閘板防噴器殼體側(cè)門超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)*

王仕強(qiáng) 于佩航 徐勇軍 何 莎 徐 強(qiáng) 俞嘉敏 趙琪月

(1.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 2.工業(yè)(石油井控和鉆采設(shè)備)產(chǎn)品質(zhì)量控制和技術(shù)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室 3.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司)

0 引 言

閘板防噴器作為井控關(guān)鍵設(shè)備之一廣泛應(yīng)用于鉆井現(xiàn)場(chǎng)，具有密封性能強(qiáng)、可靠度高及耐高壓等特點(diǎn)，并可以根據(jù)不同現(xiàn)場(chǎng)工況裝配半封閘板、全封閘板、剪切閘板以及變徑閘板[1-3]。在具備多功能性和高可靠性的前提下，防噴器在油氣井正常作業(yè)和緊急情況下都必須保證良好的狀態(tài)。但是，由于受防噴器結(jié)構(gòu)與使用工況的限制，通常對(duì)側(cè)門采用端面強(qiáng)制密封，導(dǎo)致閘板防噴器側(cè)門密封部位一直是薄弱環(huán)節(jié)，易發(fā)生泄漏[4]。側(cè)門主要失效形式包括側(cè)門螺栓的彈性變形，側(cè)門密封圈因接觸應(yīng)力而松弛產(chǎn)生微小間隙，高壓作用下的彎曲變形等。同時(shí)，殼體作為防噴器關(guān)鍵承壓部件，在高壓沖擊載荷下側(cè)門局部區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)應(yīng)力集中[5]，快速關(guān)井時(shí)產(chǎn)生的高壓水擊波在衰減過程中將反復(fù)沖擊殼體，使其出現(xiàn)疲勞裂紋，甚至發(fā)生脆性斷裂。由于閘板防噴器殼體壁厚較厚且連接件較多，利用常規(guī)無損檢測(cè)(如磁粉[6]、滲透[7]、射線[8]以及常規(guī)超聲[9-10]等)手段都存在一定的局限性，而耐壓試驗(yàn)僅能保證其使用壓力，無法在不拆卸防噴器的情況下檢測(cè)出殼體內(nèi)部的裂紋等缺陷。目前較為常用的檢測(cè)方式為聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)，相較于傳統(tǒng)無損檢測(cè)方法有一定的適用優(yōu)勢(shì)，可以檢測(cè)動(dòng)態(tài)裂紋以及結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的構(gòu)件[11-13]。但是該技術(shù)對(duì)材料較為敏感且容易受到環(huán)境因素的干擾，并且動(dòng)態(tài)缺陷檢測(cè)僅能實(shí)現(xiàn)定性檢測(cè)，無法進(jìn)行定量檢測(cè)，同時(shí)對(duì)缺陷的檢測(cè)具有不可逆性，不能對(duì)其進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證。

超聲相控陣技術(shù)相比于常規(guī)超聲技術(shù)，在保證檢測(cè)靈敏度的前提下，不移動(dòng)探頭或少移動(dòng)探頭可以掃查大厚度工件和復(fù)雜形狀工件的各個(gè)區(qū)域，做到全方位多角度的快速檢測(cè)[14-15]。另外，超聲相控陣技術(shù)無需聲透鏡便可完成聲束聚焦，能靈活有效地控制聲束，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工件和盲區(qū)位置缺陷的檢測(cè)。因此，筆者首先對(duì)閘板防噴器殼體進(jìn)行受力仿真分析，確定殼體側(cè)門方腔的應(yīng)力集中部位；然后利用超聲相控陣技術(shù)對(duì)應(yīng)力集中部位進(jìn)行仿真模擬檢測(cè)與實(shí)際檢測(cè)試驗(yàn)。

1 閘板防噴器材料力學(xué)性能

2FZ35-70雙閘板防噴器的材料為25CrNiMo，對(duì)按照國(guó)標(biāo)GB/T 228.1—2010加工的試件進(jìn)行貼片，檢測(cè)應(yīng)力應(yīng)變?cè)趩胃嚰习?80°分布設(shè)置2個(gè)點(diǎn)，并在另一根試件上布置2個(gè)點(diǎn)作為補(bǔ)償片，如圖1a所示。采用MTS-810液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)貼片后的試件進(jìn)行加載，當(dāng)拉伸試件在MTS試驗(yàn)機(jī)載荷作用下產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，利用DEWE501系列動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀測(cè)量電阻應(yīng)變片阻值的變化,以測(cè)定試件指定部位的環(huán)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變，其測(cè)量電橋示意圖如圖1b和圖1c所示。圖2為25CrNiMo試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖1 應(yīng)變片布置及測(cè)量電橋示意圖

圖2 25CrNiMo試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線及斷裂分析

通過對(duì)3組試件應(yīng)力應(yīng)變曲線分析及斷裂后尺寸的測(cè)量，最終得到閘板防噴器殼體材料力學(xué)性能，如表1所示。閘板防噴器殼體材料為25CrNiMo，名義屈服應(yīng)力為414 MPa，實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度為456 MPa。

表1 閘板防噴器殼體材料力學(xué)性能

2 閘板防噴器殼體仿真模擬分析

采用ABAQUS軟件對(duì)閘板防噴器殼體進(jìn)行有限元分析，分析時(shí)采用C3D10I單元，該單元適合計(jì)算結(jié)構(gòu)在壓力作用下的表面應(yīng)力。利用自由網(wǎng)格劃分，根據(jù)收斂性分析結(jié)果，整體模型單元尺寸最終確定為20 mm，同時(shí)進(jìn)一步細(xì)化局部應(yīng)力集中區(qū)域網(wǎng)格。整個(gè)閘板防噴器殼體有限元模型單元數(shù)約70萬，節(jié)點(diǎn)總數(shù)約100萬。整體網(wǎng)格模型及側(cè)門方腔矩形角區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格模型分別如圖3a和圖3b所示。閘板防噴器工作原理為高壓液壓油進(jìn)入液壓區(qū)，在高壓作用下活塞推動(dòng)閘板將井口封閉。結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞現(xiàn)象的主要原因是載荷的交變作用，此處模擬加載及卸載反復(fù)的過程導(dǎo)致載荷的交變。

圖3 閘板防噴器殼體有限元網(wǎng)格模型

根據(jù)防噴器工作原理在殼體上施加相應(yīng)的工作載荷70 MPa，并對(duì)其進(jìn)行受力分析，應(yīng)力分布云圖如圖4所示。從圖4a可以看出，應(yīng)力主要集中在殼體側(cè)門方腔矩形角處與主通徑倒角處。此處關(guān)注的重點(diǎn)側(cè)重于側(cè)門方腔應(yīng)力集中部位，矩形角處對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值如表2所示。另外，將整個(gè)結(jié)構(gòu)按照不同的應(yīng)力水平呈現(xiàn)，圖4b為單元節(jié)點(diǎn)Mises應(yīng)力超過400 MPa的區(qū)域?？砂l(fā)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)超過400 MPa的區(qū)域僅1個(gè)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)位于圖4b中所示的應(yīng)力集中區(qū)域。由于防噴器殼體存在4個(gè)相同的應(yīng)力集中區(qū)域，而其余3處區(qū)域應(yīng)力并未超過350 MPa，判定該區(qū)域應(yīng)力達(dá)到417 MPa是網(wǎng)格劃分所導(dǎo)致的計(jì)算誤差，實(shí)際該節(jié)點(diǎn)處Mises應(yīng)力不會(huì)達(dá)到417 MPa,即工作載荷70 MPa下殼體的最高應(yīng)力小于殼體材料屈服強(qiáng)度，殼體一般不會(huì)發(fā)生塑性變形。但是在交變應(yīng)力的作用下，防噴器殼體在應(yīng)力集中部位容易產(chǎn)生疲勞裂紋，進(jìn)而發(fā)生疲勞破壞[16-17]。因此，需要采用在不拆卸防噴器的情況下對(duì)閘板防噴器殼體(見圖5)側(cè)門方腔矩形角處進(jìn)行缺陷檢測(cè)，以保障防噴器的安全使用。

圖4 閘板防噴器殼體應(yīng)力分布云圖

表2 閘板側(cè)門方腔矩形角處應(yīng)力值 MPa

圖5 閘板防噴器殼體

3 超聲相控陣檢測(cè)仿真分析

3.1 試件與缺陷加工

針對(duì)閘板防噴器側(cè)門方腔矩形角處的超聲相控陣檢測(cè)，按照1∶1比例加工側(cè)門方腔試件，如圖6所示。同時(shí)，對(duì)矩形角部位進(jìn)行人工模擬裂紋加工，人工缺陷參數(shù)如表3所示。

圖6 側(cè)門方腔矩形角人工缺陷

表3 人工缺陷參數(shù)

3.2 仿真分析

采用CIVA軟件可模擬檢測(cè)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件，并通過結(jié)果分析能夠得出較好的檢測(cè)工藝參數(shù)。該軟件可根據(jù)不同情況設(shè)置合適的檢測(cè)工藝參數(shù)，用于聲束模擬，同時(shí)也可以模擬缺陷信號(hào)的響應(yīng)情況[18]。本文采用的探頭為5L64-A2，實(shí)際激發(fā)晶片數(shù)量為32，晶片中心間距為0.5 mm，楔塊型號(hào)為SA2-N55S，角度為36°，采用接觸式反射法橫波入射，扇形掃查偏轉(zhuǎn)角度為30°～60°。將探頭分別放置于位置1和位置2對(duì)矩形角進(jìn)行掃查，如圖7所示。結(jié)合2種不同位置的掃查，可將掃查范圍覆蓋整個(gè)矩形角區(qū)域。

圖7 超聲相控陣掃查方向示意圖

由于閘板防噴器側(cè)門存在螺栓連接孔以及倒角等特殊結(jié)構(gòu)，利用超聲相控陣對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)多種信號(hào)回波，包括特殊結(jié)構(gòu)信號(hào)的回波以及缺陷信號(hào)回波。所以需對(duì)各種信號(hào)回波進(jìn)行有效區(qū)分，以避免在實(shí)際檢測(cè)過程中產(chǎn)生誤判。對(duì)閘板防噴器側(cè)門方腔矩形角的超聲相控陣檢測(cè)進(jìn)行仿真分析，如圖8所示。缺陷A和缺陷B的扇掃圖像中存在缺陷信號(hào)回波以及螺紋孔的結(jié)構(gòu)信號(hào)回波，2種信號(hào)回波距離相對(duì)較遠(yuǎn)，可以相對(duì)快速地對(duì)其進(jìn)行區(qū)分,同時(shí)通過分析缺陷信號(hào)回波，可以判斷出缺陷的長(zhǎng)度并做出定量分析。缺陷C的扇掃圖像中存在缺陷信號(hào)回波以及側(cè)門方腔矩形角的結(jié)構(gòu)信號(hào)回波，2種信號(hào)回波距離較近，需對(duì)扇掃圖像進(jìn)行仔細(xì)分析，以區(qū)分2種信號(hào)回波。因此，對(duì)含有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的閘板防噴器側(cè)門首先采用超聲相控陣檢測(cè)仿真模擬分析，對(duì)其復(fù)雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的多種信號(hào)回波做出準(zhǔn)確判斷，從而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)起到一定指導(dǎo)作用。

圖8 超聲相控陣仿真分析

4 超聲相控陣檢測(cè)試驗(yàn)

根據(jù)仿真分析結(jié)果，采用Phascan超聲相控陣設(shè)備從2個(gè)不同方向?qū)?cè)門矩形角部位進(jìn)行檢測(cè)分析，檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。對(duì)于缺陷A和缺陷B可以明顯區(qū)分出模擬裂紋缺陷信號(hào)回波以及螺紋孔的結(jié)構(gòu)信號(hào)回波，與仿真分析結(jié)果基本一致。而對(duì)于缺陷C，其扇掃圖像分析顯示，除模擬裂紋缺陷信號(hào)回波外，還出現(xiàn)了螺紋孔結(jié)構(gòu)信號(hào)回波與矩形角處結(jié)構(gòu)信號(hào)回波，其結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定差異，這是由于實(shí)際掃查過程中探頭放置位置與仿真分析中存在差異。但是，對(duì)缺陷信號(hào)回波與結(jié)構(gòu)信號(hào)回波同樣可以做出準(zhǔn)確判斷。另外，通過進(jìn)一步分析相控陣扇掃圖像，可以對(duì)模擬裂紋缺陷長(zhǎng)度進(jìn)行定量分析。依據(jù)扇掃圖像中的標(biāo)尺，可以計(jì)算出缺陷A的長(zhǎng)度約為9.8 mm，缺陷B的長(zhǎng)度約為40.3 mm，與模擬裂紋實(shí)際尺寸基本一致。然而，圖8中仿真模擬分析的缺陷B僅一個(gè)信號(hào)回波，無法對(duì)缺陷進(jìn)行定量分析，但實(shí)際檢測(cè)過程中可以做出定量分析。同時(shí)，從圖9中扇掃圖像中也無法分析出缺陷C的長(zhǎng)度。以上2種情況可能是由于實(shí)際檢測(cè)過程中手動(dòng)掃查方式存在偏移，導(dǎo)致部分信號(hào)回波出現(xiàn)差異。另外，缺陷A、B和C的信號(hào)波幅分別為-9.1、10.1和-9.9 dB，同樣深度下校準(zhǔn)橫孔的參考波幅分別為9.5、8.7和7.4 dB，如表4所示。針對(duì)其模擬裂紋缺陷，其裂紋長(zhǎng)度由10 mm增加至40 mm，深度由3 mm增加至8 mm后，其缺陷信號(hào)波幅由-9.1 dB增加至10.1 dB，幅值增加19 dB。這表明隨著裂紋長(zhǎng)度及深度尺寸的增加，其信號(hào)幅值隨之增大。通過結(jié)合信號(hào)幅值的判斷，可以更為準(zhǔn)確地分析出被檢工件的內(nèi)部情況。

圖9 超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果分析

表4 3種缺陷的超聲相控陣檢測(cè)波幅

5 結(jié) 論

(1)閘板防噴器殼體側(cè)門在額定工作載荷70 MPa下，其應(yīng)力主要集中于殼體側(cè)門方腔倒角處，且最大應(yīng)力小于殼體材料屈服強(qiáng)度，因此殼體不會(huì)發(fā)生塑性變形。

(2)針對(duì)閘板防噴器側(cè)門薄弱點(diǎn)(方腔矩形角)的超聲相控陣檢測(cè)進(jìn)行仿真分析，可準(zhǔn)確區(qū)分出結(jié)構(gòu)信號(hào)回波與缺陷信號(hào)回波，對(duì)缺陷做出定性及定量分析。

(3)超聲相控陣檢測(cè)仿真模擬對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)具有指導(dǎo)意義，可為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供參考數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的效率。