采油樹閥門的超聲相控陣檢測(cè)

朱祥軍,張祥來,張志東

(中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院,德陽(yáng)618300)

采油樹閥門的超聲相控陣檢測(cè)

朱祥軍,張祥來,張志東

(中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院,德陽(yáng)618300)

通過對(duì)不同類型和部位的人工缺陷進(jìn)行檢測(cè),并對(duì)相控陣檢測(cè)方法不斷改進(jìn),分析出超聲相控陣檢測(cè)采油樹閥門的方法和檢測(cè)時(shí)相控陣設(shè)備的具體參數(shù)設(shè)置,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。結(jié)果表明,超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)出采油樹閥門缺陷,為超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在采油樹缺陷檢測(cè)上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

采油樹;閥門;超聲相控陣

井口采油樹是石油天然氣開采過程中使用的核心設(shè)備之一,是用于油氣井的氣體控制,為油氣井產(chǎn)出提供出入口的采輸裝置。目前,國(guó)內(nèi)外井口采油樹運(yùn)維技術(shù)仍處于返場(chǎng)拆檢、換件維修、靜態(tài)無損檢測(cè)、功能試驗(yàn)及靜水壓試驗(yàn)階段。檢修方面僅能依據(jù)API Spec 6 A－2010《井口裝置和采油樹設(shè)備規(guī)范》和GB/T 22513－2013《井口裝置和采油樹規(guī)范》等產(chǎn)品制造規(guī)范。在不停產(chǎn)的情況下,從外部進(jìn)行檢測(cè)的常規(guī)技術(shù)有:磁粉檢測(cè)(MT)、滲透檢測(cè)(PT)、超聲檢測(cè)(UT)、聲發(fā)射檢測(cè)(AE)、射線檢測(cè)(RT)、磁記憶檢測(cè)(MMM)以及電磁檢測(cè)等。在不停產(chǎn)的情況下,采油樹所在區(qū)域不能動(dòng)電、動(dòng)火,因此無法對(duì)其進(jìn)行打磨,因而常規(guī)檢測(cè)技術(shù)無法得到預(yù)期的檢測(cè)效果,因此都無法應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)相比常規(guī)無損檢測(cè)技術(shù)有突破性的進(jìn)展,特別是對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜試件的檢測(cè)有較好的效果。該系統(tǒng)是由多個(gè)相互獨(dú)立的陣元晶片按一定的順序排布成陣列換能器,通過電子系統(tǒng)對(duì)陣列換能器中陣元的相位進(jìn)行控制,形成合成波束,具有電子掃描、動(dòng)態(tài)聚焦、聲束偏轉(zhuǎn)、三維成像等特點(diǎn),與常規(guī)超聲波檢測(cè)技術(shù)相比,具有更高的分辨力和檢測(cè)靈敏度[1－3]。筆者通過對(duì)不同類型和部位的人工缺陷進(jìn)行檢測(cè),分析出超聲相控陣檢測(cè)采油樹閥門的方法和檢測(cè)時(shí)相控陣設(shè)備的具體參數(shù)設(shè)置。

1 采油樹的檢測(cè)方法

采油樹的失效部位主要集中在閥門位置[4－5],而閥門失效主要在3個(gè)區(qū)域:第一個(gè)是內(nèi)表面,主要是內(nèi)部與介質(zhì)有接觸的部位,具體為閥門兩端與法蘭之間管體內(nèi)部;第二個(gè)是法蘭密封面,主要是鋼圈槽以內(nèi)部分,鋼圈槽以外的部分接觸介質(zhì)較少,不容易發(fā)生腐蝕;第三個(gè)是外表面,外表面主要是由于雨水、風(fēng)沙等環(huán)境原因會(huì)引起腐蝕、沖蝕。典型的閥門結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 典型的閥門結(jié)構(gòu)示意

由圖1可以看出,由于閥門結(jié)構(gòu)復(fù)雜,又不是規(guī)則的整體,存在鋼圈槽、法蘭面、通孔等結(jié)構(gòu),常規(guī)的超聲波檢測(cè)或TOFD都無法進(jìn)行有效的檢測(cè);由于現(xiàn)場(chǎng)不允許打磨,所有的表面檢測(cè)手段都不能滿足檢測(cè)要求;磁記憶檢測(cè)對(duì)復(fù)雜件無法定位和定性,也不能應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。

超聲相控陣檢測(cè)原理與常規(guī)超聲類似,但超聲相控陣扇形掃查是通過控制角度使其產(chǎn)生固定的陣列孔徑和偏轉(zhuǎn),而常規(guī)超聲只能產(chǎn)生某一個(gè)固定角度的聲束。相控陣扇形掃查由一系列不同角度的A掃查組合而成。只要控制好扇形掃查的起始和終止角度,以及角度步進(jìn),就可形成扇掃圖像。每個(gè)扇形掃查具有的A掃查數(shù)的表達(dá)式如下:

式中:Anum為A掃查數(shù);θmin為扇形掃查的起始角度;θmax為扇形掃查的終止角度;α為角度步進(jìn)。

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦、扇形掃查和三維成像。并且可以根據(jù)被檢試件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和檢測(cè)需要,選擇不同的探頭、設(shè)計(jì)不同的聲束掃查方案,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜試件的檢測(cè)。

2 試塊加工設(shè)計(jì)

2.1 局部缺陷試塊

根據(jù)65-70(通徑為65 mm,壓力為70 MPa)閥門的尺寸專門加工了一塊具有法蘭面的試塊,該試塊共有6個(gè)人工缺陷,在鋼圈槽內(nèi)加工深度2 mm、直徑3 mm平底孔,深度5 mm、直徑3 mm平底孔和深2 mm、寬2 mm、長(zhǎng)10 mm刻槽,并在鋼圈槽下表面留下3個(gè)長(zhǎng)10 mm,深分別為2,5,9 mm的缺口,試塊一結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 試塊一結(jié)構(gòu)示意

2.2 含缺陷閥門試塊

研究對(duì)象是一只65-35的閥門,其中一個(gè)法蘭面保持不變,另一個(gè)面上制作了8個(gè)人工缺陷,分別是2個(gè)φ1 mm鉆孔、3個(gè)φ2 mm鉆孔、1個(gè)脫落、1個(gè)劃痕、1個(gè)凹坑。含缺陷閥門試塊二示意如圖3所示。

圖3 含缺陷閥門試塊二結(jié)構(gòu)示意

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證試塊

在閥門的法蘭面加工缺陷,驗(yàn)證超聲相控陣技術(shù)的準(zhǔn)確性,附帶對(duì)閥門的內(nèi)表面和閥門兩側(cè)頸部?jī)?nèi)表面缺陷進(jìn)行了研究,加工缺陷共19個(gè),其中閥體內(nèi)部4個(gè),法蘭面8個(gè),頸部7個(gè)。為了驗(yàn)證準(zhǔn)確性,將一個(gè)完整的閥門對(duì)半分開,一半不變,另一半加工缺陷,試塊外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖4,5所示。

圖4 試塊三閥體內(nèi)缺陷尺寸

圖5 驗(yàn)證試塊三內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

3 檢測(cè)試驗(yàn)及分析

3.1 檢測(cè)系統(tǒng)

采用以色列SONOTRON NDT公司生產(chǎn)的ISONIC 2010儀器進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。相控陣線性陣列換能器中心頻率4 MHz,晶片數(shù)量16個(gè),晶片單元寬度0.5 mm,晶片高度9 mm,檢測(cè)采用16發(fā)16收模式,檢測(cè)前使用半圓試塊做角度增益補(bǔ)償。

3.2 試塊一試驗(yàn)及分析

對(duì)試塊一的6個(gè)缺陷分別進(jìn)行檢測(cè),所有缺陷均被識(shí)別出來,試塊一檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 試塊一檢測(cè)結(jié)果示意

3.3 試塊二試驗(yàn)及分析

對(duì)試塊二進(jìn)行試驗(yàn),通過對(duì)比以及反復(fù)驗(yàn)證,1, 3,5,8號(hào)缺陷(鉆孔)能檢出,2號(hào)缺陷(脫落)、6號(hào)缺陷(劃痕)能檢出,4號(hào)缺陷(凹坑)、7號(hào)缺陷(鉆孔)無法檢出。研究人員分析4號(hào)缺陷由于沒有反射面,無法接收反射波;7號(hào)缺陷由于結(jié)構(gòu)原因?qū)е轮虚g存在空氣,聲波無法及時(shí)到達(dá)缺陷處。試塊二試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

3.4 驗(yàn)證試驗(yàn)及分析

根據(jù)上面兩個(gè)試塊的檢測(cè)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)對(duì)閥門不同部位、不同類型的缺陷,必須對(duì)檢測(cè)參數(shù)如:入射角、聲速、增益、低頻、高頻等不斷調(diào)整,才能得到較好檢測(cè)結(jié)果。

為了驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論,對(duì)第三塊試塊進(jìn)行檢測(cè)。先直接對(duì)閥門法蘭面進(jìn)行100%檢測(cè),發(fā)現(xiàn)缺陷信號(hào)后再反過來查看是否存在缺陷的方式進(jìn)行。試驗(yàn)驗(yàn)證中,法蘭面8個(gè)缺陷共有4個(gè)缺陷被發(fā)現(xiàn),法蘭部位孔型缺陷檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖7 試塊二試驗(yàn)結(jié)果

圖8 法蘭部位孔型缺陷檢測(cè)示意

另外4個(gè)缺陷沒有檢出,分別是小直徑的孔型缺陷和劃痕,還有一條磨損帶,如圖9所示。經(jīng)反復(fù)分析,最后認(rèn)為,有的缺陷是由于加工尺寸太小,已經(jīng)超過檢測(cè)設(shè)備的精度,所以無法識(shí)別;有的缺陷是由于所處位置在鋼圈槽內(nèi),人工缺陷產(chǎn)生回波與工件結(jié)構(gòu)回波重疊,無法識(shí)別。

圖9 未發(fā)現(xiàn)的缺陷示意

此外,對(duì)頸部和閥體也同樣采用不斷調(diào)整參數(shù)的方式進(jìn)行100%檢測(cè),所有11個(gè)缺陷均被準(zhǔn)確檢測(cè)出,檢測(cè)結(jié)果如圖10,11所示。

3.5 帶涂層檢測(cè)

對(duì)打磨前和打磨后閥門的同樣部位進(jìn)行檢測(cè),對(duì)比檢測(cè)結(jié)果。由于閥門是左右對(duì)稱結(jié)構(gòu),因此在試塊二和試塊三的閥體中心位置分別加工一個(gè)φ2 mm,深2 mm的孔缺陷。在閥體表面上,左邊打磨干凈,右邊涂油漆層。利用涂層測(cè)厚儀對(duì)不同廠家、不同型號(hào)的閥門測(cè)量涂層厚度,結(jié)合生產(chǎn)廠家提供的資料,閥門表面的油漆厚度一般為0.10～0.18 mm。因此從涂層厚度為0.1 mm開始進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比,然后不斷增加噴涂次數(shù)以增加涂層厚度,直至0.2 mm。沒有油漆層一面為A,有油漆層一面為B,對(duì)比A、B兩面檢測(cè)同一缺陷的dB值,并記錄dB差。有無涂層相控陣試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表1所示。

圖11 閥體檢測(cè)結(jié)果

表1 有無涂層相控陣試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

結(jié)果顯示,對(duì)涂上油漆后的閥門進(jìn)行相控陣檢測(cè),依然能夠接收到完整的反射波,與沒有油漆層相比靈敏度相差最大為0.4 dB?？梢员砻?現(xiàn)有的閥門油漆層對(duì)相控陣檢測(cè)不會(huì)造成影響。

4 結(jié)論

(1)利用相控陣技術(shù)對(duì)閥門的法蘭面進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)缺陷包括凹坑和腐蝕面,對(duì)頸部?jī)?nèi)表面的腐蝕坑、腐蝕面以及閥體內(nèi)部的腐蝕坑都能很好地識(shí)別出來。

(2)檢測(cè)精度可以達(dá)到識(shí)別1 mm寬的缺陷。

(3)利用不同的傳感器及楔塊,通過不斷調(diào)整聲波入射角和檢測(cè)寬度可以識(shí)別不同位置和類型的缺陷。

(4)根據(jù)不同位置,必須采用不同的檢測(cè)參數(shù)才能有效地檢測(cè)出缺陷。

(5)閥門法蘭面的鋼圈槽及以外部分的缺陷無法檢測(cè)到。

(6)利用相控陣技術(shù)可以對(duì)有油漆層的采油樹進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性和沒有油漆層的一致。

[1] SATYANARAYAN L, SRIDHAR C, KRISHNAMURTHY C V,et al.Simulation of ultrasonic phased array technique for imaging and sizing of defects using longitudinal waves[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2007,84:716-729.

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The Ultrasonic Phased Array Detection of Christmas Tree Valve

ZHU Xiang-jun,ZHANG Xiang-lai,ZHANG Zhi-dong
(Safety Environment Quality Surveillance and Inspection Research Institute of CNPC Chuanqing Drilling&Exploration Co.,Ltd.,Deyang 618300,China)

The Christmas tree equipment is one of the key equipments in the process of oil and natural gas production,but a lot of trees are rarely maintained and inspected once put into use,this will have a very big security risk.So,it is necessary to detect without stop production,but the current standard and conventional detection methods can not meet the need.We find out the technology about inspecting Christmas tree with ultrasonic-phasedarray and find out the specific parameter setting,and its accuracy is verified by experiment through studing of the artificial defects,and simulating various types of the defects possibly and in different parts of the defects,and through continuous improvement and debug.The study in this work shows the advantages of the ultrasonic-phasedarrays inspection technique,providing a foundation for the engineering application of using ultrasonic-phased-arrays inspection technique to detect the Christmas tree equipment.

Christmas tree equipment;Valve;Ultrasonic phased array

TG115.28

:A

:1000-6656(2017)01-0005-05

10.11973/wsjc201701002

2016-04-07

朱祥軍(1978－),男,本科,高級(jí)工程師,主要從事無損檢測(cè)及研究工作。

朱祥軍,E-mail:35653934＠qq.com。