石油鉆桿管體受控射流法自動超聲檢測方法研究

黃 磊，王國棟，姚 平，李 錦，張 聰

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司延長氣田采氣五廠 陜西 延安716000；3.華油鋼管有限公司 河北 青縣 062658；4.中國石油勘探開發(fā)研究院 北京 100083；5.中石油煤層氣有限責(zé)任公司 北京 100028)

0 引 言

鉆桿作為石油及天然氣鉆采過程中必不可少的重要部件，其功能是將鉆井泥漿運(yùn)送到鉆頭、并與鉆頭一起提升、下降或旋轉(zhuǎn)。鉆桿需承受各種復(fù)雜交變的載荷，如內(nèi)外壓、拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)和振動等；同時，鉆桿在鉆井液中的腐蝕介質(zhì)以及較高的地層溫度作用下，其內(nèi)外表面還會發(fā)生腐蝕。處于腐蝕壞境中的鉆桿，在交變應(yīng)力作用下容易發(fā)生腐蝕損傷、腐蝕疲勞、脆性斷裂等多種形式的失效事故。石油鉆桿管體制造方法、可能存在的缺陷及超聲檢測區(qū)分薄壁與厚壁石油鉆桿管體和存在的各種類型缺陷參見文獻(xiàn)[1]。

本文主要從檢測方法、探頭排列、檢測閘門設(shè)置、對比試塊及人工缺陷設(shè)計(jì)、檢測結(jié)果顯示與記錄等方面進(jìn)行了研究，可實(shí)現(xiàn)檢測過程中石油鉆桿管體缺陷全覆蓋，避免或減少石油鉆采過程中的失效事故，保障鉆采安全和提高鉆采效率。

1 鉆桿管體超聲檢測方法

石油鉆桿管體為無縫鋼管，主要缺陷有軸向缺陷和周向缺陷。對于大直徑薄壁無縫鋼管，由于可能還存在平行于管體軸向的分層缺陷，還需要額外進(jìn)行縱波垂直入射檢測。由于石油鉆桿管體直徑較小，從耦合效果和可靠性兩方面衡量，選取局部水浸檢測方法或水柱耦合檢測方法均能取得較好的效果[2]。因此，以下主要從軸向缺陷、周向缺陷和分層缺陷檢測進(jìn)行分析和討論。

1.1 軸向缺陷檢測

對于壁厚與外徑比小于等于0.2的薄壁石油鉆桿管體，為了檢測鉆桿管體內(nèi)、外壁的軸向缺陷，目前主要的檢測方式是橫波檢測。其檢測過程是將單直探頭置于偏離管體軸線某一距離的位置，通過水柱在管體產(chǎn)生的橫波后，將探頭沿鉆桿管體輪廓作周向掃查，檢測方法如圖1所示[3]。

偏心距離的選擇：

0.251R≤X≤0.458r

(1)

式中:R為鉆桿外徑，mm；X為偏心距，mm；r為鉆桿內(nèi)徑，mm。

水層厚度的選擇：

(2)

式中:Y為水層厚度，mm；F為焦距，mm；R為鉆桿外徑，mm；X為偏心距，mm。

L-縱波；S-橫波圖1 軸向缺陷純橫波檢測法

對于壁厚與外徑比大于0.2的厚壁石油鉆桿管體，受管體壁厚尺寸影響，橫波聲束將無法到達(dá)管體的內(nèi)壁。因此，僅僅利用管體橫波進(jìn)行管體檢測，這種方法不能對整個管壁的全部橫截面進(jìn)行檢測。為了解決該問題，可以采用變形橫波斜入射法進(jìn)行補(bǔ)充檢測，檢測方法如圖2所示[4]。

L-縱波；S-橫波圖2 軸向缺陷變形橫波檢測法

1.2 周向缺陷檢測

對鉆桿管體進(jìn)行周向缺陷檢測時，在管體中使用K1探頭產(chǎn)生橫波進(jìn)行檢測，檢測方法如圖3所示[5]。

L-縱波；S-橫波圖3 周向缺陷橫波軸向檢測法

1.3 分層缺陷檢測

對于分層缺陷的檢測，使用雙晶探頭，檢測方法如圖4所示[6-7]。

L-縱波圖4 分層缺陷縱波垂直檢測法

2 檢測探頭排列

石油鉆桿管體受控射流法自動超聲檢測探頭位置相對固定，為了能夠有效檢測出石油鉆桿管體存在的不同位置的缺陷，并且滿足檢測缺陷全覆蓋，我們通過數(shù)值分析與仿真模擬局部液浸式和螺旋送管方式的典型陣列式探頭配置，如圖5所示。

L-軸向缺陷檢測；T-周向缺陷檢測；LT-分層檢測(或測厚檢測)圖5 模擬仿真陣列式探頭排列

在這種情況下，檢測軸向和周向缺陷配置16個檢測通道可以覆蓋鋼管全管體檢測，鋼管旋轉(zhuǎn)一周的螺距約為80 mm。分層檢測采用8個通道超聲雙晶探頭檢測。為了能有效地檢測石油鉆桿中不同取向的缺陷，可采取如下方式進(jìn)行檢測：對于軸向缺陷和周向缺陷，可以從正反兩個方向通過水柱在石油鉆桿管體產(chǎn)生橫波(或變形橫波)進(jìn)行檢測；對于分層缺陷，可以采用縱波雙晶直探頭檢測，如圖6所示。

3 對比試塊及人工缺陷設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)對比試塊前，應(yīng)從制造商處獲得所用石油鉆桿管體基本信息，以便對人工缺陷的類型和位置進(jìn)行選擇和確定。人工缺陷設(shè)計(jì)使用檢測軸向和周向缺陷采用內(nèi)外表面刻槽校驗(yàn)檢測靈敏度，且內(nèi)外刻槽也可用作檢測設(shè)置閘門的起點(diǎn)和終點(diǎn)。對于檢測分層缺陷采用不同深度的平底孔校驗(yàn)檢測靈敏度和設(shè)置檢測閘門的起點(diǎn)和終點(diǎn)。對比試塊上人工缺陷的分布，主要按照檢測軸向缺陷、周向缺陷和分層缺陷進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了避免不同的人工缺陷受到相鄰反射體超聲波的干擾，設(shè)計(jì)時應(yīng)使人工缺陷之間相隔一定的距離。圖7為石油鉆桿管體檢測對比試塊的人工缺陷設(shè)計(jì)示意圖[2]。

①外表面軸向刻槽；②內(nèi)表面軸向刻槽；③外表面周向刻槽；④內(nèi)表面周向刻槽；⑤豎通孔；⑥內(nèi)表面軸向刻槽；⑦外表面軸向刻槽；⑧內(nèi)表面周向刻槽；⑨外表面周向刻槽；⑩內(nèi)側(cè)平底孔(埋深25%)；內(nèi)側(cè)平底孔(埋深50%)；內(nèi)側(cè)平底孔(埋深75%)圖7 對比試塊人工缺陷設(shè)計(jì)

進(jìn)行對比試塊選材時，應(yīng)盡量選擇與被檢測石油鉆桿管體材料相同或接近的材料。進(jìn)行對比試塊機(jī)加工前，應(yīng)對試塊原材料進(jìn)行仔細(xì)檢測，避免試塊中出現(xiàn)影響檢測的原材料缺陷。對于檢測合格的試塊原材料，則可進(jìn)入機(jī)加工階段。但應(yīng)注意，試塊上所加工的人工缺陷必須通過有關(guān)部門的檢驗(yàn)校準(zhǔn)，合格后才能投入使用。

4 檢測閘門設(shè)置

4.1 軸向缺陷檢測閘門設(shè)置

對于檢測軸向缺陷時，設(shè)置雙閘門檢測，設(shè)置方法如圖8所示。

T-始脈沖波；S1-一次界面波；F內(nèi)-內(nèi)表面軸向刻槽反射波；F外-外表面軸向刻槽反射波圖8 軸向缺陷檢測閘門設(shè)置

檢測探頭L1的檢測閘門起點(diǎn)在圖8中一次界面反射波后一定長度，檢測閘門終點(diǎn)設(shè)置在內(nèi)表面刻槽反射波前一定長度，檢測探頭L1的另一個檢測閘門起點(diǎn)在圖8中內(nèi)表面刻槽反射波后一定長度處，檢測閘門終點(diǎn)設(shè)置在外表面刻槽反射波前一定長度處，這樣就可以覆蓋一定聲束長度，確保軸向缺陷不被漏檢。檢測探頭L2的檢測閘門設(shè)置與檢測探頭L1相似。

4.2 周向缺陷檢測閘門設(shè)置

檢測周向缺陷時，設(shè)置雙閘門檢測，設(shè)置方法如圖9所示。檢測探頭T1的檢測閘門起點(diǎn)在圖9中一次界面反射波后一定長度處，檢測閘門終點(diǎn)設(shè)置在內(nèi)表面刻槽反射波前一定長度處，檢測探頭T1另一個檢測閘門起點(diǎn)在圖9中內(nèi)表面刻槽反射波后一定長度處，檢測閘門終點(diǎn)設(shè)置在外表面刻槽反射波前一定長度處，這樣就可以覆蓋一定聲束長度，確保周向缺陷不被漏檢。檢測探頭T2檢測閘門設(shè)置與檢測探頭T1相似。

T-始脈沖波；S1-一次界面波；F內(nèi)-內(nèi)表面周向刻槽反射波；F外-外表面周向刻槽反射波圖9 周向缺陷檢測閘門設(shè)置

4.3 分層缺陷檢測閘門設(shè)置

對于分層缺陷檢測時，采用縱波雙晶探頭進(jìn)行檢測，設(shè)置方法如圖10所示。檢測探頭LT檢測閘門起點(diǎn)在圖10中一次界面反射波后一定長度處，檢測閘門終點(diǎn)設(shè)置在一次底面反射波前一定長度處，這樣就可以覆蓋一定聲束長度，確保分層缺陷不被漏檢。

T-始脈沖波；S1-一次界面波；B1-一次底面反射波圖10 分層缺陷檢測閘門設(shè)置

5 檢測結(jié)果顯示與記錄

試驗(yàn)用石油鉆桿管體規(guī)格為Ф73 mm×9.19 mm，檢測軸向缺陷采用1組陣列式組合探頭L1/L2，檢測周向缺陷采用1組陣列式組合探頭T1/T2，檢測分層缺陷采用陣列式組合探頭LT，試驗(yàn)結(jié)果的顯示圖如圖11所示。

圖11 受控射流法自動超聲檢測結(jié)果的帶狀圖

從圖11掃查結(jié)果的帶狀圖可以看出，石油鉆桿管體受控射流法自動超聲檢測結(jié)果的記錄圖中可以顯示不同位置缺陷，缺陷檢出率、誤報率均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到了預(yù)期的檢測結(jié)果。

6 結(jié) 論

1)通過對石油鉆桿管體探頭布置、檢測閘門設(shè)置和對比試樣與人工缺陷設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了石油鉆桿管體缺陷的全覆蓋檢測。

2)檢測結(jié)果實(shí)時顯示與記錄每個通道缺陷位置和分布狀況，實(shí)現(xiàn)了石油鉆桿管體受控射流法自動超聲檢測結(jié)果長久性保存和可追溯性要求。