基于超聲陣列的鉆桿接頭井口在線檢測(cè)研究

祁 杰，林 立，程騰飛，王 晗，郭樹(shù)霞（中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249）

基于超聲陣列的鉆桿接頭井口在線檢測(cè)研究

祁 杰，林 立，程騰飛，王 晗，郭樹(shù)霞
（中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249）①

利用超聲傳感器組成的陣列對(duì)鉆桿接頭同時(shí)進(jìn)行360°環(huán)向檢測(cè)，并與中國(guó)石油大學(xué)（北京）研發(fā)的漏磁探傷裝置進(jìn)行集成，組成一種可對(duì)鉆桿整體進(jìn)行井口在線檢測(cè)的新方法。通過(guò)A N S Y S軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，證明了超聲檢測(cè)鉆桿的可行性，在此基礎(chǔ)上提出了一種超聲波探頭陣列布置方案，設(shè)計(jì)了一種超聲波鉆桿接頭檢測(cè)裝置。將超聲檢測(cè)模塊與漏磁檢測(cè)模塊進(jìn)行虛擬裝配，提出并設(shè)計(jì)了一種鉆桿“復(fù)合探傷”檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)檢測(cè)鉆桿桿體和鉆桿接頭的目標(biāo)。

超聲檢測(cè)；數(shù)值模擬；陣列分布；虛擬裝配

中國(guó)石油大學(xué)（北京）的鉆桿在線漏磁檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入第四代工程樣機(jī)階段，達(dá)到了國(guó)家B級(jí)鉆桿檢測(cè)精度要求，能夠檢測(cè)出鉆桿上尺寸為3 m m以上的缺陷裂紋［1 2］。該設(shè)備雖能夠成功完成對(duì)鉆桿桿體的檢測(cè)，但缺點(diǎn)是無(wú)法檢測(cè)接頭部分。由于鉆桿接頭井口探傷目前沒(méi)有成熟技術(shù)，所以提出了一種基于超聲波與漏磁檢測(cè)相結(jié)合的“復(fù)合探傷”檢測(cè)方案［3 4］，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆桿桿體和鉆桿接頭同時(shí)檢測(cè)的目標(biāo)。

這種“復(fù)合探傷”的設(shè)想如圖1所示，檢測(cè)儀分為漏磁檢測(cè)和超聲檢測(cè)2大部分。漏磁檢測(cè)部分檢測(cè)鉆桿的桿體處，超聲檢測(cè)部分檢測(cè)鉆桿的接頭處。該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)鉆桿在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，在起鉆時(shí)即可完成對(duì)鉆桿整體探傷，比起以往將鉆桿送至管子站檢測(cè)，省去了運(yùn)輸環(huán)節(jié)，降低了成本。

能否利用超聲波檢測(cè)的方法檢測(cè)出鉆桿的缺陷是研究的首要問(wèn)題。其次，檢測(cè)儀的超聲波探頭圍繞鉆桿一圈均勻分布，使用多個(gè)探頭同時(shí)進(jìn)行探傷。由于超聲波在介質(zhì)中傳播會(huì)發(fā)生相互干涉現(xiàn)象，兩組超聲波信號(hào)同時(shí)在被檢測(cè)試件中傳播的過(guò)程中會(huì)發(fā)生相互干涉。缺陷將會(huì)同時(shí)影響兩組回波信號(hào)，這種相互干涉對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成的影響程度也是需要研究的問(wèn)題。本文通過(guò)ANSY S數(shù)值模擬的方法對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了分析，根據(jù)分析結(jié)果得出超聲波探頭的合理布置方案，從而設(shè)計(jì)出與漏磁檢測(cè)設(shè)備結(jié)合的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分。

圖1 在線鉆桿漏磁超聲復(fù)合檢測(cè)儀

1 超聲波數(shù)值模擬分析

ANSYS分析過(guò)程包含3個(gè)主要的步驟：前處理、加載并求解、后處理［5］。超聲波檢測(cè)的有限元模擬流程圖，如圖2所示。

圖2 有限元模擬流程

按照?qǐng)D2的步驟進(jìn)行數(shù)值模擬。其中，單元類型選擇PLANE182。在材料屬性方面，選用的材料為20號(hào)鋼，彈性模量為206G Pa，泊松比為0．3，密度為7 800 kg／m3。鉆桿接頭外徑為165．1 mm，內(nèi)徑為89．02 mm，壁厚為38．04 m m。根據(jù)國(guó)家B級(jí)鉆桿檢測(cè)精度的要求規(guī)定，需檢測(cè)出直徑3 mm的通孔，故將缺陷設(shè)置為直徑3 mm的圓孔。如圖3所示。

圖3 模型的缺陷設(shè)置

實(shí)體模型建立好后，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。試驗(yàn)中超聲波是沿著徑向傳播，所以徑向最大的單元長(zhǎng)度為L(zhǎng)max＝λ／8，其中波長(zhǎng)λ＝C／fc，C為超聲波在試件中的傳播速度，fc為超聲波的中心頻率。環(huán)向劃分的單元長(zhǎng)度由環(huán)向布置的探頭數(shù)量決定，一般環(huán)向劃分的分?jǐn)?shù)為探頭數(shù)量的2～3倍。

模擬過(guò)程采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，在模型外環(huán)上選擇任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)，加載瞬時(shí)位移來(lái)代替超聲波信號(hào)，同時(shí)選擇相鄰的節(jié)點(diǎn)作為接收回波信號(hào)節(jié)點(diǎn)。這樣可以得到任意時(shí)間下任意節(jié)點(diǎn)的位移量，并且能夠繪制一段時(shí)間內(nèi)位移變化曲線。

瞬時(shí)激勵(lì)信號(hào)采用正弦激勵(lì)信號(hào)時(shí)，經(jīng)過(guò)一段距離的傳播之后會(huì)發(fā)生頻散現(xiàn)象。本文選用漢寧窗調(diào)制多個(gè)單音頻疊加信號(hào)作為超聲波激勵(lì)信號(hào)［6 7］，表達(dá)式為

式中：n為選用的單音頻數(shù)目，取n＝5；fc為信號(hào)的中心頻率，fc＝2 500 000 s－1。

使用ANSYS里的函數(shù)編輯器生成的函數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 多個(gè)單音頻疊加信號(hào)曲線

按照以上步驟建立兩個(gè)分析模型，其中一個(gè)模型設(shè)置缺陷，另一個(gè)模型不設(shè)置缺陷。分別選擇節(jié)點(diǎn)加載激勵(lì)信號(hào)，并選擇與發(fā)射信號(hào)節(jié)點(diǎn)相鄰一個(gè)單位長(zhǎng)度的節(jié)點(diǎn)作為接收信號(hào)節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)計(jì)算之后得到無(wú)缺陷模型和有缺陷模型的回波信號(hào)曲線，如圖5所示。

圖5 單探頭激勵(lì)下回波信號(hào)曲線

由圖5可以看出，有缺陷的回波信號(hào)比無(wú)缺陷的回波信號(hào)要提前，并且周期變大、信號(hào)強(qiáng)度稍弱。理論上，超聲波在試件中傳播，遇到障礙（缺陷）之后會(huì)發(fā)生發(fā)射、散射和衍射現(xiàn)象。過(guò)早的發(fā)生發(fā)射將導(dǎo)致提前接收到回波信號(hào)，散射和衍射現(xiàn)象則會(huì)使信號(hào)周期變大和信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)?。以上的試?yàn)恰好證明其理論，說(shuō)明可以通過(guò)超聲波檢測(cè)的方法檢測(cè)鉆桿的缺陷。

2 多探頭檢測(cè)相互干涉分析

首先研究?jī)陕沸盘?hào)干涉對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。模擬時(shí)，模型建立與上一節(jié)流程相同，不同的是要選擇2個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)施加相同的載荷。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)之間的夾角為15°時(shí)，施加載荷后的模型如圖6所示。發(fā)射信號(hào)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號(hào)為1和22，對(duì)應(yīng)的接收節(jié)點(diǎn)號(hào)為3和23。

圖6 施加2個(gè)成15°夾角載荷后的模型

同時(shí)沿著徑向施加載荷，經(jīng)過(guò)計(jì)算之后，圖7a和圖7b分別是3號(hào)節(jié)點(diǎn)和23號(hào)節(jié)點(diǎn)回波信號(hào)的數(shù)值結(jié)果。

圖7 施加2個(gè)成15°夾角載荷后回波信號(hào)曲線

圖7中，接收信號(hào)第1波段和第2波段分別為1號(hào)節(jié)點(diǎn)和22節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)，因?yàn)榻邮展?jié)點(diǎn)和發(fā)射節(jié)點(diǎn)相鄰，第1波段基本與發(fā)射信號(hào)一致，第2波段則比第1波段稍弱一些。后面的波段為反射回波，3號(hào)節(jié)點(diǎn)反射回波信號(hào)比23號(hào)節(jié)點(diǎn)的周期變長(zhǎng)、強(qiáng)度稍弱，同時(shí)缺陷與3號(hào)節(jié)點(diǎn)在同一徑向上，正好可以驗(yàn)證了上一節(jié)中講述的遇到缺陷之后信號(hào)的變化。23號(hào)節(jié)點(diǎn)反射回波后面也摻雜了些許由缺陷造成的信號(hào)，但是信號(hào)特別微弱，對(duì)檢測(cè)不能造成影響。

之后將兩路信號(hào)夾角依次變化為45°、90°和180°進(jìn)行模擬分析。模擬結(jié)果與上面相同。數(shù)值結(jié)果表明，2個(gè)信號(hào)之間雖然相互干涉，但是對(duì)檢測(cè)結(jié)果并不構(gòu)成影響，能夠較為清楚的發(fā)現(xiàn)缺陷，并且根據(jù)回波信號(hào)能夠判斷缺陷的位置。

緊接著將2路信號(hào)激勵(lì)增至多路信號(hào)激勵(lì)，但激勵(lì)信號(hào)越多，計(jì)算量將越大，考慮到計(jì)算機(jī)資源有限以及為了避免重復(fù)計(jì)算，本文選用3組激勵(lì)信號(hào)計(jì)算分析它們之間的干涉對(duì)結(jié)果的影響。與上面研究路線一樣，使激勵(lì)信號(hào)之間成不同的角度進(jìn)行模擬分析。

當(dāng)激勵(lì)信號(hào)之間的夾角為15°時(shí)，施加載荷后的模型如圖8所示。

圖8 施加三個(gè)成15°夾角載荷后的模型

圖8中由上至下的節(jié)點(diǎn)號(hào)分別為22、1、461。將相同的超聲波激勵(lì)信號(hào)同時(shí)加載在這三個(gè)節(jié)點(diǎn)上，選擇它們相鄰一個(gè)單位長(zhǎng)度的節(jié)點(diǎn)作為接收信號(hào)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)號(hào)依次為23、3、462。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析之后，分別得到3組接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)間歷程后處理數(shù)值模擬曲線，如圖9所示。

圖9 施加3個(gè)成15°夾角載荷后回波信號(hào)曲線

3組結(jié)果顯示，23號(hào)節(jié)點(diǎn)與462號(hào)節(jié)點(diǎn)上的回波信號(hào)曲線基本一致，和雙探頭模擬結(jié)果類似，不同的地方是多了一個(gè)波段。就23號(hào)節(jié)點(diǎn)信號(hào)曲線而言，第1波段是22號(hào)節(jié)點(diǎn)上的發(fā)射信號(hào)，第2波段和第3波段分別是1號(hào)節(jié)點(diǎn)和461號(hào)節(jié)點(diǎn)上的發(fā)射信號(hào)，這些波段在電路系統(tǒng)中會(huì)受到限幅電路的限制，因此在數(shù)據(jù)采集過(guò)程之中不會(huì)接收到這些波段。緊接著就是超聲波在鉆桿內(nèi)壁的反射回波，由圖可知，反射回波信號(hào)除了強(qiáng)度變?nèi)踔猓渌膮?shù)基本與發(fā)射信號(hào)一致，則說(shuō)明該處沒(méi)有缺陷。3號(hào)節(jié)點(diǎn)信號(hào)曲線與前兩個(gè)曲線大不相同，較為明顯的是少了一個(gè)波段，原因是22號(hào)節(jié)點(diǎn)和461號(hào)節(jié)點(diǎn)上的發(fā)射信號(hào)同時(shí)傳播到3號(hào)節(jié)點(diǎn)處，并且相互疊加，強(qiáng)度變大。之后的波段與上一節(jié)中模擬結(jié)果相同，周期變長(zhǎng)、強(qiáng)度稍弱正是由于缺陷所導(dǎo)致。所以，這3組信號(hào)之間干涉沒(méi)有影響到檢測(cè)結(jié)果。

之后將激勵(lì)信號(hào)夾角設(shè)為60°和120°。與雙探頭同時(shí)檢測(cè)結(jié)論一致，信號(hào)之間會(huì)發(fā)生相互干涉，會(huì)導(dǎo)致一些信號(hào)的的疊加或者產(chǎn)生多余的信號(hào)（這些信號(hào)會(huì)在之后的信號(hào)調(diào)理過(guò)程中被過(guò)濾去除），但信號(hào)中缺陷信號(hào)的特征很明顯，能夠較為清晰地被發(fā)現(xiàn)。在所有的探頭中，只有距離缺陷最近的探頭接收的回波信號(hào)中顯示缺陷信號(hào)特征。

綜上所述，超聲波在鉆桿中傳播的相互干涉對(duì)檢測(cè)結(jié)果不構(gòu)成影響，有力證明了可以使用超聲波檢測(cè)的方法檢測(cè)缺陷并且能達(dá)到良好的檢測(cè)效果。

3 探頭陣列分布

超聲波在鉆桿中傳播的相互干涉對(duì)檢測(cè)結(jié)果不構(gòu)成影響，故可以將探頭圍繞鉆桿一圈陣列分布。本文中檢測(cè)的鉆桿接頭處的外徑為0．165 1 m，探頭的外徑為0．022 m，經(jīng)過(guò)計(jì)算圍繞鉆桿一圈可以放置25個(gè)探頭，考慮其對(duì)稱，選取24個(gè)探頭。

分別設(shè)計(jì)了2種探頭的陣列方案，一種是單探頭繞鉆桿均勻分布陣列方案，另一種是3探頭集成后繞鉆桿均勻陣列分布。2種探頭陣列方案見(jiàn)圖10。

圖10 探頭陣列方案

2種方案都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

單探頭分布方案中，探頭的獨(dú)立性很強(qiáng)，單個(gè)探頭自成一套系統(tǒng)，相互之間獨(dú)立，使得每個(gè)探頭都能與鉆桿保持良好的接觸，但也因其獨(dú)立系統(tǒng)繁多而使機(jī)構(gòu)變得復(fù)雜，零件數(shù)目龐大，相互之間間距很小，容易造成空間上的混搭。

3探頭集成分布方案，則降低了探頭的獨(dú)立性，3探頭成一系統(tǒng)，共同進(jìn)退，但有泥漿作為中間介質(zhì)填補(bǔ)了接觸上的缺陷，而且集成分布方案精簡(jiǎn)了機(jī)構(gòu)，使零件數(shù)與單探頭分布相比成倍的減少，裝配起來(lái)更加便利，本文選用3探頭集成分布方案。

4 整體結(jié)構(gòu)

利用平行四邊形機(jī)構(gòu)的平動(dòng)特性，以“蕩秋千”為思路設(shè)計(jì)系統(tǒng)的擺動(dòng)方案，鉆桿超聲波檢測(cè)裝置主要包括探頭懸掛隔板、連桿、法蘭式超聲探頭、探頭夾持裝置及彈簧導(dǎo)桿。探頭懸掛隔板主要有兩個(gè)作用，第1個(gè)作用是懸掛超聲夾持裝置，使通過(guò)連桿聯(lián)接的超聲夾持裝置在遭受提鉆沖擊時(shí)有一個(gè)緩沖過(guò)程，減少提鉆沖擊對(duì)探頭造成的硬性損傷；第2個(gè)作用是防止布置在上面的漏磁氣動(dòng)除泥裝置對(duì)超聲探頭夾持裝置造成污染。連桿的作用是連接探頭夾持裝置和探頭懸掛隔板。法蘭式超聲探頭是檢測(cè)鉆桿接頭缺陷的核心裝置，在其尾部安裝小型減震彈簧，減少鉆桿對(duì)探頭的提鉆沖擊，保護(hù)超聲探頭。沿鉆桿接頭周圍布置8個(gè)柔性探頭夾持裝置，可實(shí)現(xiàn)鉆桿接頭缺陷全覆蓋無(wú)漏檢。彈簧導(dǎo)桿和法蘭式超聲探頭的彈簧具有相同的作用，都是用來(lái)緩和提鉆過(guò)程中鉆桿對(duì)超聲探頭造成的硬性沖擊，復(fù)位超聲夾持裝置。圖11為鉆桿超聲波檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)圖［8］。

圖11 鉆桿超聲檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

將鉆桿超聲檢測(cè)裝置與鉆桿漏磁檢測(cè)裝置無(wú)縫結(jié)合，圖12為漏磁超聲在線檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖，上面為漏磁檢測(cè)部分，中間的為超聲檢測(cè)部分，下面的是滑軌。

圖12 漏磁超聲在線檢測(cè)裝置

檢測(cè)的流程為：首先將檢測(cè)裝置運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)鉆井平臺(tái)提升系統(tǒng)將檢測(cè)裝置放在井口。起鉆前將井口滑軌置于轉(zhuǎn)盤(pán)上方，調(diào)整好位置并旋緊井口滑軌上的磁性吸座，起到固定作用，避免在提鉆時(shí)將檢測(cè)裝置提離平臺(tái)。然后通過(guò)遙控器控制輔助小車前進(jìn)至井口處，通過(guò)遙控器控制箱體內(nèi)的電磁控制閥控制張合機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)氣缸打開(kāi)檢測(cè)設(shè)備，將輔助小車移動(dòng)到鉆桿中心，然后閉合設(shè)備。設(shè)備內(nèi)的超聲檢測(cè)裝置由于柔性結(jié)構(gòu)彈簧的伸縮設(shè)計(jì)，會(huì)使超聲探頭緊緊環(huán)抱被檢鉆桿表面，提鉆時(shí)數(shù)據(jù)采集卡會(huì)將提鉆時(shí)采集的數(shù)據(jù)直接輸入到遠(yuǎn)程控制器中由計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)處理并顯示缺陷檢測(cè)結(jié)果。

5 結(jié)論

1） 通過(guò)比對(duì)超聲波在有缺陷和無(wú)缺陷模型中的回波信號(hào)，證明可以通過(guò)超聲檢測(cè)的方法檢測(cè)鉆桿的缺陷。添加多路信號(hào)源的模擬結(jié)果表明超聲波在鉆桿傳播過(guò)程中的相互干涉對(duì)檢測(cè)結(jié)果不會(huì)構(gòu)成影響，驗(yàn)證了超聲波鉆桿接頭檢測(cè)方案的可行性。

2） 完成了超聲波探頭圍繞鉆桿的陣列組合計(jì)算。依次設(shè)計(jì)了探頭懸掛隔板、連桿、法蘭式超聲探頭、探頭夾持裝置及彈簧導(dǎo)桿等。提出了超聲波鉆桿接頭檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，同試驗(yàn)室現(xiàn)有在線鉆桿漏磁檢測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)縫裝配、功能互補(bǔ)，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆桿的桿體和鉆桿接頭同時(shí)檢測(cè)的目標(biāo)。為今后繼續(xù)深入研究在線鉆桿漏磁超聲復(fù)合檢測(cè)儀提供技術(shù)支撐。

［1］ 馬義來(lái)，林立，謝新安，等．鉆桿在線漏磁檢測(cè)系統(tǒng)［J］．石油機(jī)械，2012（12）：30 33．

［2］ 蔣開(kāi)文，林立，馬義來(lái)，等．鉆桿在線漏磁探傷系統(tǒng)探頭靜磁力的數(shù)值模擬［J］．石油機(jī)械，2013（11）：32 35．

［3］ 王曉華，曾鳴，王文明，等．基于連續(xù)油管的超聲波管道檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（12）：51 54．

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Weiihead Oniine Testing Research of Driii Pipe Joints Based on the Principie of Uitrasonic Array

QI Jie，LIN Li，CHENG Tengfei，WANG Han，GUO Shuxia
（College of Mechanical and Transportation Engineering；China Universitu of Petroleu m，Beijing102249，China）

Flaw detection idea of this paper is to detect tooljoints 360 degree by an array of ultra sonic sensors，and to integrate with the magnetic flux leakage inspection apparatus developed by China U niversity of Petroleum（Beijing），eventually to find a new method of wellhead which can detect the overall drill online at the wellhead．First of all，the ANSYS software was used for nu merical sim ulation to dem onstrated the feasibility of ultrasonic drill testing，and on this basis pro posed an ultrasonic probe array layout scheme，an ultrasonic drill pipe joints detection device was designed．Finally，with the virtual assem bly of the ultrasonic detection m odule and magnetic flux leakage testing m odule，a“co m plex flaw”detection device for drill was proposed and designed to a chieve a sim ultaneous detection purposes of the drill rod body and joints．

ultrasonic testing；nu merical sim ulation；array distribution；virtual assem bly

T E921．2

A

10．3969／j．issn．1001 3842．2015．06．015

1001 3482（2015）06 0063 06

①2014 11 22

祁杰（1989 ），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要從事機(jī)電一體化研究，Email：qijie913＠163．com。