CN115540789A - 海上石油平台导管架节点水上浅表面裂纹超声测深方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海上石油平台导管架节点水上浅表面裂纹超声测深方法，属于测探领域；包括以下步骤：S1、控制超声聚焦声束由近及远进行平行扫查，完全扫过表面浅裂纹所在位置；S2、采集间隔0.1‑0.2mm的所有A扫数据，把所有位置A扫数据堆叠得到一个具有整个扫查位置的B扫图像；合成B扫和A扫包络，观察A扫包络的波高变化曲线，以及B扫颜色变化均匀程度，确定最后一个裂纹反射突变点后判断裂纹深度。本发明具有以下优点：在已知裂纹测深方面创造性发展了端点最高波技术，动态波形包络逐帧分析进入超声检测精细化阶段。采用的检测技术适应现场环境、条件容易实施的操作简单技术对检测人员减少主管判断，增加客观判断具有现实意义。

Description

海上石油平台导管架节点水上浅表面裂纹超声测深方法

技术领域

本发明涉及一种海上石油平台导管架节点水上浅表面裂纹超声测深方法，属于测探领域。

背景技术

现有的主流缺陷超声波测高的方法如下：

1、端点衍射波法，主要采用直射波法，折射角选用45°，标称频率范围2MHz～5MHz，噪音水平不超过满刻度的10％，优选聚焦探头。分为两个子方法，分别是单斜探头单侧测量法和双斜探头“V”型串接测高法，都是利用衍射波作为主要技术手段。

单斜探头单侧测量法存在两个技术难点：第一个是端点衍射回波信号极微弱难以从反射波信号中识别出来。实验室条件下需要有相当的实际经验和理论基础，需要对波阵面和衍射波信号变化的有充分的了解和掌握；现场条件，表面状态变化和耦合差异都会干扰区分衍射信号，广大一线超声波探伤人员难以掌握；第二个是无法精确地测量出裂纹的深度，误差较大，此种方法最大的问题是在计算裂纹深度的时候只能确定声程而不能确定衍射波回波的角度，这在原理上就先天不足。解决的方法就是使用接触式聚焦探头，让声束聚焦，这样就尽可能地让反射回波和端点衍射波都集中在声束轴线附近，从而让计算得出的裂纹深度误差更小。但接触式聚焦探头有非常大的局限性，就是能实际使用到的声束聚焦的位置较深，无法扫查到较浅的表面裂纹。另外接触式聚焦探头对制造工艺和精度要求高，现有制造水平难以保证有足够的相关声反射的结构精度，制造成本过高。

双斜探头“V”型串接测高法的大角度纵波探头都会伴随爬波，这会直接影响到接收探头，仪器接受到的信号是多重信号混杂在一起的难以有效识别。唯一能使用的只有折射角45°的探头，45°的探头串接可以明显地发现裂纹深度端点衍射回波，但是实际回波因为脉冲宽度的原因不是单峰而是群峰，而且因为衍射波能量小所以其波峰包络线显得过于平滑，导致无法精确测定端点位置。无法确定衍射回波角度，也就无法计算出表面裂纹的深度在哪里。最主要的是，一旦缺陷所在位置受限，例如TKY节点焊趾裂纹，只能一侧接近，无法实施跨缺陷检测。

2、端部最大回波法，主要采用直射波法，现有很多标准选用45°折射角，标称频率为2MHz～5MHz，噪音水平不超过满刻度的10％，优选聚焦探头。此种方法主要依靠波形包络线找裂纹类粗糙的面反射体的最大的端点回波，这种适合埋藏型裂纹的测高和测底部开口裂纹的高度，并且裂纹深度大于声束截面；对于测检测面的开口裂纹有检测深度受限制和有表面波的干扰的问题，无法检测较浅的检测面开口裂纹。45°探头在扫查焊缝焊趾部位裂纹的时候探头前沿长度是制约实际使用的重要因素。

3、6dB法，主要采用直射波法，折射角选用45°，标称频率为2MHz～5MHz，噪音水平不超过满刻度的10％，优选聚焦探头。此种方法主要依靠波形包络线找未熔合这一类的光滑的面反射体，以其回波波高迅速降落6dB时降幅位置作为测高的基点。这种方法也同样面临到测裂纹深度受限制的问题，并且假定裂纹反射面均匀与裂纹实际反射出入很大。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种海上石油平台导管架节点水上浅表面裂纹超声测深方法，本发明的技术方案是：一种海上石油平台导管架节点水上浅表面裂纹超声测深方法，包括以下步骤：

S1、控制超声聚焦声束由近及远进行平行扫查，完全扫过表面浅裂纹所在位置；

S2、采集间隔0.1-0.2mm的所有A扫数据，把所有位置A扫数据堆叠得到一个具有整个扫查位置的B扫图像；合成B扫和A扫包络，观察A扫包络的波高变化曲线，以及B扫颜色变化均匀程度，数据逐帧回放，确定最后一个裂纹反射突变点后判断裂纹深度。

所述的步骤S1具体为：

S1-1、将探头在垂直待测裂纹长度方向的前沿对齐裂纹，然后向后移动，找到裂纹显示的最大波幅，将裂纹显示高度调整到显示屏全高的50％～100％，无需确认表面波背景干扰，避免探头前沿覆盖裂纹，以免检测到开口的上端点强反射信号；

S1-2、探头前沿紧靠裂纹处，将最大波幅所在位置探头远离已知裂纹向后移动，直至显示高度开始迅速下降，经过数个突变起伏点，一直到最后一个缓变起伏点后波高稳定变化为止。

在所述的步骤S2中，找到最后裂纹反射突变点，即为裂纹下端点所在位置，声束轴线对应在裂纹下端点的位置，这个位置即对应裂纹深度值，记录下此时的深度值，或者存储后续进行离线分析。

当探头每移动0.1或0.2毫米，获得一个此位置裂纹回声信息的显示信号，通过离线分析采集数据，对每一个数据逐帧回放确定裂纹反射特征点位置。

所述探头的超声聚焦声束为70°折射角。

所述探头的角度楔块为有机玻璃，声速2640m/s～2840m/s；聚焦方式为球面或椭球面自聚焦；探头晶片：1-3型复合材料，尺寸：φ6-8mm；频率：大于等于5MHz；焦距：钢中深度聚焦大于等于1-2mm。

所述探头的晶片采用圆形球面或椭球面。

本发明的优点是：结合自聚焦探头，运用动态波形包络逐帧分析大折射角聚焦声束端点最高波法对已知浅表面裂纹的深度测定。克服因为位置受限制，探头只能单侧、单面抵达的检测对象的相对精确测量较浅裂纹的深度。广泛应用在海洋采油平台导管架钢结构焊接接头的裂纹测深。本技术也可以应用其他领域的相对精确表面浅裂纹超声技术测深。

本发明的超声检测设从折射角、频率、晶片材料、晶片尺寸、信噪比、脉冲持续时间、带宽、前沿长度以及聚焦深度等多方面考虑，采用圆形球面(或椭球面)聚焦晶片；设计工作范围-20℃～60℃。超声检测探头定制参数如下：大于等于5MHz,70°±2°横波单晶探头，Φ6-8mm小晶片，窄脉冲圆形球面或椭球面表面裂纹测深探头，前沿不覆盖裂纹，能够测量2.0～6.0mm深度裂纹。能精确测定定制试块上1.0～6.0mm深度的Φ1mm横通孔。

本发明具有以下优点：

(1)在已知裂纹测深方面创造性发展了端点最高波技术，动态波形包络逐帧分析进入超声检测精细化阶段。采用的检测技术适应现场环境、条件容易实施的操作简单技术对检测人员减少主管判断，增加客观判断具有现实意义。

(2)通过裂纹精细化测深研究成果使从无损检测上升到无损评价阶段。超越以往在依靠无损检测判断有无缺陷，简单缺陷定性，缺陷水平方向位置和长度等粗略评估。

(3)在已知表面裂纹测深方面为导管架水上裂纹精细化测深直接对海油平台钢结构维护提供依据，关系海油平台的基础安全，为解决导管架超期服役检修难题做出贡献。

(4)该研究成果结合了最新超声设备成果，且设备成本相对低廉，可以比较全面精确地对裂纹延展深度做出评估；采集数据被完整记录，离线软件具有多种显示分析以及检测数据的可追溯性等都达到了目前的先进水平。

附图说明

图1是本发明的工作流程示意图。

图2是本发明的数据采集检测显示示意图。

其中，1-探头；2裂纹。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

参见图1和图2，本发明涉及一种海上石油平台导管架节点水上浅表面裂纹超声测深方法，包括以下步骤：

S1、控制超声聚焦声束由近及远进行平行扫查，完全扫过表面浅裂纹所在位置；

S2、采集间隔0.1-0.2mm的所有A扫数据，把所有位置A扫数据堆叠得到一个具有整个扫查位置的B扫图像；通过设备扫查运行软件合成B扫和A扫包络，观察A扫包络的波高变化曲线，以及B扫颜色变化均匀程度，，数据逐帧回放，确定最后一个裂纹反射突变点后判断裂纹深度。其中，扫查速度要保证至少每隔0.1～0.2mm采集一个A扫信号，确保损失A扫信号不在突变部分，推荐每隔0.1mm采集一个A扫数据，使用拉线或轮式双向编码器，分辨率小于0.1mm。

所述的步骤S1具体为：

S1-1、将探头1在垂直待测裂纹长度方向的前沿对齐裂纹2，然后向后移动，找到裂纹显示的最大波幅，将裂纹显示高度调整到显示屏全高的50％～100％，无需确认表面波背景干扰，避免探头前沿覆盖裂纹，以免检测到开口的上端点强反射信号；

S1-2、探头前沿紧靠裂纹处，将最大波幅所在位置探头远离已知裂纹向后移动，直至显示高度开始迅速下降，经过数个突变起伏点，一直到最后一个缓变起伏点后波高稳定变化为止。

在所述的步骤S2中，找到最后裂纹反射突变点，即为裂纹下端点所在位置，声束轴线对应在裂纹下端点的位置，这个位置即对应裂纹深度值，记录下此时的深度值，或者存储后续进行离线分析。最后需注意的是，当裂纹较浅，可能会出现无明显端点独立回波变化，从B型显示可以容易看到。此时在第一个最高波之后紧挨着的位置会有类似锯齿形的明显比最高波低的波形出现，测量这个波所在位置即得到裂纹深度值。

当探头每移动0.1或0.2毫米，获得一个此位置裂纹回声信息的显示信号，通过离线分析采集数据，对每一个数据逐帧回放确定裂纹反射特征点位置。

所述探头的超声聚焦声束为70°±2°折射角(即图中的折射角α为70°±2°)。

所述探头的角度楔块为有机玻璃，声速2640m/s～2840m/s，优选为2740m/s；聚焦方式为球面或椭球面自聚焦；探头晶片：1-3型复合材料，尺寸：φ6-8mm；频率：大于等于5MHz；焦距：钢中深度聚焦大于等于1-2mm。所述探头晶片是圆形球面或圆形椭球面晶片。

本发明考虑了斜探头矩形声场表面波分量较大的问题，以此选择圆形晶片降低表面波分量；考虑到斜声束能抵达裂纹，选用相对较小的晶片尺寸，较大折射角度；考虑到声束自然聚焦区域，灵敏度和信噪比采用复合材料晶片，高频率，不选用更小尺寸晶片；考虑聚焦和景深兼顾，采用球面或椭球面辅助聚拢声束；考虑了始脉冲占宽对近表面分辨率的影响，选用窄脉冲探头；聚焦区域升压均匀，采用窄脉冲发射保证了较浅深度可以测量；考虑了斜探头上扩散角的角度以保证有明显阶跃突降的现象能出现，采用了一个比常规探头在裂纹上下维度方向上的更窄的声束。

总结：对于各相关参数的选择有以下几点区别于现有的技术，第一，选取了高频窄脉冲横波斜探头让缺陷回波更便于识别；第二，选取了超过45°的大折射角度斜探头有利于在受限制位置(例如焊趾)声束无法到达的问题。第三，利用复合材料圆形球面自聚焦晶片平衡声场景深，声束宽度，声压均匀程度等本来无法兼顾的问题。基于以上几点就能够使主声束轴线在偏离裂纹下边界时回波信号高度会发生明显的阶跃突降现象，并以阶跃突降50％波高来判定裂纹的下边界的位置，并通过精确测量主声束的折射角和超声回波时间，可以较精确地计算出表面浅裂纹的深度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种海上石油平台导管架节点水上浅表面裂纹超声测深方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、控制超声聚焦声束由近及远进行平行扫查，完全扫过表面浅裂纹所在位置；

S2、采集间隔0.1-0.2mm的所有A扫数据，把所有位置A扫数据堆叠得到一个具有整个扫查位置的B扫图像；合成B扫和A扫包络，观察A扫包络的波高变化曲线，以及B扫颜色变化均匀程度，数据逐帧回放，确定最后一个裂纹反射突变点后判断裂纹深度。

2.根据权利要求1所述的海上石油平台导管架节点水上浅表面裂纹超声测深方法，其特征在于，所述的步骤S1具体为：

S1-1、将探头在垂直待测裂纹长度方向的前沿对齐裂纹，然后向后移动，找到裂纹显示的最大波幅，将裂纹显示高度调整到显示屏全高的50％～100％，无需确认表面波背景干扰，避免探头前沿覆盖裂纹，以免检测到开口的上端点强反射信号；

S1-2、探头前沿紧靠裂纹处，将最大波幅所在位置探头远离已知裂纹向后移动，直至显示高度开始迅速下降，经过数个突变起伏点，一直到最后一个缓变起伏点后波高稳定变化为止。

3.根据权利要求1所述的海上石油平台导管架节点水上浅表面裂纹超声测深方法，其特征在于，在所述的步骤S2中，找到最后裂纹反射突变点，即为裂纹下端点所在位置，声束轴线对应在裂纹下端点的位置，这个位置即对应裂纹深度值，记录下此时的深度值，或者存储后续进行离线分析。

4.根据权利要求2所述的海上石油平台导管架节点水上浅表面裂纹超声测深方法，其特征在于，当探头每移动0.1或0.2毫米，获得一个此位置裂纹回声信息的显示信号，通过对采集的数据进行离线分析，对每一个采集到的数据逐帧回放确定裂纹反射特征点位置。

5.根据权利要求3所述的海上石油平台导管架节点水上浅表面裂纹超声测深方法，其特征在于，所述探头的超声聚焦声束为70°折射角。

6.根据权利要求3所述的海上石油平台导管架节点水上浅表面裂纹超声测深方法，其特征在于，所述探头的角度楔块为有机玻璃，声速2640m/s～2840m/s；聚焦方式为球面或椭球面自聚焦；探头晶片：1-3型复合材料，尺寸：φ6-8mm；频率：大于等于5MHz；焦距：钢中深度聚焦大于等于1-2mm。

7.根据权利要求6所述的海上石油平台导管架节点水上浅表面裂纹超声测深方法，其特征在于，所述探头晶片是圆形球面或圆形椭球面晶片。

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