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

摘要：閘板防噴器作為井控關(guān)鍵設(shè)備，其側(cè)門密封部位一直是薄弱環(huán)節(jié)，在高壓沖擊及循環(huán)載荷下局部區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)應(yīng)力集中，進(jìn)而產(chǎn)生疲勞裂紋。為了在不拆卸閘板防噴器的情況下有效檢測(cè)出側(cè)門密封部位的裂紋缺陷，采用ABAQUS有限元分析了2FZ35—70雙閘板防噴器殼體側(cè)門方腔部位承壓情況下的應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力主要集中于側(cè)門方腔矩形角部位。針對(duì)應(yīng)力集中部位，首先采用超聲相控陣仿真模擬區(qū)分了結(jié)構(gòu)回波與缺陷回波，對(duì)缺陷進(jìn)行了定性與定量分析；然后對(duì)含有人工模擬缺陷的試塊進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)試驗(yàn)，在上述仿真分析的基礎(chǔ)上可準(zhǔn)確快速地判斷缺陷回波與結(jié)構(gòu)回波。研究結(jié)果表明，實(shí)際檢測(cè)結(jié)果與仿真分析結(jié)果基本相符，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。

關(guān)鍵詞：閘板防噴器；殼體；側(cè)門方腔；應(yīng)力集中；超聲相控陣

中圖分類號(hào)：TE931 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16082／j．enki．issn．1001-4578.2022.12.003

Ultrasonic Phased Array Inspection Technology for Side Door of Ram BOP Shell

Wang ShiqiangYu Peihang' Xu Yongjun' He Sha' Xu Qiang' Yu Jiamin' Zhao Qiyue'

（1.Safety and Entironment Protection Quality Superrision&Testing Research Institute，CNPC Chuanging Drilling Engineering Co.，Ltd.;2.Laboratory of Product Quality Control and Technology Eealuation for Industry（Oil Well Control and Drilling and Pro- duction Equipment）;3.CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co.，Ltd.）

Abstract：Ram BOP is the key equipment of well control and the sealing part of its side door has always been a weak point.Under high pressure impact and cyclie load， stress concentration occurs locally，producing fatigue cracks.In order to effectively deteet the crack defects at the sealing part of side door without disassemblingthe ram BOP，the ABAQUS finite element method was used to analyze the stress distribution in the square chamber of the side door of 2FZ35-70 double-ram BOP shell under pressure，indicating that the stress is mainly concentrated at the rectangular corner of the square chamber of the side door.Firstly，the stress concentration area was simulated by using ultrasonic phased array to distinguish the structural echoes from detect echoes and analyze the defects qual- itatively and quantitatively.Then，the test pieces with artificially simulated defects were detected.Based on the simulation analysis，the defect echoes and structural echoes were distinguished quickly and accurately.It is found that the detection results are basically consistent with the simulation analysis results. The ultrasonic phased array inspection simulation provides guidance and reference data for on-site inspection，which further improves the in- spection efficiency.

Keywords： ram BOP;BOP shell;square chamber of side door;stress concentration;ultrasonic phased array

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、射線［8］以及常規(guī)超聲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。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。

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。

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20mm，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。

根據(jù)防噴器工作原理在殼體上施加相應(yīng)的工作載荷70MPa，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400MPa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350MPa，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。

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。

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0.5mm，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。

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。

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9.8mm，缺陷B的長(zhǎng)度約為40.3mm，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—9.9dB，同樣深度下校準(zhǔn)橫孔的參考波幅分別為9.5、8.7和7.4dB，如表4所示。針對(duì)其模擬裂紋缺陷，其裂紋長(zhǎng)度由10mm增加至40mm，深度由3mm增加至8mm后，其缺陷信號(hào)波幅由—9.1dB增加至10.1dB，幅值增加19dB。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。

5結(jié)論

（1）閘板防噴器殼體側(cè)門在額定工作載荷70MPa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。

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第一作者簡(jiǎn)介：王仕強(qiáng)，工程師，生于1987年，2014年畢業(yè)于西南石油大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事石油裝備檢測(cè)評(píng)價(jià)及自動(dòng)化裝備研發(fā)工作。地址：（618300）四川省廣漢市。E-mail：wangsq＿88＠163．com。

收稿日期：2022—06—06

（本文編輯 劉峰）