高壓管匯沖蝕缺陷脈沖渦流檢測(cè)數(shù)值分析

李杰 樊建春 張黨生 楊思齊 代四維

摘要：壓裂作業(yè)中長(zhǎng)周期運(yùn)行的高壓管匯在惡劣工況下極易產(chǎn)生沖蝕損傷，高壓管匯的在線檢測(cè)對(duì)保障安全生產(chǎn)尤為重要。為此，針對(duì)高壓管匯沖蝕缺陷，基于脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)，采用Maxwell軟件對(duì)高壓管匯下表面缺陷檢測(cè)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量法向和切向分量，探究沖蝕缺陷脈沖渦流檢測(cè)規(guī)律。研究結(jié)果表明：一定條件下，脈沖渦流檢測(cè)高壓管匯沖蝕缺陷時(shí)，激勵(lì)電流為1.5 A，激勵(lì)頻率為500 Hz，線圈內(nèi)徑為10 mm時(shí)具有較高靈敏度；對(duì)于不同角度沖蝕缺陷，可根據(jù)差分信號(hào)梯度云圖中的亮斑形狀獲得缺陷形狀信息；法向檢測(cè)信號(hào)差值與缺陷半徑和缺陷深度呈三次多項(xiàng)式關(guān)系；線圈中設(shè)置鐵芯可增加檢測(cè)信號(hào)幅值，一定范圍內(nèi)，鐵芯半徑對(duì)檢測(cè)效果影響較小。所得結(jié)論可為高壓管匯沖蝕缺陷脈沖渦流檢測(cè)裝置的研制提供參考。

關(guān)鍵詞：壓裂；高壓管匯；沖蝕缺陷；脈沖渦流檢測(cè)；數(shù)值模擬；差分信號(hào)

In fracturing operation， erosional damage easily occurs in highpressure manifold running for a long time under bad working conditions， and the online testing of highpressure manifold is particularly important to ensure safe production.Based on pulsed eddy current testing technology， the Maxwell software was used to conduct numerical simulation on the undersurface defect testing model of highpressure manifold， analyze the normal and tangential components of magnetic induction intensity vector， and explore the pulsed eddy current testing law of erosion defect of highpressure manifold.The study results show that under certain conditions， when the excitation current is 1.5 A， the excitation frequency is 500 Hz， and the inner diameter of the coil is 10 mm， the pulsed eddy current testing for erosion defect of highpressure manifold has higher sensitivity.For different angles of erosion defects， the defect shape information can be obtained based on the bright spot shape in the gradient cloud chart of differential signals.The difference of normal testing signal has a cubic polynomial relationship with defect radius and defect depth.Setting iron core in the coil can increase the amplitude of the testing signal， and within a certain range， the radius of the iron core has little effect on the testing results.The conclusions provide reference for the development of pulsed eddy current testing device for erosion defects of highpressure manifold.

fracturing;highpressure manifold；erosion defect；pulsed eddy current testing；numerical simulation；differential signal

0 引 言

水力壓裂是一種常用的儲(chǔ)層改造技術(shù)，在水力壓裂過(guò)程中，大規(guī)模服役的高壓管匯通常承受數(shù)十至上百兆帕的動(dòng)態(tài)內(nèi)壓、高速運(yùn)動(dòng)多相流沖擊和振動(dòng)引起的巨大應(yīng)力作用，極易在彎頭和三通等敏感部位產(chǎn)生沖蝕損傷［1-2］；且在內(nèi)部傳輸?shù)乃嵝越橘|(zhì)的腐蝕作用下，導(dǎo)致長(zhǎng)周期運(yùn)行的高壓管匯壁厚減薄，承壓能力減弱。高壓沖蝕很可能造成管匯破裂，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員和設(shè)備構(gòu)成嚴(yán)重威脅［3-5］，因此對(duì)高壓管匯進(jìn)行安全檢測(cè)具有重要意義。

目前，對(duì)高壓管匯沖蝕缺陷的主要檢測(cè)方法有水壓試驗(yàn)、磁粉檢測(cè)、超聲檢測(cè)和聲發(fā)射檢測(cè)［6］。中國(guó)石油大學(xué)（北京）結(jié)構(gòu)損傷實(shí)驗(yàn)室［7-8］利用自主研發(fā)的可施加高強(qiáng)度拉伸應(yīng)力的沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)，基于磁記憶檢測(cè)技術(shù)對(duì)沖蝕試樣進(jìn)行了在線檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，沖蝕缺陷的磁場(chǎng)信息可以反映其位置和形狀。這些檢測(cè)方法在檢測(cè)效率和定量分析方面具有一定的局限性，不利于大規(guī)模壓裂服役的高壓管匯在線檢測(cè)。脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)以其可靠性好與檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，被研究人員廣泛用于金屬缺陷的檢測(cè)中。辛佳興等［9］利用Maxwell軟件對(duì)陣列渦流管道變形缺陷檢測(cè)模型進(jìn)行模擬，研究不同線圈布置方案的檢測(cè)效果，結(jié)果表明，渦流傳感器輸出信號(hào)變化量與管道變形量呈四次多項(xiàng)式遞增關(guān)系。陳酉江等［10］利用研制的渦流陣列傳感器對(duì)彎頭進(jìn)行了室內(nèi)檢測(cè)試驗(yàn)，提出渦流陣列檢測(cè)室內(nèi)系統(tǒng)可用于井口彎頭沖蝕缺陷的定性檢測(cè)。TIAN G.Y.等［11］針對(duì)亞表面缺陷的識(shí)別問(wèn)題，在脈沖渦流檢測(cè)中提出了時(shí)間上升點(diǎn)的概念，與峰值和峰值時(shí)間結(jié)合用于缺陷的分類(lèi)識(shí)別。

筆者在上述研究的基礎(chǔ)上，探究脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)在高壓管匯的沖蝕缺陷的在線檢測(cè)中的應(yīng)用；基于脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)，采用Maxwell有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究激勵(lì)信號(hào)參數(shù)、線圈尺寸、缺陷形狀和鐵芯半徑對(duì)檢測(cè)效果的影響；探討了使用檢測(cè)信號(hào)差值的梯度云圖反演不同沖蝕缺陷形狀的可行性；推導(dǎo)法向檢測(cè)信號(hào)差值ΔBz、缺陷半徑和缺陷深度的數(shù)學(xué)模型。所得結(jié)論可為高壓管匯沖蝕缺陷脈沖渦流檢測(cè)裝置的研制提供理論依據(jù)。

1 脈沖渦流檢測(cè)理論

脈沖渦流檢測(cè)遵循法拉第電磁感應(yīng)定律，因此基于麥克斯韋方程組對(duì)實(shí)際檢測(cè)建立數(shù)學(xué)模型。麥克斯韋方程組的微分形式如下：

分析式（7）可知，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體材料確定時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)趨膚深度隨激勵(lì)頻率增大而減小，故檢測(cè)下表面缺陷時(shí)，激勵(lì)頻率需合理減小。趨膚深度的增加意味著感應(yīng)渦流能透入更深的缺陷處，因缺陷引起的感應(yīng)渦流的分布變化會(huì)引起感應(yīng)磁場(chǎng)發(fā)生相應(yīng)變化，故可用磁敏傳感器檢測(cè)磁場(chǎng)分布，通過(guò)分析響應(yīng)信號(hào)獲取缺陷信息。

2 模型建立及參數(shù)設(shè)置

2.1 模型建立

脈沖渦流檢測(cè)模型如圖1所示，模型主要包括激勵(lì)線圈、被測(cè)試件、掃查路徑和空氣域。本文選用幾何形狀為啞鈴形薄板的試樣為被測(cè)試件。試樣長(zhǎng)度為195 mm，中間寬度為40 mm，厚度為3.5 mm。被測(cè)試樣材料選用高壓管匯材料35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼，電導(dǎo)率為4.55×106 S/m，導(dǎo)入BH曲線［12］?？紤]實(shí)際脈沖渦流檢測(cè)元件的排布位置，提離距離為2 mm。掃查路徑沿Y軸方向，位于激勵(lì)線圈和被測(cè)試樣之間的空氣域，距離試樣1 mm。

考慮高壓管匯受到的沖蝕作用，在線檢測(cè)必須在沖蝕的另一側(cè)進(jìn)行，激勵(lì)線圈與沖蝕缺陷分別在試樣的上、下表面。實(shí)驗(yàn)室前期研究表明［1-2，13］，沖蝕缺陷形狀會(huì)隨沖蝕角度不同呈現(xiàn)不同宏觀形貌。利用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行攜砂液沖蝕試驗(yàn)，不同沖蝕角度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。沖蝕角度為30°時(shí)，材料變形磨損和切屑磨損最嚴(yán)重，沖蝕磨損率最高，缺陷形狀為半橢球凹坑；隨沖蝕角度增加，變形磨損逐漸增強(qiáng)，切削作用減弱，缺陷形狀逐步呈現(xiàn)為圓柱凹坑；當(dāng)沖蝕角度為90°時(shí)，沖蝕顆粒向四周沖出，在中央處留有一個(gè)小凸起。

2.2 參數(shù)設(shè)置

圖3為模擬檢測(cè)示意圖。在場(chǎng)計(jì)算器中分別設(shè)置磁感應(yīng)強(qiáng)度切向分量By和法向分量Bz，同時(shí)進(jìn)行平滑處理。

設(shè)置線圈線徑0.3 mm，最大安全電流5 A，因此線圈內(nèi)徑設(shè)計(jì)為10 mm，外徑為20 mm，高度為15 mm，匝數(shù)為500，電阻為5 Ω。

3 有、無(wú)沖蝕缺陷脈沖渦流檢測(cè)對(duì)比

設(shè)置激勵(lì)電流幅值為1.5 A，頻率為500 Hz，采用Maxwell軟件對(duì)30°沖蝕角度下產(chǎn)生的半橢球凹坑進(jìn)行仿真，軸比設(shè)為3，缺陷長(zhǎng)度為20 mm，缺陷寬度為6.6 mm，深度為3.3 mm，模擬得到掃查路徑上磁感應(yīng)強(qiáng)度分量，結(jié)果如圖4所示。

5 結(jié) 論

（1）在激勵(lì)線圈承載范圍內(nèi)可以合理選取激勵(lì)信號(hào)幅值來(lái)提升缺陷檢測(cè)靈敏度，故選取激勵(lì)電流幅值為1.5 A；缺陷檢測(cè)靈敏度隨激勵(lì)頻率增加先增加、后減小，500 Hz時(shí)具有較高的靈敏度；當(dāng)激勵(lì)線圈體積和外徑不變，線圈內(nèi)徑為10 mm時(shí)，更有利于缺陷檢測(cè)。

（2）脈沖渦流檢測(cè)沖蝕缺陷時(shí)，對(duì)60°沖蝕缺陷有較高的靈敏度；對(duì)于不同沖蝕角度缺陷，可以通過(guò)分析磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量的法向分量ΔBz和徑向分量ΔBy的差分信號(hào)的梯度云圖，根據(jù)其亮斑形狀獲得缺陷宏觀形貌信息。

（3）在激勵(lì)線圈尺寸、激勵(lì)信號(hào)參數(shù)和被測(cè)試件電磁參數(shù)一定時(shí)，ΔBy峰值間距僅隨缺陷半徑變化而相應(yīng)變化；ΔBz峰值、缺陷半徑和缺陷深度呈三次多項(xiàng)式關(guān)系，脈沖渦流檢測(cè)沖蝕缺陷對(duì)亞表面較深缺陷的寬度檢測(cè)靈敏度較高。

（4）線圈中的鐵芯使得檢測(cè)信號(hào)幅值大幅增加，故裝置設(shè)計(jì)需要選用合適量程的檢測(cè)元件；鐵芯尺寸對(duì)ΔBz和ΔBy的幅值影響較小，故在設(shè)計(jì)檢測(cè)裝置時(shí)可以合理減小鐵芯半徑，減輕檢測(cè)裝置質(zhì)量。

［1］ ZHANG J X，KANG J，F(xiàn)AN J C，et al.Research on erosion wear of highpressure pipes during hydraulic fracturing slurry flow［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2016，43：438-448.

［2］ ZHANG J X，KANG J，F(xiàn)AN J C，et al.Study on erosion wear of fracturing pipeline under the action of multiphase flow in oil & gas industry［J］.Journal of Natural Gas Science and Engineering，2016，32：334-346.

［3］ 孫秉才，樊建春，溫東，等．高壓對(duì)高壓管匯沖蝕磨損的影響［J］．潤(rùn)滑與密封，2014，39（4）：11-14．

SUN B C，F(xiàn)AN J C，WEN D，et al.Effect of high pressure on erosion wear of high pressure pipe manifold［J］.Lubrication Engineering，2014，39（4）：11-14.

［4］ 楊思齊，樊建春，張來(lái)斌．結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓裂雙彎頭沖蝕及流致變形的影響［J］．潤(rùn)滑與密封，2021，46（10）：1-8．

YANG S Q，F(xiàn)AN J C，ZHANG L B.Effect of structural parameters on erosion wear and flow induced deformation of the doubleelbow used for hydraulic fracturing［J］.Lubrication Engineering，2021，46（10）：1-8.

［5］ 高凱歌，劉銘剛，靳彥欣，等．水力壓裂工況高壓管匯沖蝕磨損研究進(jìn)展及展望［J］．材料保護(hù)，2022，55（2）：160-167，175．

GAO K G，LIU M G，JIN Y X，et al.Research progress and prospect of erosion and wear of high pressure manifold in hydraulic fracturing conditions［J］.Materials Protection，2022，55（2）：160-167，175.

［6］ 謝永金，樊建春，張宏，等．頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)用高壓管匯損傷機(jī)理及檢測(cè)技術(shù)［J］．石油機(jī)械，2011，39（增刊1）：109-112．

XIE Y J，F(xiàn)AN J C，ZHANG H，et al.Damage mechanism and detection technology of high pressure manifold for shale gas development［J］.China Petroleum Machinery，2011，39（S1）：109-112.

［7］ 孫秉才，樊建春，溫東，等．高壓管匯沖蝕磨損磁記憶檢測(cè)試驗(yàn)研究［J］．石油機(jī)械，2014，42（6）：65-68．

SUN B C，F(xiàn)AN J C，WEN D，et al.Experimental study on the erosion wears detection of highpressure manifold by using magnetic memory［J］.China Petroleum Machinery，2014，42（6）：65-68.

［8］ 張繼信，樊建春，李世玉，等．高壓管匯的檢測(cè)及安全評(píng)價(jià)技術(shù)研究［J］．石油機(jī)械，2012，40（1）：64-67．

ZHANG J X，F(xiàn)AN J C，LI S Y，et al.Research on the detection and safety assessment technology of high pressure manifolds［J］.China Petroleum Machinery，2012，40（1）：64-67.

［9］ 辛佳興，陳金忠，李曉龍，等．基于陣列渦流技術(shù)的管道變形檢測(cè)數(shù)值分析［J］．石油機(jī)械，2022，50（2）：115-122．

XIN J X，CHEN J Z，LI X L，et al.Numerical analysis on pipeline deformation detection based on array vortex technology［J］.China Petroleum Machinery，2022，50（2）：115-122.

［10］ 陳酉江，杜堅(jiān)，任雙雙，等．基于陣列傳感器的管道彎頭沖蝕檢測(cè)研究［J］．信息通信，2014（1）：22-23．

CHEN Y J，DU J，REN S S，et al.Research on pipeline elbow erosion detection based on array sensor［J］.Information & Communications，2014（1）：22-23.

［11］ TIAN G Y，SOPHIAN A.Defect classification using a new feature for pulsed eddy current sensors［J］.NDT & E International，2005，38（1）：77-82.

［12］ 兵器工業(yè)無(wú)損檢測(cè)人員技術(shù)資格鑒定考核委員會(huì)．常用鋼材磁特性曲線速查手冊(cè)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

Technical Qualification Evaluation Committee for Nondestructive Testing Personnel in the Weapons Industry.Quick reference manual of magnetic characteristic curve of common steel［M］.Beijing：China Machine Press，2003.

［13］ 孟杏，樊建春，劉書(shū)杰，等．管匯材料35CrMo鋼沖蝕磨損性能研究［J］．石油機(jī)械，2016，44（11）：25-28．

MENG X，F(xiàn)AN J C，LIU S J，et al.Erosionwear property of the 35CrMo steel for manifold pipe material［J］.China Petroleum Machinery，2016，44（11）：25-28.

第一李杰，生于1998年，2020年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）安全工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)為在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榘踩O(jiān)測(cè)與智能診斷。地址：（102249）北京市昌平區(qū)。Email：15291554125@163.com。

通信作者：樊建春，Email：fjc688@126.com。