壓裂管匯無損檢測方法改進(jìn)

(中石化西南石油工程有限公司，四川 德陽 618000)

高壓管匯廣泛用于油氣行業(yè)中，例如鉆井、固井、壓裂、酸化、試油氣等。鉆井、固井高壓管匯的工作壓力一般低于70 MPa，而壓裂酸化、試油氣管匯的工作壓力通常在70 MPa以上。隨著勘探開發(fā)向深層、超深層邁進(jìn)，以及頁巖氣勘探開發(fā)的深入，壓裂酸化、試油氣高壓管匯承受的工作壓力逐步升高、持續(xù)承受高壓時間也更長。目前，最高工作壓力接近140 MPa，不間斷工作時間超過8 h。在這種情況下，壓裂管匯容易產(chǎn)生沖蝕缺陷、腐蝕缺陷和疲勞缺陷，容易造成管道壁厚變薄或產(chǎn)生裂紋，存在刺漏、爆管等安全隱患，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故發(fā)生[1-6]，延誤工期，并可能造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損。

據(jù)不完全統(tǒng)計，2014年以來，四川及周邊區(qū)塊在壓裂測試過程中共出現(xiàn)高壓管線刺漏800余次、高壓管件爆裂40余次。這些管線刺漏、爆裂管匯在使用前均按石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6270進(jìn)行了VT、測厚、MT和靜水壓壓力檢測，均在檢測周期內(nèi)，但均未能防止事故的發(fā)生。此外，在實(shí)際施工作業(yè)中發(fā)現(xiàn)了多個不屬于SY/T 6270規(guī)定檢測部位的缺陷。

由于壓裂管匯的特殊性，準(zhǔn)確完成其無損檢測，對保障施工順利和安全具有重要意義[7-10]，有必要探索、完善壓裂管匯件檢測方法。

1 現(xiàn)有壓裂管匯件無損檢測方法及存在問題

1.1 現(xiàn)用壓裂管匯件主要無損檢測方法適應(yīng)性分析

根據(jù)SY/T 6270—2017《石油天然氣鉆采設(shè)備固井、壓裂管匯的使用與維護(hù)》規(guī)定，壓裂管匯件檢測方法主要有磁粉檢測、滲透檢測、超聲波測厚檢測和靜水壓壓力檢測，這些檢測方法各有特點(diǎn)和適應(yīng)性。

1.1.1 磁粉檢測

磁粉檢測技術(shù)是無損探傷技術(shù)中非常典型的代表，它能夠在不損傷磁性工件的條件下，對設(shè)備的表面或近表面進(jìn)行檢測，以判斷設(shè)備能否滿足設(shè)計強(qiáng)度要求。由于壓裂管匯件為高壓承壓設(shè)備，因此不允許出現(xiàn)長寬比大于3或長度0.5 mm的線性磁痕，且同一直線上間距不大于2 mm時，按同一磁痕處理。該方法主要用于檢測表面和近表面缺陷，對于內(nèi)部缺陷的檢測，需采用射線檢測或超聲檢測。

1.1.2 超聲波測厚檢測

超聲波測厚儀是根據(jù)超聲波脈沖反射原理來進(jìn)行厚度測量的。在壓裂管匯件檢測工作中，通過檢測工件的各點(diǎn)數(shù)據(jù)，選擇其最小數(shù)據(jù)與極限值進(jìn)行對比，確定是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.1.3 靜水壓壓力檢測

進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)的主要目的是為了測試壓裂管匯能否在承受工作壓力下仍然保持其良好的密封性，并且保證管匯有足夠的強(qiáng)度繼續(xù)工作。密封性能檢測是將檢測壓力設(shè)為標(biāo)稱壓力，強(qiáng)度性能檢測是將檢測壓力設(shè)為標(biāo)稱壓力的1.5倍。

1.1.4 射線檢測

射線檢測可以通過底片準(zhǔn)確地區(qū)分缺陷的性質(zhì)并評級，但膠片等器材費(fèi)用較高，檢驗(yàn)速度較慢；不適合鍛件，壓延件，分層裂紋的探傷，只宜探查氣孔、夾渣、縮孔、疏松等體積型缺陷，對裂紋類型缺陷有方向性的限制，不易發(fā)現(xiàn)間隙很小的裂紋和未熔合等缺陷，以及鍛件和管、棒等型材的內(nèi)部分層性缺陷。射線對人體有害，需要采取嚴(yán)格的防護(hù)措施[11-13]。由于壓裂管匯件均為鍛壓件，因此，實(shí)際壓裂管匯件檢測中并未采用該方法。

1.1.5 超聲波常規(guī)檢測

超聲檢測技術(shù)主要用于特種設(shè)備面積型缺陷檢測，不僅擁有較高的準(zhǔn)確率，更能夠?qū)^厚的工件進(jìn)行檢測。但對粗糙、形狀不規(guī)則，小、薄或非均質(zhì)材料難以檢查，在進(jìn)行管件檢測時，單晶片超聲波探頭在折射角為71.6°易出現(xiàn)表面波和雜波、聲壓不成線性關(guān)系，不能按探頭的線性進(jìn)行顯示和定量，表面波和雜波影響對探傷波的判斷或造成漏檢，造成小管徑缺陷檢出率較低[5,10]。所以，在實(shí)際壓裂管匯件檢測作業(yè)中，極少采用該方法進(jìn)行檢測。

1.2 常用壓裂管匯件無損檢測存在問題分析

1.2.1 壓裂管匯件常規(guī)無損檢測方法存在的問題

基于現(xiàn)場實(shí)踐和上述分析可見，壓裂管匯件常用無損檢測方法中僅磁粉和超聲檢測能檢出缺陷，限于檢測技術(shù)適用性的原因，現(xiàn)場極少采用超聲檢測，而磁粉檢測只能檢出表面或淺表面缺陷。油田施工用壓裂管匯件是一種典型的小管件，其內(nèi)徑最大為105 mm，現(xiàn)有的磁粉檢測儀器無法對壓裂管匯件內(nèi)表面進(jìn)行檢測。

據(jù)不完全統(tǒng)計，中石油某公司曾發(fā)生36次壓裂管匯爆管事件[12-13]，中石化在涪陵工區(qū)、川南工區(qū)發(fā)生過多次壓裂管匯爆管事件。這些爆裂管匯在使用前均進(jìn)行了目視檢測、超聲測厚檢測、磁粉檢測和靜水壓壓力檢測，但未能完全檢出高壓管件的內(nèi)部缺陷和防止爆裂事件的發(fā)生，有必要對目前常用的檢測方法進(jìn)行補(bǔ)充完善。

1.2.2 壓裂管匯件檢測部位選擇的不足

SY/T 6270中規(guī)定的檢測部位主要對明顯變徑區(qū)(如圖1a、圖1b、圖2c)、沖蝕區(qū)(如圖1c)以及流體轉(zhuǎn)向區(qū)(如圖2a、b、d、e、f)。在實(shí)際工作中出現(xiàn)了多次非規(guī)定部位的缺陷問題：

1) 2015-06，在彎頭多次拆卸解體后，對活動部位更換零件中，發(fā)現(xiàn)該部位有明顯的裂紋(如圖3a)。

2) 2016-08，在對直管螺紋進(jìn)行檢測時也發(fā)現(xiàn)有裂紋。

3) 2017-10，按SY/T6270標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓裂壓裂管匯件無損檢測后，進(jìn)行試壓檢驗(yàn)，直管油壬活動卡瓦突然發(fā)生爆裂，飛出的高壓件將試壓坑隔斷板打斷，且將試壓泵試壓裝置打壞(如圖3b)。

4) 2015-12，在進(jìn)行川南某頁巖氣井壓裂施工過程中，壓裂管匯臺五通公扣斷裂，高壓流體沖蝕造成部分設(shè)備受損(如圖3c)。

因此，僅對SY/T6270規(guī)定的壓裂管匯的檢測部位進(jìn)行檢測，并不能完全檢出壓裂管匯件的缺陷部位。

圖1 壓裂旋塞閥、單向閥檢及活動彎頭測區(qū)域

圖2 壓裂管匯中異形管件的無損檢測區(qū)域

圖3 實(shí)際作業(yè)中發(fā)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)檢測部位的缺陷部位

2 壓裂管匯件無損檢測方法優(yōu)化與改進(jìn)

2.1 聲發(fā)射檢測改進(jìn)

聲發(fā)射檢測是一種動態(tài)無損檢測方法，而且，聲發(fā)射信號來自缺陷本身，因此，用聲發(fā)射法可以判斷缺陷的嚴(yán)重性。與其它無損檢測方法相比，聲發(fā)射技術(shù)具有兩個基本差別：①檢測動態(tài)缺陷，是缺陷擴(kuò)展而不是檢測靜態(tài)缺陷；②缺陷本身發(fā)出缺陷信息，而不是用外部輸入對缺陷進(jìn)行掃查。因此，要做好壓裂管匯件的聲發(fā)射檢測主要基于2個方面：①選擇合適的監(jiān)測位置，也就是根據(jù)高壓匯件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對傳感器如何布點(diǎn)；②選擇合適的信號濾波方法，根據(jù)高壓件的材料組成，選擇好頻率、幅度、空間(定位)和時間參數(shù)濾波[14-15]。其操作流程如下：

1) 確定傳感器的定位方式。

由于高壓管件試壓檢測過程中采用的是管與管之間的直線連接，可把這些管子看作是一根直線，可以視為線性構(gòu)建。因此，傳感器定位可以采用線性定位(如圖4)。

圖4 傳感器定位方式

2) 確定檢測參數(shù)。

當(dāng)傳感器定位后，用圈尺測量出傳感器之間的距離，在電腦檢測軟件中調(diào)整好傳感器位置參數(shù)，借鑒其他行業(yè)的高壓檢測采集參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)，設(shè)定的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 聲發(fā)射檢測參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)

根據(jù)現(xiàn)場測試環(huán)境噪聲，可將噪聲值提高6 dB，實(shí)設(shè)40 dB作為門限值。

3) 確定探頭間距。

根據(jù)實(shí)際測試，探頭間距應(yīng)不大于4 m。在實(shí)際工作中，大于4 m的管線設(shè)置2個探頭，活動彎頭設(shè)置2個探頭，確保每根管線都有探頭檢測。

4) 探頭靈敏度測試。

在每個探頭附近斷鉛3次，求取響應(yīng)幅度的平均值，要求該值大于90 dB，且平均值偏差在±(3～4)dB ；若低于90 dB，則重新更換探頭。

5) 探頭聲速測試。

在2個探頭延長線處斷鉛(如圖5所示1，2探頭)，在軟件參數(shù)表上讀出到達(dá)時間差，探頭間距/時間差，即為材料聲速。

圖5 探頭靈敏度測試斷鉛位置示意

6) 加壓檢測。

完成斷鉛后，檢測人員全部撤離地坑，關(guān)閉地坑下坑門，安全監(jiān)督人員確認(rèn)地坑無人后，試壓操作人員及聲發(fā)射檢測人員再對高壓管件進(jìn)行升壓檢測。

7) 檢測數(shù)據(jù)分析及缺陷判斷。

①從檢測數(shù)據(jù)標(biāo)識出檢測過程中出現(xiàn)的噪聲數(shù)據(jù)，并在檢測記錄中注明。

②利用軟件從檢測數(shù)據(jù)中分離非相關(guān)信號，并在記錄中注明。

③根據(jù)聲幅參數(shù)對缺陷進(jìn)行定性。

采用聲發(fā)射檢測，可以進(jìn)行較大規(guī)模的檢測，并能對內(nèi)部疲勞裂紋的擴(kuò)張過程進(jìn)行監(jiān)控，很好地滿足了高壓管件內(nèi)部缺陷檢測需要(如圖6a、b)。2018-04—2018-07，共完成1 934件高壓管件聲發(fā)射檢測，在常規(guī)無損檢測基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)缺陷11項(xiàng)，提高了缺陷檢出率。

圖6 聲發(fā)射現(xiàn)場檢測及檢測數(shù)據(jù)

2.2 超聲波檢測改進(jìn)

由于聲發(fā)射檢測對環(huán)境噪聲要求高，檢測過程中受干擾因素較多[16-17]，并且由于聲發(fā)射波形異常的部位須進(jìn)行超聲波復(fù)檢，因此，決定在常規(guī)檢測中增加超聲波檢測。針對表面波和雜波影響對探傷波的判斷或造成漏檢，造成小管徑缺陷檢出率較低的問題，對超聲波檢測技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。

2.2.1 特殊形狀超聲波檢測探頭研制

為解決特殊形狀管徑超聲波檢測難題，根據(jù)井下特種作業(yè)高壓管件的形態(tài)和尺寸，研制了特別弧形探頭，能滿足不同管徑(?61～?138 mm)周向和徑向的檢測要求(如圖7)。

2.2.2 超聲波檢測標(biāo)準(zhǔn)對比件研制

標(biāo)準(zhǔn)對比件是與被檢工件材料一致或相似，含有明確參考反射體的試塊，用以調(diào)節(jié)檢測設(shè)備的幅度和聲程，將所檢出的缺陷信號與已知反射體所產(chǎn)生的信號作比較的試塊，通過與標(biāo)準(zhǔn)件信號對比來確定缺陷。但目前市場上沒有壓裂管匯件超聲波檢測專用的對比試塊。為解決這一問題，根據(jù)NB/T47013—2015標(biāo)準(zhǔn)要求，選取了與高壓管件同樣材質(zhì)的管子，在內(nèi)外表面及本體內(nèi)部制作人工缺陷作為對比試塊(如圖8)。

1—?61 mm管探頭；2—?73 mm管探頭；3—?89 mm管探頭；4—?114.3 mm管探頭；5—?127 mm管探頭；6—?138 mm管探頭。

1—?138 mm對比標(biāo)件；2—?61 mm對比標(biāo)件；3—?89 mm對比標(biāo)件。

2.2.3 高壓管件超聲波檢測方法建立

通過大量的實(shí)踐，初步建立了高壓管件超聲波檢測方法：

1) 先用研制的探頭按常規(guī)測試方法在研制的試塊上測出探頭前沿、探頭K值。

2) 利用試塊上內(nèi)外表面的孔調(diào)出掃描速度。將探頭放在對比試塊的端頭，利用內(nèi)管口槽調(diào)一次波，后移探頭用管外部槽調(diào)出二次波，經(jīng)反復(fù)調(diào)整讓一次、二次、三次波分別在熒光屏上顯示實(shí)際位置，此時掃描速度調(diào)好。

3) 測定探傷靈敏度。將一次波、二次波、三次波分別調(diào)整到80%波高，分別記下反射當(dāng)量值，以3點(diǎn)繪出距離波幅曲線即可進(jìn)行探傷(如圖10a)。

4) 缺陷的判定。二次底波和三次底波之間出現(xiàn)波，可判定為可疑波。有時在二次波后出現(xiàn)反射波，此時將探頭后移到三次波位置，若可疑波最高點(diǎn)落在三次波之前，可判為缺陷波(如圖10b)。

圖9 儀器調(diào)試及實(shí)際檢測波形

2.3 壓裂管匯件檢測部位的補(bǔ)充完善

基于實(shí)踐認(rèn)識，SY/T 6270檢測規(guī)定中未能完全包括壓裂管匯件的薄弱部位，在力學(xué)分析和高壓管件損壞統(tǒng)計基礎(chǔ)上，補(bǔ)充了對壓裂管匯件彎頭的活動部位(如圖10b)、壓裂管匯件的螺紋部位(如圖10a)、油壬的活動卡(如圖10c)的檢測。

圖10 增加的檢測部位

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2018-04—2018-07，采用常規(guī)及改進(jìn)后的無損檢測方法，增加檢測部位，優(yōu)化后檢測流程，對2 047件壓裂管匯件進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果如表2～3。

采用改進(jìn)后的無損檢測方法，檢測出不合格壓裂管件數(shù)增加35件，占不合格總數(shù)的30.97%。新增檢測部位后，檢測出不合格壓裂管件數(shù)增加44件，占不合格總數(shù)的38.94%。采用改進(jìn)后的無損檢測方法，增加檢測部位，優(yōu)化后檢測流程，提高了壓裂管匯件缺陷的檢出機(jī)率。截止2019-10，壓裂作業(yè)現(xiàn)場未出現(xiàn)管件刺漏或爆裂等情況。

4 結(jié)論

1) 目前，現(xiàn)場常用的壓裂管匯件無損檢測技術(shù)只能對表面或淺表面缺陷進(jìn)行檢測，無法對內(nèi)部缺陷檢測，并且檢測部位不完善，不能有效檢測出壓裂管件中存在的全部缺陷，有必要對檢測方法和部位進(jìn)行改進(jìn)。

2) 通過對檢測方法和檢測部位的優(yōu)化組合和改進(jìn)，確定了聲發(fā)射檢測的定位方式、檢測參數(shù)和探頭間距，研制了適合于不同形狀和尺寸的超聲波檢測探頭和超聲波檢測標(biāo)準(zhǔn)對比件，建立起了一套科學(xué)合理的檢測方法(聲發(fā)射檢測、超聲波檢測+常規(guī)檢測)和行之有效的無損檢測作業(yè)流程。

表2 2018-04-07壓裂管匯件檢測結(jié)果統(tǒng)計 件

表3 2018-04-07壓裂管匯件檢測缺陷部位統(tǒng)計 件

3) 新的檢測方法提高了壓裂管件的缺陷檢出率。應(yīng)用以來未再出現(xiàn)壓裂管匯件刺漏或爆裂現(xiàn)象，很好地保證了現(xiàn)場施工作業(yè)安全，具有推廣應(yīng)用價值。