镀锌钢管焊缝探伤

钢轨探伤目的

钢轨的伤损虽说五花八门（这个我们下一篇会说到），但是发展是有规律可循的，基本都是从小向大发展、从表向里发展（部分夹杂、气孔、白核等内部缺陷不是），和人生病一样，都是从小病发展到大病的，这就给了我们检查、预判、处理的时间。

所以，钢轨探伤就是采用无损检测手段、有计划的对钢轨进行检测，以便于在伤损未造成严重后果前发现并处理的过程。

发现伤损怎么办呢？视伤损情况继续观察、计划处理或者紧急处理，这是兼顾经济性和安全性的考虑，对于已经影响安全的就紧急处置，对于暂不影响的就持续观察或者安排计划处理。

无损检测方法

无损检测是在不改变被测物物理性质的基础上对其进行检测的方法，相对于“检测”更重要的是“无损”，所以可以对被测物体进行重复的、全覆盖的检测。当然，无损检测的结论不够精细，经常是只能给出“有没有”的结果，很难更精确。

与之对应有损检测方法，虽说结论更加准确，但是随着检测的过程，被测物体也消失不能再使用，既做不到反复、也做不到全覆盖，只能作为辅助的抽样检查办法。

曾经有人说过，“无损检测是现代工业的基础”，我认为这句话没有言过其实，大家可以想象到不经过检测的飞机铆接、船舶焊缝、建筑钢材么？一旦出现问题就是房倒屋塌、车毁人亡。

无损检测技术撑起了现代工业的半边天

无损检测方法一般有五种，分别是超声探伤（UT）、磁粉探伤（MT）、射线探伤（RT）、涡流探伤（ET）、渗透探伤（PT）。

超声探伤

基本原理：定向辐射超声波束在缺陷界面上产生反射或使透过声能下降等原理，通过测量回波信息和透过声波强度变化来指示伤损的一种方法。

优点：指向性好（可以定向发射）、穿透力强（波束能量大）、灵敏度高、盲区少（可以通过声波发射角度的组合，最大的减少盲区）、消耗小（基本只费电，还有少量耦合剂）

不足：缺陷显示不够直观（非专业人员基本看不懂）、表面要求制备（要求耦合良好）、定量性能不好

这个和去医院做B超的原理很像，不是专业人士根本看不懂那是啥，而且探头要和表面完全耦合不然会失波，这也是为啥每次医生都涂你一肚皮油的原因。B超也属于无损检测，医生也没有每次都把肚子给割开不是？

磁粉探伤

基本原理：利用磁力或磁场与铁磁体的相互作用进行探伤。有缺陷时，一部分磁力线外露形成漏磁场，漏磁场吸附磁粉形成磁痕，给出缺陷的存在。

优点：缺陷显示直观（直接能看见哪里有啥问题）、探测精度高（可以检测到微米及的缺陷）、形状不受限制

不足：只能检测可以被磁化的工件（比如雷布斯同志大爱的奥氏体不锈钢就不能检测）、只能检测表面附近的伤损（磁场的趋肤性）、需要磁化和退磁、有方向性盲区（缺陷和磁场方向平行时，没有漏磁也就没法检出）

射线探伤

基本原理：利用射线的穿透性、衰减性和胶片的光化学作用进行探伤。

优点：检测结果可以保存（就像拍照一下，这个简直太棒了）、显示直观（和拍照一下，啥毛病清清楚楚）

不足：需要用到放射源（和医院的X光一样，需要严格的防护）、成本大

这类方法和医院拍X光、CT的原理一样，基本就是对焊缝进行X光检测。一般用在重要设备的焊缝探伤上，比如航母的飞行甲板焊缝探伤。

金属超声波探伤仪的探头频率一般在0.2M-15MHz，主要检测各种金属内部缺陷。TOFD也属于此类。

非金属超声波探伤仪的探头频率一般在 250KHz以下，主要用于检测混凝土的强度、裂缝深度、混凝土匀质性、损伤层厚度、混凝土厚度、桩身完整性、结构内部缺陷、钢管混凝土内部缺陷。

超声波探伤仪根据显示方式，又分为A扫描、B扫描、C扫描三种。

在每个类别里面，都有很多厂家生产的各种型号探伤仪。探伤仪质量的好坏主要从仪器的垂直线性度、水平线性度、灵敏度余量、分辨力、信噪比等。

在深井钻探过程中，由于钻杆柱在套管内的长时间旋转运动，钻杆接头等部位与套管内壁研磨，导致套管存在不同程度的磨损。钻井时间越长，钻杆作用在套管上的侧向力就越大，由此引起的套管和钻柱摩擦与磨损问题就越来越突出；同时化学腐蚀也越来越严重。所以对套管质量和使用中套管质量的检测对超深井钻探来说是非常重要的。

套管检测包括：套管质量地面检测和套管磨损井内检测。

4.1.1 套管质量检测

国内外的统计资料表明，尽管套管生产厂在套管出厂前进行过在线检测，但由于种种原因，还有约3.5%～5.5%有缺陷的套管出厂。因此，在超深井钻探施工中，必须采用先进的检测手段对所用套管进行可靠的缺陷检测。套管质量检测需采用无损伤检测方法。

（1）超声波探伤方法

超声波探伤仪的种类繁多，但在实际的探伤过程，脉冲反射式超声波探伤仪应用最为广泛。一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不一致，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。

超声波探伤常用的仪器设备是中国科学院武汉物理研究所科声技术公司研制生产的多通道数字式超声波探伤仪，它能满足从多个探伤面同时进行多种缺陷的全面检测的需要，并能实现自动扫描、数字化控制和数据采集，从而提高了探伤的速度和超声波探伤的可靠性，可实现对被检测件的自动探伤。

应用多通道数字式超声波自动探伤技术进行原油套管的自动化检测，应从如下3个方面考虑：①具有满足石油套管进行自动探伤的超声波自动探伤仪；②为石油套管自动探伤设计合理的超声波探伤方法；③具有满足自动探伤技术要求并配套的机械设备。目前，除螺纹和接箍部分的探伤需要进行试验研究以外，其他部分均为较成熟的或可以实现的技术。

科声公司生产的多通道数字式超声波探伤仪具有5个特点，是应用超声波自动检测必须具备的条件：①仪器具有较高的重复频率，能保证实现较高的检测速度和探伤密度；②各个通道性能一致，确保读数精确、可靠。在检测过程中，对同样的缺陷在不同的通道检测时，应有同样的结果，这样就不会漏检和误检，以便于缺陷的定量和设立探伤工艺标准；③适应能力强，在实际应用中往往要求使用不同的工作频率、不同的量程范围和不同的灵敏度，探伤仪能适应这些场合的探伤工作；④能自动进行伤波识别和报警，在自动探伤场合探伤人员监测伤波是不可取的，所以探伤仪的功能已经从对超声回波的拾取、显现，引申到了自动读数、自动补偿、自动定量、自动识别、自动报警；⑤抗干扰能力强，在工业现场往往有行车、电机等的存在，自动探伤机受电磁干扰、电源波动、机械振动、温度和湿度变化的影响。自动探伤仪能在这种环境下连续工作，排除杂波干扰，能减少误判和漏检，进行自动探伤。

（2）漏磁探伤方法

漏磁探伤方法是继超声波后新发展起来的一种探伤技术，探伤的基本原理是通过外加强大的磁场对铁磁性材料进行磁化，当被磁化的铁磁材料存在缺陷时，即在材料表面形成漏磁场，通过检测线圈或霍尔元件检测到的漏磁场电流或电压大小，反映出缺陷的大小和位置。其中直流局部磁化方法应用较多。

国外20世纪70年代中期开始研制实用的漏磁探伤设备，以后推出了多种漏磁探伤仪，比较有名的厂家是德国的Forster公司和美国的Tupboscope公司。目前国内使用漏磁探伤仪的厂家有上海宝山钢管厂和成都无缝钢管厂。分别使用Forster公司和Tupboscope公司的产品。

宝钢套管、油管检测是在其两端未加工螺纹和未装接箍之前的光管上进行的，检测速度为3根/min，用漏磁检测套管两端不可检测的盲区为10mm，然后用专用的磁粉探伤设备再检测套管两端350mm的部分。磁粉探伤5根管子同时进行，在1min内完成，然后用人工观察缺陷。宝钢的漏磁探伤设备有两种类型，一种是探头固定不动，管子直线通过；另一种是探头直线运动，管子原地旋转。宝钢用漏磁探伤套管、油管时，严格执行API SPE 5CT标准，对各种规格、钢级的套管、油管都按标准做出人工标准伤样管，当被检管子的规格和钢级发生变化时，就要用样管对仪器和探头校准。宝钢的漏磁探伤采用直流周向磁化的方法对套管、油管进行磁化，能检测到管体内外表面及内部的纵向缺陷，如果发现表面有划伤等缺陷时，要进行表面修磨，然后再进入检测线检测，如果剩余壁厚大于87.5%t（t为套管壁厚），可以作为合格管出厂，否则报废。

中国有色金属工业总公司无损检测中心开发研制了旋转式漏磁探伤设备，并用于旧油管和旧钻杆的检测。这套检测设备在胜利油田滨南采油厂投产并通过鉴定。这套自动探伤系统的特点是：①检测速度10m/min，每2min检测一根管；②分两组探头，一组检测接箍，一组检测管体，管体部分由8个探头组成，管体旋转速度和探头移动速度合理匹配，保证覆盖管体全表面；③磁化方法采用直流周向磁化，能检测到内外壁的纵向缺陷；④对于旧油管、钻杆，由于没有统一的检测标准，滨南采油厂暂定为剩余壁厚小于70%t时判废，并以此标准制作人工伤样管；⑤设备具有声光自动报警、波形记录、对缺陷处自动作标记并具有数据统计、打印报表等功能；⑥采用变频调速装置及可编程控制作为整个机械设备的动力和控制手段；⑦磁化装置至少连续工作10h不发热，经退磁后，被检测管子可以吸不住M3的螺母。

（3）涡流探伤方法

涡流探伤是用一个高频振荡器供给激磁线圈激磁电流，并在被检测件周围形成激磁磁场，该磁场在被检测件中感应出涡状电流。涡流又产生自己的磁场，涡流磁场的作用抵消激磁磁场的变化。由于涡流磁场中包含着套管状况不等的各种信息（如钢管材料中存在的各种缺陷），仪器通过检测线圈把涡流信号检出，进行滤波、鉴相、放大等处理，并抑制非缺陷的各种噪声信号（如材料性能的差异、运动不平稳等），以此来判别套管中缺陷的存在。涡流探伤有点探头式和穿过式两种基本方法。

涡流探伤应用于套管自动检测生产线主要应考虑这样几个问题：①由于套管壁厚一般大于7mm（各种规格套管的壁厚不等），而涡流探伤的灵敏度是随着缺陷的埋藏深度的增加而降低的，因此，要采用磁饱和技术提高涡流检测的穿透深度，实现对整个套管壁厚的检测；②由于涡流检测对许多因素都很敏感，其中有些是由加工工艺造成的，如电导率、化学成分、磁导率以及几何形状等的变化；而另一些则是与管材无关的测试因素，如耦合状况的改变，探头与管子之间的振动等，因此，涡流探伤的信号处理和分析技术与漏磁技术相比要复杂一些，特别是对于像套管这样大直径的钢管更是如此。

国内有很多单位，如上海有色金属研究所、北京有色金属研究设计院、厦门涡流检测技术研究所等，相继研究成功多种规格的涡流探伤仪，这些设备的技术性能都能满足常规的探伤要求，某些先进设备的技术性能已达到国外20世纪80年代的水平。

4.1.2 套管磨损检测

在井内的套管不可避免地受到不同方式、不同程度的伤害，甚至是损坏，一般包括机械损伤和化学损伤两种。套管的机械磨损是由与套管内壁相接触摩擦的其他物体引起的，主要是钻杆、钻杆接头、底部钻具组合、钢缆及尾管等，而旋转引起的磨损程度远远大于滑动导致的磨损；井内泥浆和地层流体会对套管造成一定的化学损伤，随泥浆的化学成分和地层流体特性，对套管的腐蚀程度不同。随着钻井周期的延长，套管磨损程度加剧，如不采取措施，则会出现套管先期损坏的现象，严重的会使井报废。套管损伤对井内安全影响很大，因此，超深井套管损伤的检测显得十分重要。

工程测井很多仪器都有套管质量和固井质量检测功能，其性能和功能见表4.1。国外测井仪器耐温、耐压指标都较高，耐温指标多为175℃。相比而言，国内仪器耐温、耐压指标较低，应注重研发耐温超过150℃的仪器。

（1）MID-K测井仪

MID-K测井仪器是俄罗斯生产的进行多层套管伤害探测的测井设备，MID-K测井仪器共有3个测量探头，包括1个纵向探头和2个横向探头（图4.1）。纵向探头是对套管沿轴向的伤害进行测量；横向探头对套管横切面上的损伤进行测量。测量的信息是感生电动势的衰减谱，对衰减谱进行采样得到多条不同时刻记录的曲线，不同时间与管柱的径向位置相对应。该测井仪根据不同位置管柱对应的不同衰减时间段对衰减谱进行放大，从而达到对不同位置管柱的探测，以3层管柱为例，可分为远区、中区和近区，分别对应外层、中间和内层管柱。

表4.1 工程测井仪器一览表

图4.1 MID-K仪器结构示意图

MID-K测井仪共记录了5个不同区间和方向的感应电动势时间衰减谱，包括3个不同时间区间的纵向探测器探测的感应电动势衰减谱以及2个横向探测器探测的感应电动势衰减谱，由270条感生电动势曲线组成，曲线间的采样间隔为2.5ms（图4.2）。

（2）PIT套管检测仪

PIT（Pipe Inspection Tool，套管检测仪）是一种磁法测井仪器，采用多个推靠式极板，用同时测量漏磁通和涡流的方法检测套管内外壁的缺损（漏磁通法测量套管壁总的缺损，涡流法检测内壁缺损），解释腐蚀和穿孔状况。由于采用极板，PIT仪器分3种规格，以适应不同的套管直径。适应5in套管的仪器有8个极板，可分辨5mm孔眼，耐温175℃，耐压104MPa，长4.7m，质量160kg，最小通径110mm，推荐测速1100m/h。PIT仪器的前身技术产品是国内早已引进的斯仑贝谢公司20世纪70年代仪器PAT。PAT仪器使用上下两套极板组，对每个极板组只记录两个数据，即涡流量和漏磁通量。与PAT仪器的不同在于PIT对每个极板都记录涡流量和漏磁通量，能显示井周方向上套管腐蚀和穿孔的细节。仪器对套管变形不敏感。

图4.2 MID-K测井解释成果图

（3）MIT多臂井径成像仪

MIT（Multifinger Imaging Tool，多臂井径成像仪）是英国Sondex公司生产并由哈里伯顿公司代理的40独立臂井径仪，采用相互独立的机械测量臂带动40个LVDT（线性变化差动变压器）传感器分别测量套管内径。仪器质量28kg，长1.6m，耐温150℃，耐压104MPa，外径70mm，测量范围76～190mm，半径测量精度和分辨率为0.76mm和0.08mm，推荐测速540m/h，纵向分辨率2.5mm。与老式多臂井径仪器不同，MIT对每一个测量臂分别给出测量结果，同时输出40条半径曲线以及最大、最小、平均半径。仪器还有测量斜传感器，测量精度为4°。

（4）CAST-V井周声波扫描仪

CAST-V（Circumferential Acoustic Scanning Tool-Visualization，井周声波扫描仪）采用脉冲超声回波方法对井壁进行扫描，可用于裸眼井和套管井，在套管井中可同时检测套管和评价水泥胶结质量。CAST的旋转探头旋转速度10周/s，每转1周发射和接收200次超声波，回波到达时间和幅度用于套管内壁成像，回波共振频率用于计算套管壁厚，回波共振衰减时间用于评价套管-水泥环界面（I界面）胶结状况。仪器长5.5m，外径92mm，质量143kg，耐温177℃，耐压138MPa，可用于114～330mm井眼，垂向分辨率7.6mm，推荐测速360m/h（图4.3，图4.4）。

（5）DHV井下可见光电视

DHV（Down Hole Video，井下可见光电视）的工作原理与常规摄像头相同，采用光学聚焦系统和CCD传感器把可见光图像转换成电信号，并通过电缆传送到地面；井下仪器还携带了照明光源。近年来DHV技术发展较快，镜头焦距可调，采用不沾油涂层和光源后置技术使图像更清晰，广角镜头在水中视角可达55°，信号传输由光缆改为普通单芯电缆，仪器耐温、耐压指标提高到了177℃、104MPa，外径仍然为43mm。

图4.3 超声成像套管测井解释

图4.4 套管片状腐蚀与点状腐蚀的超声波成像

DHV相当于在井下仪器上安装了人的眼睛。在井下流体透明度比较好的情况下，可以清楚地见到井下落物的鱼顶、套管射孔孔眼及有无石油或天然气产出。如果有石油产出，可以见到油泡在射孔孔眼处断断续续地冒出；如果有天然气产出，可以见到断断续续的白色泡状产出物，如泉眼里冒出的气泡一样；如果套管有破裂或错断，还可以见到破裂或错断口，甚至可以见到破裂口或错断口处流体进入情况（图4.5）。

图4.5 套管破裂井下电视照片

（6）数字化套管探伤仪

DVRT可以确定套管是内伤还是外伤，损伤穿透深度，损坏点准确位置等。对孔洞直径为9.5mm，相对穿透深度为30%以上的损伤均能做出正确判断。

DVRT套管探伤仪（图4.6）是由美国Atlas Wireline Services最新研制生产的数字化套管探伤仪，它由一个安装在心轴保护箱内的电磁铁和探测器及三部分电子线路组成。其中两个电子线路部分（分为上下两部分）也安装在心轴保护箱内，另一个控制器部分电子线路安装在一个单独的保护箱内，并与心轴的顶端相连，电子线路部分是经过特殊设计，可适用于4种不同心轴尺寸的DVRT仪器。

DVRT仪器的心轴由许多独立的极板组成，并以两个一组相互搭接的方式排列，以保证对套管四周进行全方位探测，每个极板上装有两个直流通量泄漏测试器及两个涡流测量线圈（EC）。

数字化套管探伤仪通过测量直流通量的泄漏来确定套管损伤的穿透程度。为了保证能对套管四周的腐蚀损伤程度进行全面而完整的测量，DVRT采用了很高的采样速率，可同时记录12道或24道测量数据。测量时根据仪器心轴的大小可进行12道或24道涡流（EC）测量，用来确定直流通量泄漏是发生在套管的内表面还是外表面，从而进一步确定套管是内伤还是外伤。其中114mm和140mm两种心轴同时记录12道FL（直流通量泄漏）和12道EC，而178mm和219mm两种心轴记录24道FL和24道EC。每一道波形记录都被完整地保存下来。所有波形均在井下数字化后传至地面，再经测井分析专用软件进行现场分析或后处理，在提供高质量显示结果的解释报告同时，可帮助现场进行决策，明显提高了工作效率。

（7）数传工程测井组合仪

数传工程测井组合仪由仪器头、磁性定位器、扶正器、方位仪、遥测仪、井壁超声成像测井仪及声波井径仪几个部分组成。

图4.6 DVRT测井仪器

仪器的主要技术指标：外径Φ90mm；工作环境温度-35～150℃；耐压75MPa；方向角范围及精度为0°～360°、±6°/h；声波井径精度±1.5mm；声波井径范围90～180mm；孔眼分辨能力≥8mm；纵向裂缝的分辨能力≥2mm；适用介质为油、水、泥浆（密度≤1.4g/cm3）。

数传工程测井组合仪进行多参数组合，能准确地指示出井身状况及套损方向，更直观、形象、具体地检测出各种程度和各种类型的套损及其方位，可为油水井套损机理、预防、修井、报废等提供详实可靠的资料。

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