材料表面粗糙时多用高粘度耦合剂。在涂膜耦合剂后，探头需要在1个测试位置进行3次检测，取较小值；如果检测结果不稳定，则需要以原检测位置为圆心、以30 mm为半径进行数次检测，取较小值。

3.2 钢结构工程焊缝缺陷定位

除了测厚仪外，超声波无损检测技术还能够用于大面积扫描、定位缺陷，这样的应用方式比较适合技术人员对石油钻机进行日常运维，能够帮助技术人员快速发现、定位钢结构焊缝缺陷，为后续的针对性检测和维修奠定基础。用超声波无损检测技术定位时，首先技术人员需要进行水平位置的扫描，通过降低扫描速度来对比出现超声波波动的位置，将缺陷可能存在的位置进行划定。其次，在掌握缺陷可能存在的位置后，技术人员可以根据反射回来的超声波是几次波来判断缺陷位于表层还是深层，若是二次波则说明缺陷在表层，若是一、二次波或二、三次波之间则说明缺陷在深处，若是三次波则说明缺陷在焊缝的根部，属于位置非常深的焊接缺陷。然后，技术人员可以根据判定的缺陷位置选择进一步精确的检测，或进行缺陷处理。

3.3 缺陷波形识别

缺陷波形识别是应用超声波技术为石油钻机钢结构焊缝做缺陷检测时的重要环节，是技术人员能够准确判断缺陷位置、缺陷大小、缺陷深度的关键。通常来讲，钢结构焊缝常见的缺陷包括夹层、裂纹、气孔、腐蚀等几种情况，不同的缺陷会表现出不同的反射和折射，从而使技术人员接收到的超声波呈现出不同的波形。比如：因气体没有及时排出而形成的空洞是气孔缺陷，这种缺陷常见于保护气体不足、焊剂未完全干透等问题，在进行超声波检测时波形表现为稳定的、高度较小的回波，气孔分布越密集，回波的高度变化越大，在探头定点转动时能够明显观测到。又比如：因焊接过程中焊缝夹杂了熔渣而形成的夹层缺陷，在超声波检测时波形表现为一个主峰上多个小峰，波幅有明显的波动性，且点状夹层、条状夹层的回波波形都与缺陷形状颇为相似，可以作为技术人员判断钢结构焊缝缺陷情况的参考。

4 结束语

在石油钻机钢结构焊缝的无损检测工作中，超声波技术是目前比较常用的一种，虽然不能直接进行内部焊缝缺陷观测，缺陷分析也更多依赖技术人员的经验，但这种检测技术的适用范围广、检测准确率高、对技术人员伤害小，在无损检测领域中有广阔的应用前景。