超聲相控陣技術(shù)在鉆桿內(nèi)壁腐蝕檢測中的應(yīng)用

陳智發(fā)，曹燕亮

（汕頭市超聲儀器研究所有限公司，汕頭 515041）

鉆桿是鉆井平臺的重要組成部分，它在鉆井服役中受拉力和壓力作用，并承受彎曲扭轉(zhuǎn)載荷，鉆頭對巖石的沖擊會引起鉆桿的強烈振動［1］；同時，鉆桿還受到鉆井液等液體的腐蝕，容易在內(nèi)壁產(chǎn)生腐蝕坑，從而降低極限承載能力。鉆桿在使用前，若對腐蝕情況無法掌握，則有可能在使用過程中由于應(yīng)力集中的原因，造成刺穿、斷裂等事故，給鉆井生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟損失。據(jù)統(tǒng)計，石油鉆井在井下的失效事故中，腐蝕疲勞引起的鉆桿斷裂占了很大比例［2］。因此，有效地評估鉆桿腐蝕情況，減小事故發(fā)生并合理利用有缺陷的鉆桿，對提高鉆井的生產(chǎn)安全、降低鉆井成本至關(guān)重要。根據(jù)鉆桿腐蝕主要為體積型并分布于鉆桿內(nèi)表面的特點，確定利用超聲相控陣進行腐蝕檢測。

1 超聲相控陣檢測原理

超聲相控陣技術(shù)是基于惠更斯原理的一種超聲成像方法，其通過相位控制技術(shù)，控制陣列晶片實現(xiàn)有序工作來實現(xiàn)超聲波的偏轉(zhuǎn)和聚焦［3］。超聲相控陣使用的換能器有多個相互獨立的壓電晶片陣列，每個晶片稱為一個陣元。其按一定規(guī)則和時序控制接收陣元進行信號合成，再將合成結(jié)果以適當形式顯示，由此實現(xiàn)了超聲波聲束的動態(tài)聚焦［4］；即，利用具有一定相位差的激勵脈沖激發(fā)各陣元，陣元所發(fā)出的聲波在空間干涉后就形成一特定的指向性或聚焦特性。

相控陣檢測掃描方式有電子線掃和扇掃兩種。筆者采用電子線掃。電子線掃是以固定相位的激勵脈沖加載到固定個數(shù)的不同陣元上，實現(xiàn)沿探頭長度方向進行掃查的一種方式，如圖1（a）所示。采用電子線掃查技術(shù)，可以依次實現(xiàn)1～3、2～4、3～5、4～6、5～7各個陣元的發(fā)射和接收，一次循環(huán)完成便可得到一幀具有5條掃描線的相控陣圖像，即B型圖像。B型圖像顯示的是與聲束傳播方向平行的物體斷面的圖像，在斷面圖上可獲得缺陷的深度位置、水平位置以及用灰度（或顏色）表示的缺陷波高。通過對連讀多幀的B型圖像的處理，可以得到缺陷的俯視圖即C型圖像，如圖1（b）所示。

圖1 相控陣電子線掃和成像示意圖

2 試驗設(shè)備

使用汕頭市超聲儀器研究所生產(chǎn)的SUPOR－32P超聲成像檢測儀和配有弧形楔塊的128陣元相控陣探頭，結(jié)合專用的腐蝕檢測軟件包、鏈式管道二維掃查架和自動耦合裝置，對鉆桿的內(nèi)壁進行了腐蝕檢測。自動耦合裝置主體為加壓水泵，耦合劑采用水；其通過水泵加壓，在探頭楔塊與工件間形成一層水膜，實現(xiàn)良好耦合。超聲掃描采用電子線掃，成像采用A、B和深度C型相結(jié)合。整套系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 相控陣腐蝕檢測系統(tǒng)組成

超聲相控陣儀器運行腐蝕檢測軟件，完成超聲相控陣發(fā)射和接收，顯示和全程記錄檢測過程的所有數(shù)據(jù)。檢測采用0度線掃方式，陣元孔徑為32，聚焦點位置設(shè)置在工件厚度的3／4處。顯示方面，主要采用C掃描顯示，輔助A型和B型顯示方式。腐蝕檢測軟件界面采用向?qū)Х绞降脑O(shè)計，可完成檢測方案的設(shè)計和規(guī)劃，如檢測區(qū)域劃分、檢測數(shù)量設(shè)置、缺陷顯示方式、聚焦法則設(shè)置和探頭自動校準等工作。

帶弧形楔塊的128陣元相控陣探頭是整個檢測裝置的重要組成。探頭頻率為7.5MHz，晶片寬度為0.5mm，陣元個數(shù)為128個，排列方式為一維線陣。楔塊弧度與管道弧度相同，以保證檢測過程中的充分接觸。128陣元探頭除了能夠提高檢測精度外，還能夠盡可能地覆蓋檢測區(qū)域，提高檢測效率。

鏈式管道二維掃查架是專為管道檢測設(shè)計的具有雙軸編碼器的掃查架，編碼器精度可達到0.01mm，鏈式設(shè)計可使掃查架能夠適應(yīng)不同管徑的鉆桿檢測需求。檢測時，探頭固定在y軸方向，由掃查架帶動探頭完成檢測。

自動耦合裝置可在檢測過程中以自動方式提供水耦合劑，保證檢測過程楔塊與工件的耦合。

工作時啟動相控陣儀器的腐蝕檢測軟件并完成各類設(shè)置，超聲相控陣探頭在掃查架的帶動下繞鉆桿周向旋轉(zhuǎn)一周，完成后在掃查架帶動下沿鉆桿軸向移動并進行第二次周向檢測。如此反復(fù)，最終完成所有檢測區(qū)域的檢測，掃描過程中所有的數(shù)據(jù)被全部記錄在儀器中，便于后續(xù)分析和存檔。

3 檢測試塊與結(jié)果

3.1 試塊準備

為了驗證整套系統(tǒng)的有效性，筆者使用了三種不同的試塊進行測試。試塊1為長度約500mm的鉆桿接頭，結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。在管道內(nèi)部加厚過渡帶制作了兩種孔徑共12個不同深度的平底孔，用于驗證系統(tǒng)的靈敏度和分辨力，缺陷從右至左編為1～12號。其中6個直徑5mm孔，6個直徑3mm孔?？咨罘謩e是0.4，1，2，3.1，5.2，6.2mm。其中5mm孔中心間距為10mm，3mm孔中心間距為6mm。

試塊2為長度約250mm的鉆桿接頭加厚過渡帶管體，如圖3（b）所示。其內(nèi)部有自然腐蝕缺陷，用于驗證系統(tǒng)對于自然缺陷的識別能力。

試塊3是一段長度約1m的實物管體，尺寸如圖3（c）所示。在管體內(nèi)部加工了三種不同孔徑、不同深度的共18個平底孔，用于對整套系統(tǒng)的實用性進行測試和驗證。其包括6個直徑3mm孔，6個直徑5mm孔，6個直徑8mm孔?？咨罘謩e是0.4，1，2，3.1，4.2，5.2mm。

圖3 三種試塊的結(jié)構(gòu)示意

3.2 檢測結(jié)果

3.2.1 試塊1檢測結(jié)果

檢測中以手動方式將探頭與試塊進行耦合，采用時基方法，探頭沿管道外壁周向進行掃描。根據(jù)圖3（a）可知，缺陷距管道內(nèi)表面為0.4～6.2mm。管體為19.5～19.85mm。C掃描圖像顯示時，以不同的顏色表示不同深度的人工孔，將厚度10～20mm，以0.5mm為步進設(shè)置為20種顏色。當工件厚度大于19.5mm時全部以紅色（文中顯示為白色以外的深灰色）表示，小于10mm時全部以白色表示。

圖4為兩種不同孔徑缺陷的檢測圖。表1為人工加工尺寸與超聲相控陣儀器測量值的對比，其中1～6號缺陷的直徑為5mm，7～12號缺陷的直徑為3mm。

圖4 1～12號缺陷成像圖

表1 試塊1檢測結(jié)果

從圖4及表1可以看出：兩種孔徑、6種不同深度的12個人工缺陷均能夠檢測出，儀器測量結(jié)果與實際加工深度基本一致，誤差小于14%，說明儀器設(shè)置和探頭選擇對人工缺陷有足夠的檢測靈敏度和分辨力。但由于采用了時基掃描的方法，人工孔的形狀與實物形狀有一定偏差，可通過在實際使用時，加裝編碼器掃查的方式來解決。

3.2.2 試塊2檢測結(jié)果

試塊2仍以手工耦合，時基掃描的方式，探頭沿管道外壁周向進行檢測，C掃描圖的顏色設(shè)置與工件1的設(shè)置相同。由于試塊2紅色區(qū)域工件厚度為12mm左右，自然腐蝕區(qū)域處工件最薄厚度為9.5mm左右，因此檢測效果圖中自然腐蝕缺陷處主要顏色是灰色（10～11mm），而腐蝕最深處的顏色為白色（小于10mm）。圖5（b）為檢測效果圖，其中圓圈標記為腐蝕區(qū)域。從圖5中可以看出，實際檢測效果圖與實物圖較匹配，說明系統(tǒng)可以有效地識別自然腐蝕缺陷。

圖5 試塊2的缺陷實物與檢測成像圖

3.2.3 試塊3檢測結(jié)果

試塊3為鉆桿管體的一部分，管壁基本等厚，厚約9.0～10.0mm。為了便于觀察，將0.1～12.0mm以不等厚方式分為8個顏色分區(qū)，并設(shè)置了上下限顏色和異常數(shù)據(jù)顏色，如表2所示。試塊3的成像效果如圖6所示，圖中不同灰度代表不同顏色。圖6所示的是管體內(nèi)部孔徑為5，8mm缺陷的檢測結(jié)果，從結(jié)果可以看出：兩種孔徑、六種孔深的12個人工缺陷可以完全檢出，同時管體實際上也存在一定程度的不等厚以及內(nèi)部腐蝕。

與試塊1、2采用的手動耦合、時基檢測的方式不同，試塊3模擬實際檢測要求，采用圖1所示的整套設(shè)備進行檢測。自動耦合裝置提供水耦合劑，探頭由鏈式管道二維掃查架帶動行走，儀器全程記錄檢測結(jié)果。檢測結(jié)果也驗證了整套系統(tǒng)的有效性。

表2 分區(qū)厚度與顏色的對應(yīng)表

圖6 試塊3的缺陷檢測成像圖

4 結(jié)語

通過對鉆桿對比試塊和實際鉆桿的人工缺陷的超聲相控陣檢測試驗，證明了超聲相控陣技術(shù)對鉆桿內(nèi)壁腐蝕具有足夠的檢測靈敏度，分辨力及較好的檢測效果，證明了超聲相控陣技術(shù)整體檢測方案的可行性和有效性。

［1］巨西民.石油鉆桿內(nèi)加厚區(qū)超聲檢測評價方法和裝置［J］.無損檢測，1998，20（6）：164－167.

［2］莫潤陽，王公正.鉆桿內(nèi)壁腐蝕缺陷超聲檢測系統(tǒng)［J］.無損探傷，2011（5）：23－24.

［3］馮若.超聲診斷設(shè)備原理與設(shè)計［M］.北京：中國醫(yī)藥科技出版社，1993：357.

［4］黃晶，闕沛文，金建華.線形超生相控陣換能器的陣列設(shè)計［J］.傳感器技術(shù)，2004，23（1）：9－11.