时间：2013-11-29 分类：矿业
[摘 要] 本文就无损检测技术在油田海上建设工程质量监督与安全保障中的作用和应用方法做了阐明和探讨，并针对其技术现状和发展方向提出了相应意见。
[主题词] 无损检测技术 质量 安全 油田 海上建设
1. 前言
油田海上建设工程因有着特殊的使用功能和作用，决定其工程质量不但要在平时能够保证结构安全，满足生产运行的使用要求，而且必须达到特殊气候状况能够经受住狂风、巨浪、海冰破坏和其它因素的强力冲击。所以，如何监督与控制好工程质量，建设高标准的海上工程，确保本质安全，是油田工程质量监督、安全工作者以及各级领导的重要职责所在。
在工程质量监督与安全管理过程中，随着监督手段的不断完善，检测仪器的不断发展，质量监督工作的科技含量也在不断加大。所谓无损检测技术就是在不影响工程结构使用性能的前提下，通过原位检测某些物理量推算出材料与结构的工程质量指标，如强度值、厚度值、内部缺陷点、钢结构位置、成分含量等。它有着比常规检测方法更为诱人的特点：非破坏性、随机性、远距离探测、现场检测等等;且检测数据可连续性采集，并通过数理分析和逻辑判断，能够比较准确地推定出工程质量的状况，从而弥补了以往在质量监督中单纯以\"查、看、审、量\"的观感检查和外形质量控制偏差来推及工程质量优劣的做法，使监督检测的结果更具真实性、科学性和权威性。尤其对于海上设施和防护工程，准确鉴定和评估其质量的状况，关系到职工的生命安危和生产设施的安全。因此，充分运用无损检测技术，严把质量关，有着十分重要的意义。
2. 无损检测技术的现状
2.1油田建设工程无损检测技术在近20年里得到很大发展，其若干单项技术在研制和运用水平都已进入了国际先进行列。自80年代以来，通过多次技术合作和攻关，已制定了各种无损检测的规程。这些行业标准和油田标准，有力促进了无损检测技术在工程中的运用。至今，胜利海上石油工程技术检验中心已完全具备了开展无损检测服务的条件。
2.2无损检测技术体系日益完善。常规无损检测手段有：
超声检测 Ultrasonic Testing(缩写 UT);
射线检测 Radiographic Testing(缩写 RT);
磁粉检测 Magnetic particle Testing(缩写 MT);
渗透检验 Penetrant Testing (缩写 PT);
涡流检测Eddy current Testing(缩写 ET);
目前，在海上石油平台建造维修中，检测方法有：
(1)人工目视、耳听、鼻闻、手摸等。这种方法简单、直观，但对于人的感官难于触及的构件检测，传统的方法是无能为力的。如海上石油平台管道外面有包覆层、绝热层，传统的方法检测前必须拆开包覆层、绝热层，必须对管道表面进行清洁处理，并且舱室内管道繁多，许多情况下舱室内的恶劣条件无法对管道实施检测。
(2)表面检验。用以显示或验证表面或表层缺陷的存在，可供采用的方法有磁粉法、液体渗透法、涡流法等，这些方法的主要缺陷是必须对构件表面进行预先的清洁处理，耗时长，检测效率低，另外，对不规则的构件表面检测比较困难。
(3)体积检验。用以查明表面下缺陷以及缺陷深度、大小等，通常包括超声波、射线照相检验等技术， 超声波检测属于点接触式检测，需要耦合剂，容易漏检，对人的操作技术水平要求高，效率也较低;射线检测主要是对人的身体有害，必须有很严格的保护措施。
2.3无损检测新技术
无损检测新技术与常规老技术是相对而言的，传统的常规的检测技术若能够赋予新的内容就可称为新的。超声、射线、涡流等是传统的检测方法，但随着物理、机械、电子、材料学科和计算机技术、传感器/换能器技术、信号处理技术、缺陷识别技术的发展与融入，正在不断得到新的发展和应用。目前，无损检测新技术主要有：静电传感器技术、空气耦合传感器方法、电磁声传感器方法、激光超声方法、光全息摄影或干涉技术、磁致伸缩传感器方法、混合超声技术等，下面主要简述几种较流行的无损检测新技术。
2.3.1 空气耦合
超声波浸润检测是一种研究许多材料性能的比较流行的技术。然而，使用水作为耦合介质在某些场合又不太适用。如被检测材料吸收水，或者被污染的地方或者浸水反而会有损材料。于是，使用空气作为耦合介质引起了人们的极大的兴趣。然而，超声波在空气中衰减比在水中大得多，尤其对于频率高于1MHz或更高时。因此，人们把注意力集中在设法改进传感器的设计以提高其灵敏度和带宽。
目前，最常用的空气耦合传感器是基于压电或静电设计。压电空气耦合传感器使用通常的压电陶瓷元件，其主要问题是声阻抗不匹配，导致发射和接收的效率很低，为了减少能量损失，通常使用匹配层材料，然而理想的声阻抗匹配材料很难找到。另一种方法是通过改变传感器所用的压电材料自身的机械和电气性能以提高发射和接收的效率。而由电容(或静电)设计的空气耦合传感器比压电型传感器的频率带宽要宽，能量相对比较容易耦合到被测物体中，在电容传感器里面通常安装有固体支撑板，并用聚合物薄膜拉伸，此结构很好地改变了声阻抗不匹配的问题。
空气耦合超声波传感器主要优点是使用空气耦合介质可以避免弄脏被检测物体，不需液体耦合剂可以实现快速扫描。其主要局限性在于灵敏度较低。人们正不断地寻找合适的低阻抗、低衰减的匹配材料，辅以适当的匹配电路，频率可达兆赫兹，换能器的性能将极大提高。因此，这必将推动超声波技术在机器人控制、材料无损评价以及其它方面的应用和发展。#p#分页标题#e#
2.3.2 电磁声
电磁声方法是基于涡流和磁场的交互作用，利用电磁声探头产生和接收超声导波。它是将高频电流通入靠近被检金属表面的发射线圈中，在金属表面的趋肤层内感应出相同频率的涡流，若同时在金属表面施加一个磁场，金属中的涡流在磁场的作用下就会产生一个与涡流频率相同的力，即洛仑兹力。洛仑兹力带动金属材料晶格的振动，并在工件内传播就形成了声波。由于电磁超声方法不使用耦合介质，所以它可用于高温、高速、表面粗糙工件的检测。另外，电磁超声的频率由发射线圈中的交流电频率决定，所以它很容易调整检测频率，以适应不同的检测对象和检测要求。而压电超声的检测频率由压电晶片的固有频率决定，在不更换探头的情况下，无法变更频率，这一点无法与电磁超声相比。
电磁声传感器一般分为两种：洛仑兹力式和磁致伸缩式。根据被检测对象材料特性不同，我们可以选取不同型式的传感器。对于非磁性导电材料的检测，一般选用洛仑兹力式电磁声传感器，因为在此材料中声波的产生是洛仑兹力作用在材料晶格上的结果。对于磁性导电材料的检测，根据检测的实际情况，洛仑兹力式和磁致伸缩式电磁声传感器可能都要利用。因为在磁场的作用下，存在磁致伸缩力，再加上洛仑兹力同时影响离子的运动。在磁性材料中，电磁场能改变材料的磁致伸缩系数，从而产生周期变化的磁致伸缩应力迭加在洛仑兹力产生的应力上。在应用高的磁场强度使材料达到磁饱和以后，洛仑兹力成为产生声波的唯一原因。磁致伸缩力在磁场比较小的时候占主导地位，要比相同磁场作用下洛仑兹力机理产生的声波幅值强得多。因此，在磁场比较小的时候，用磁致伸缩式电磁声传感器检测灵敏度比较高，在磁场强度很大以致使材料达到磁饱和的时候，用洛仑兹力式电磁声传感器检测灵敏度比较高。
使用电磁超声检测的材料必须具有导电性或铁磁性，或导电性和铁磁性都具有，这是其应用的局限性之一;另外，EMAT的工作距离比较有限，通常只有几个毫米。EMAT相对压电传感器来说，主要不足是其效率比较低。直到最近，这点不足限制了EMAT在超声检测中的应用。但是，EMAT是目前流行的主要无损评价技术之一。因为它具有几大优点：无需耦合剂;可非接触操作;可高温操作;可利用SH波检测以及适合发射和接收瑞利波、Lamb波和SH波。随着计算机技术、电子技术、信号处理技术等的发展，EMAT技术将在各种应用领域得到不断的改进和发展。
2.3.3 激光超声
在常规的超声检测中，由于超声波换能器本身带宽的限制及换能器与试件之间的耦合等因素影响，无法产生很窄的单个超声脉冲，而激光超声技术可以重复产生很窄的超声脉冲，在时间和空间均具有极高的分辨率。在固体中激光激发超声波的主要机理是热弹性膨胀和试件表面材料熔化、蒸发而形成冲击力两种。若照射到试样表面的激光能量不足以使表面熔化时，试样内超声波脉冲主要是由于试样吸收光能发生热弹性膨胀而产生的。若激光能量足以使照射材料的表面熔化时，材料汽化产生冲量作用于表面，产生了一个法向作用力，激发出幅值较大的超声波。固体中激光超声波信号的检测主要采用换能器法检测和光学法检测。换能器法检测灵敏度较高，但带宽有限，不适合检测宽频带的激光超声信号。而光学检测法可很好解决上述问题。由于激光超声不需任何耦合剂，能够用于粉末、多孔材料，胶体及薄膜等通常接触式换能器不能激发超声的材料的检测。激光超声对被测试件的要求较低，对表面粗糙、曲率大和几何形状十分复杂的物体均能检测。但有一些问题须进一步解决。一是由激光能量到超声能量的转换效率问题。要提高激光超声的强度，可以加大激光辐射能量，但不能太大，否则会损伤被测试件表面。二是激光超声信号检测灵敏度问题。由于换能器不太适合检测激光超声信号，所以应发展光学检测法。光学检测法特别适合于窄脉冲激光产生的宽频带超声信号检测，但光学检测法比换能器检测灵敏度低，因此提高光学检测法的灵敏度是目前发展趋势之一。激光可以在不同形状的试件中激发超声波且是非接触的，易于在高温、高压、有毒和放射性等恶劣环境下进行超声检测，适合于超薄材料的检测和物质微结构的研究。
2.3.4 磁致伸缩技术
铁磁体在外磁场中被磁化时，其外型尺寸会发生变化，即产生磁致伸缩应变，从而在铁磁体内激发弹性导波。反过来，铁磁体在受到磁致伸缩激励力的作用下，其磁性将发生变化，即导致铁磁体的磁导率或磁阻的变化，从而引起导波的反射、透射等。导波在传播过程中，铁磁体内各部分均发生变化，与此相应，其磁导率也将发生变化，它反过来使波的传播特性也发生变化，进而导致铁磁体内磁感应强度发生变化，根据法拉第电磁感应定律，而变化的磁感应强度必定引起接收线圈中的电压变化，通过测量电压信号——导波的反射情况，即可检测出铁磁体构件中是否存在腐蚀、裂纹、破损等缺陷。也可以简单的归纳为：导波产生——基于磁致伸缩效应：即铁磁性材料在外磁场的作用下，其实际的外型尺寸将发生小的改变;导波检测——基于磁致伸缩逆效应：即铁磁性材料受到机械应力(或应变)时，其磁感应强度将发生变化。#p#分页标题#e#
磁致伸缩无损检测技术的优点是装置简单，操作容易，价格适中，适用于铁磁性、非铁磁性、铁氧体等物质，能够实现非接触、大范围、长距离、快速检测。
2.3.5 混合超声
由于每一种无损检测方法有其自身的优势和不足的地方，因此，人们想出了结合几种无损检测方法的优势，实行优势互补，可称为混合超声检测技术。有人使用激光产生超声波图像，并用压电空气耦合传感器检测缺陷信号;有人开发了混合窄带激光激励和气耦合检测超声波的检测系统，适合于在线过程控制应用;有人利用脉冲激光作为激励源，用电磁声传感器EMAT检测钢板的焊缝缺陷，可以实现非接触、快速检测;有人利用激光在材料表面激励表面波、纵波和剪切波，并用EMAT检测返回来的波，等等。
2.4配套开发和研制的检测设备和仪器已发展到数字式智能化时代，具备了综合性和测试结果分析、计算的功能，测试数据也由单纯的数理统计进入了信息处理，大部分已配置笔记本电脑和随机键盘，甚至简单到：\"只要轻轻一点，便可什么都管\"的傻瓜型。
当前，海上石油平台装备发展正处于一个转型期，由高能耗、高污染向绿色、可持续方向发展，因此，海上石油平台建造维修技术的提高比以往任何时候都更需要无损检测新技术。无损检测新技术正向智能化、自动化、图像化、数字化、小型化、系列化、多功能化、信息化和交叉领域前沿方向发展。
3. 无损检测技术在工程质量监督与安全保障中的作用
无损检测技术在工程中的应用已愈来愈广泛。无损检测技术的现场性、实用性、快速性特点，为工程质量监督与安全管理工作提供了先进的科学手段，在整个工程建设质量监控中，其作用亦愈加重要。
3.1无损检测技术是工程质量事故检测和处理的法定方法之一。按有关标准规定，对结构构件中的钢材强度进行推定，作为是否应进行处理的依据。\"
3.2 无损检测技术是工程质量预控和安全监管的有效手段。随着无损检测可靠性的提高，其检测结果非但是普遍使用的一种质量处理的依据，而且越来越多的工程已将其做为施工过程中的质量控制手段，使无损检测技术介入施工管理中，起到了预先监控的作用，从而更能有效地监控到施工过程的质量和安全行为。
3.3无损检测技术是工程评定和质量评估的重要依据。在以标准试块测定值为代表来评判工程质量的基础上，运用无损检测结果比较既可验证试块的真实性，也可反映出生产设施的真实质量和差异。在设计标准中已明确规定，新建工程设施必须抽取一定比例，进行强制性无损检测，并以此作为工程交工和验收的重要依据。
4. 无损检测技术对海上工程质量检测应用中的问题探讨与思考
作为油田建设工程质量控制、结构验收及安全监管的重要手段，无损检测技术肩负的责任很重，但其发展和应用水平仍有一定的差距。这里即有技术上的不足也有管理中的问题。
4.1 在技术上其测试和推定的准确度有待进步提高。例如运用超声综合法测定焊缝质量时，超声波速受外界湿度、温度的影响较大，往往对试块的测定值离异较大;随机提供的标准参数曲线不尽相同，故而也相对产生误差。二是受操作者的专业熟练程度影响，有人为误差等等。
4.2检测性能比较单一，综合质量鉴定有待于完善。随着新结构形式及混合结构的不断出现，在质量鉴定时，不但要推定出平台结构的质量状况，而且也涉及到如钢材质量、钢结构质量、工艺施工质量及其安装设备状况等，只有这样才能对全面、综合地对整个工程进行核定。
4.3近年来，由于利益驱动，不少民营检测单位，甚至无资质的征集队伍，也通过各种渠道渗入油田工程建设工程中来，给油田检测工作质量管理增添了难度，不规范的检测报告给海上工程的本质安全，也埋下了隐患。
5. 无损检测技术在海上工程质量监督与安全管理中的应用与发展
基于现阶段海上工程建设情况的特点，本着\"立足现有，发展高新，综合应用，不断开拓\"的原则，我个人认为，在海上工程质量监督与安全管理中，应充分发挥无损检测的特点，加大对其应用的频度，从而进一步加强对海上工程质量监督与安全管理的力度，保证海上工程的质量，使其发挥更大的经济效益。
5.1建立相应的海上工程监督与检测管理制度，明确无损检测在工程质量监督与安全管理中的应用地位。一是油田出台相应的无损检测工作标准，让检测工作得以规范化执行。二是确立在工程质量监督与安全管理中地位，无损检测是质量监督与安全管理的重要组成部分，监督与管理工作以检测数据为依据，依赖检测数据的真实性达到监督与管理的公正性。三是强化无损检测应用程序，对重要结构工程必须对100%的构件进行整体性无损现场检测，对一般工程可在质监同时进行10%以上的随机性单项抽测，并以此作为工程交工和验收的必备依据。
5.2健全相应的无损检测管理制度，为开展无损检测工作打下基础。检测是为工程质量监督与安全管理服务的，为了提高监督的科学性和公正性、权威性，就必须依靠检测这一科学手段。因此我个人认为各二级建设单位质监机构与安全管理部门均应高度重视无损检测业务，一方面统一委托具有资质的油田正规单位进行检测工作(如油田海检中心);另一方面也可对工程交工和验收检查进行内部监督。其人员组成要相对稳定，必须经过无损检测专业培训。#p#分页标题#e#
5.3加强无损检测理论与方法的研究，提高检测的准确度和实用性，为无损检测的发展奠定基础。鉴于无损检测技术的现状和科学检测技术的不断发展，搞好无损检测工作必须以大量事实检测案例来加以总结和论证。因此这一过程要求我们一要不断积累工作经验，二要与各科研和检测机构加强密切联系和协助，做到\"资源共享、信息互通\"，只有这样才能在不断总结的基础上，提高检测的准确度和实用性。
5.4 开发无损检测技术在海上工程质量其它方面的应用价值。如设施设备质量测试，平台、导管架的抗冲击强度测试，防护、保温的厚度测试，在用生产设施的质量状况和安全使用情况评估等。
总之，随着科技的发展和海上工程质量监督与安全管理要求，无损检测技术将愈来愈有更大的用武之地。
