基于相控陣超聲的采油樹法蘭鋼圈槽檢測工藝研究

摘"" 要：針對采油樹閥門法蘭鋼圈槽的檢測工藝問題，利用相控陣超聲檢測技術(shù)可形成具有不同角度的扇掃掃查方式。在模擬試塊上進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，通過對檢測工藝的研究與分析，確定采油樹閥門法蘭鋼圈槽的檢測工藝。工藝驗(yàn)證證明，研究的檢測工藝可有效避開法蘭上螺栓工藝孔對鋼圈槽側(cè)壁和底部進(jìn)行檢測，采用斜入射扇掃方式及精確的聲束角度設(shè)置可以檢測到位于在工藝孔下方的鋼圈槽底部缺陷，以及不同大小缺陷的回波幅度?；夭ǚ群蛼卟橹兴纬傻娜毕菝娣e及實(shí)際缺陷大小呈正比關(guān)系。

關(guān)鍵詞：采油樹;法蘭;相控陣超聲;檢測工藝

中圖分類號：TE952"""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B""""""" doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.01.012

收稿日期： 2024-07-29

基金項(xiàng)目： 中海油科研項(xiàng)目“海上在役井井口裝置完整性檢測評估技術(shù)研究”（HFKJ-AH-STS202310）;中海油科研項(xiàng)目“基于視覺識(shí)別的海上石油作業(yè)人員不安全行為分析及預(yù)警技術(shù)研究”（KJGG-2024-17-0102）。

作者簡介： 李東杰（1993-），男，山東壽光人，工程師，碩士研究生，現(xiàn)主要從事石油天然氣工程安全風(fēng)險(xiǎn)評估及安全技術(shù)研發(fā)等方面的工作，E-mail：lidj25@cnooc.com.cn。

Research on the Inspection Process of the Flange Steel Ring Groove of Christmas Tree Based on Phased Array Ultrasonic

LI Dongjie1，WU Qibing1，LI Yuke2，ZHANG Shichao1，LI Yue1，WANG Guannan1

（1.CNOOC Safety amp; Technology Services Co.， Ltd.，Tianjin 300450，China;

2.Wuhan Zhongke Innovation Technology Co.， Ltd.，Wuhan 430074，China）

Abstract： In response to the issues encountered during the detection process of the flange steel ring groove of Christmas tree valves， a phased array ultrasonic detection technology-based fan scanning inspection method with varying angles was devised. A series of experiments was conducted on simulated test blocks. Following an in-depth examination of the detection process， the procedure for examining the flange steel ring groove of Christmas tree valves was established. The process validation experiment demonstrates that the detection process studied and analyzed in this article can effectively circumvent the bolt process holes on the flange， thereby enabling the detection of the side walls and bottom of the steel ring groove. By employing the oblique incidence fan scanning method and precise sound beam angle setting， the echo amplitude of defects of varying sizes situated below the process holes can be discerned， and the defect area formed in the scan is directly proportional to the actual defect size.

Key words： subsea trees; flange; phased array ultrasound; testing process

文章編號：1001-3482（2025）01-0073-05

采油樹是油氣生產(chǎn)的重要井口設(shè)備，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到油氣井能否安全、高效生產(chǎn)[1]。海上井口采油樹長期處于惡劣的海洋環(huán)境和復(fù)雜的工況條件下，隨著其投入使用年限的增長，會(huì)不可避免的出現(xiàn)腐蝕、沖蝕、滲漏及功能故障等缺陷[2]。特別是在閥體內(nèi)部、頸部以及法蘭鋼圈槽中容易產(chǎn)生腐蝕或裂紋類缺陷。采油樹內(nèi)部承受較大的生產(chǎn)壓力導(dǎo)致缺陷四周應(yīng)力集中現(xiàn)象的產(chǎn)生，給油氣井生產(chǎn)帶來重大的安全隱患，因此進(jìn)行采油樹裝置缺陷檢測非常必要。

井口裝置外形不規(guī)則，通常采用滲透、磁粉等表面檢測方法只能對工件表面、近表面檢測，無法檢測內(nèi)部缺陷。射線檢測受特殊結(jié)構(gòu)，壁厚差異較大，易產(chǎn)生布片困難以及檢測靈敏度低等問題，造成缺陷漏檢。常規(guī)超聲受壁厚和曲率等影響，存在缺陷信號識(shí)別難、缺陷定性及定位難、檢測部位是否完全覆蓋等問題[3]。因此采用超聲相控陣檢測技術(shù)進(jìn)行采油樹閥門相關(guān)的檢測工藝研究是必要的[4-5]。

1 檢測對象

采油樹閥門上的法蘭（如圖1所示）一般都成對出現(xiàn)，在上下法蘭連接面上各開有鋼圈槽，連接法蘭時(shí)，鋼圈放置在槽中，用螺栓將法蘭拉緊，通過鋼圈與槽面間的緊密嚙合來實(shí)現(xiàn)密封，因此除了法蘭本體之外，法蘭鋼圈槽的檢測也尤為重要。

2 檢測工藝

鑒于被檢測對象結(jié)構(gòu)型式不規(guī)則，且檢測部位較多，在法蘭位置還有用于連接螺栓的工藝孔，因此有必要對法蘭鋼圈槽超聲檢測工藝進(jìn)行研究。

2.1 檢測面的選擇

超聲波檢測需要探頭與檢測工件緊密接觸，對于不規(guī)則的外表面，針對不同檢測部位和可接觸面的大小來選擇合適的檢測面，并根據(jù)檢測面選擇合適的波形激發(fā)模式，保證覆蓋整個(gè)檢測部位，并讓聲束與可能存在的缺陷形成相互垂直的關(guān)系以獲取最佳反射。尤其對于點(diǎn)狀缺陷和與聲線垂直的面狀缺陷時(shí)，聲波能較好地反射回探頭，因此，檢測面要考慮缺陷的方向。對于法蘭鋼圈槽來說，其結(jié)構(gòu)特殊，只有法蘭圓周面可以作為檢測面，但該面為曲面，要考慮到聲線入射后的變化，以及對底面和側(cè)面的缺陷存在的方向性選擇合適的入射角度。

2.2 掃查方式

相控線陣系統(tǒng)能夠通過電子發(fā)射和接受合成的相位控制，實(shí)現(xiàn)聲束的掃查。主要包括線掃和扇掃兩種方式[6-7]。

相控陣線掃也叫B掃或電掃（E-Scan），具體實(shí)施為固定角度聲束[8]，其各個(gè)聲束具有完全相同的角度和聚焦特性，靈敏度一致，檢測能力一致，橫向分辨率高，能實(shí)現(xiàn)較長距離的一維電子掃查[9]。

相控陣扇掃一般指固定聲束位置，連續(xù)偏轉(zhuǎn)合成聲束的角度，記錄每個(gè)聲束的A掃波形數(shù)據(jù)，以聲束掃描角度和回波傳輸延時(shí)確定像素的位置，回波幅度確定像素的亮度或彩色，顯示所有回波記錄的過程[10-11]。形成的圖像外形像一個(gè)扇面（扇掃圖像）。扇掃的各個(gè)聲束具有相同的合成孔徑，聚焦深度具有一定規(guī)律，可以用等聲程聚焦、等深度聚焦或等距離聚焦[12-14]。掃描范圍隨深度增加而擴(kuò)大，探頭體積小，耦合面小，檢測靈活[15-16]。

對于法蘭鋼圈槽中易出現(xiàn)的裂紋這種具有不同方向性的缺陷，具有不同角度的扇掃是更合適的選擇。

2.3 聲場覆蓋

采油樹閥門法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有數(shù)個(gè)用于螺栓連接工藝孔。在相控陣探頭環(huán)繞法蘭圓周面檢測時(shí)，對檢測區(qū)域的有效覆蓋是十分重要的。因此，本文對法蘭鋼圈槽的底部及側(cè)壁分別設(shè)計(jì)了兩種掃查方式。

2.3.1 法蘭鋼圈槽底部缺陷檢測

對于法蘭鋼圈槽檢測，由于聲束首先需先穿過整個(gè)法蘭才能到達(dá)鋼圈槽，而法蘭厚度較大，因此選用縱波以保證有足夠靈敏度。而對于法蘭鋼圈槽底部缺陷，由于法蘭上螺栓工藝孔的存在會(huì)阻擋聲波的傳播，因此選用斜入射方式，保證聲束能在無工藝孔的位置入射到鋼圈槽。為了保證相控陣探頭環(huán)繞檢測一周后實(shí)現(xiàn)100%聲場覆蓋，只需要相控陣探頭的聲束角度范圍設(shè)置滿足其起始角度不大于0°，終止角度的設(shè)置可以使終止聲束線與鋼圈槽底部的交點(diǎn)超過法蘭螺栓工藝孔的中點(diǎn)，如圖2所示。通過這種設(shè)置，當(dāng)執(zhí)行單面雙側(cè)掃查時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)法蘭鋼

圈槽底部的全覆蓋掃查。

2.3.2 法蘭鋼圈槽側(cè)壁缺陷檢測

對于法蘭鋼圈槽側(cè)壁缺陷，缺陷位于側(cè)壁上，根據(jù)鋼圈槽的制作工藝，缺陷相較于法蘭圓周面具備一定角度，若探頭的主動(dòng)孔徑方向依然與法蘭圓周面長度方向平行，則在檢測過程中，探頭聲束線大部分聲能將會(huì)反射向其他方向，只有少部分聲能可以原路返回。這種情況將導(dǎo)致回波波幅下降，影響缺陷檢測結(jié)果。

為了提高檢測靈敏度，本文采用相控陣的橫向掃查方式，即相較于鋼圈槽底部缺陷檢測中探頭的掃查方式，將探頭旋轉(zhuǎn)90°，使探頭的主動(dòng)孔徑方向與法蘭圓周面長度方向垂直，如圖3所示。相控陣橫

向掃查方式將會(huì)使得相較于鋼圈槽側(cè)壁缺陷獲得具有更多角度的聲束，從而能夠?qū)Ψ较蛐匀毕荩缌鸭y等實(shí)現(xiàn)更好的檢測效果。

2.4 探頭設(shè)計(jì)

探頭的尺寸與頻率應(yīng)根據(jù)檢測面情況和檢測要求來制定。對于相控陣探頭，還應(yīng)在試驗(yàn)過程中確定陣元數(shù)量與聚焦位置等參數(shù)。確保每個(gè)位置都能讓聲場有效地覆蓋到整個(gè)被檢測部位，保證檢出率。由于在曲面上進(jìn)行檢測，探頭尺寸不宜過大，否則影響耦合，因此選擇晶片數(shù)更少的探頭，同時(shí)為了保證聲波能量滿足檢測靈敏，應(yīng)考慮增加單個(gè)晶片尺寸。

對于法蘭鋼圈槽中的兩個(gè)檢測區(qū)域，選用了5L32-0.6×10型和7.5L32-0.25×10型兩種探頭進(jìn)行檢測試驗(yàn)。設(shè)備采用中科創(chuàng)新的HS PA30-E型，對后文中的模擬試塊進(jìn)行檢驗(yàn)對比。鋼圈槽底部缺陷檢測結(jié)果如圖4所示，圖中黑色圓圈是缺陷信號，白色方框是相對應(yīng)的A超信號。根據(jù)檢測對比結(jié)果，5 MHz探頭的圖像聚焦能力較弱，缺陷影像放大明顯，而7.5 MHz探頭檢測結(jié)果中反射體回波影像聚焦效果更好，對于底面缺陷分辨力更好。因此選擇7.5L32-0.25×10型相控陣探頭檢測鋼圈槽底部缺陷。

鋼圈槽底部缺陷檢測結(jié)果如圖5所示，圖中黑色圓圈是缺陷信號，白色方框是相對應(yīng)的A超信號。針對法蘭鋼圈槽的側(cè)面信號檢測而言，5 MHz探頭在對小缺陷檢測時(shí)從圖像上和A掃信號看來，與側(cè)壁的底面反射信號均不太好分辨，但信噪比更高。而7.5 MHz探頭在檢測相同的缺陷時(shí)，無論是圖像還是A掃信號均與側(cè)壁底面反射信號之間有較好的分辨能力，但噪聲信號較大。因此，考慮側(cè)壁缺陷信號的檢出率，選擇5L32-0.6×10型作為檢測探頭。

2.5 參數(shù)設(shè)置

超聲探頭的近場區(qū)可以按式（1）進(jìn)行估算，與常規(guī)超聲相比，使用相同的檢測孔徑，相控陣超聲通過聲場調(diào)控可以將近場區(qū)范圍內(nèi)的檢測靈敏度提高[17]。

L=（1）

式中：L為近場區(qū)長度，mm;As為超聲探頭的激勵(lì)面積，mm2;λ為介質(zhì)中的超聲波波長。

當(dāng)選擇相控陣探頭激發(fā)孔徑為32個(gè)時(shí)，即可算出兩種探頭的近場區(qū)。5 MHz探頭的近場區(qū)約為51.79 mm，7.5 MHz探頭的近場區(qū)約為32.35 mm。因此，當(dāng)檢測區(qū)域位于近場區(qū)以內(nèi)時(shí)，應(yīng)盡量將聚焦深度設(shè)置為檢測深度附近，可以同時(shí)保證靈敏度及檢出率;當(dāng)檢測區(qū)域位于近場區(qū)以外時(shí)，應(yīng)合理設(shè)置聚焦深度，有必要時(shí)應(yīng)更換探頭以滿足有效的檢測靈敏度。

法蘭鋼圈槽結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有螺栓工藝孔的阻擋，具體的聲束角度設(shè)置以及探頭位置可通過建立檢測對象模型進(jìn)行聲線仿真確定，實(shí)時(shí)圖像化聲束傳播路徑及有效檢測區(qū)域，確定其余相關(guān)參數(shù)。

2.6 試塊

除了標(biāo)準(zhǔn)試塊外，對比試塊主要用于確定檢測靈敏度，考慮到采用扇形掃查，對比試塊應(yīng)采用類似半圓試塊這種進(jìn)行ACG校準(zhǔn)及檢測靈敏度的確定。

而模擬試塊則必須與被檢測對像結(jié)構(gòu)型式、材質(zhì)、尺寸基本一致，并且包含裝置上可能出現(xiàn)的缺陷，用于驗(yàn)證檢測方法的有效性?？紤]到需要對法蘭鋼圈槽的兩個(gè)檢測區(qū)域進(jìn)行檢測，本文制作了兩個(gè)模擬試塊用于檢測驗(yàn)證，如圖6所示。在鋼圈槽底面設(shè)置了?1 mm、深1 mm;?2 mm、深2 mm;?3 mm、深3 mm;?4 mm、深4 mm;?5 mm、深5 mm共5個(gè)人工平底孔。在鋼圈槽側(cè)壁設(shè)置了?1 mm、深1 mm;?2 mm、深2 mm;?3 mm、深3 mm共3個(gè)人工平底孔。

3 工藝驗(yàn)證

基于前文所述的檢測工藝及檢測器材進(jìn)行檢測，驗(yàn)證本文所述檢測工藝的有效性。在實(shí)際掃查過程中，可通過設(shè)計(jì)掃查器夾持兩個(gè)相控陣探頭，使探頭的主動(dòng)孔徑方向分別與法蘭圓周面長度方向垂直或平行，以及通過單面雙側(cè)的掃查方式實(shí)現(xiàn)鋼圈槽底部與側(cè)壁缺陷的同步檢測，如圖7所示。

檢查試塊檢測結(jié)果如圖8所示，可以看出，位于鋼圈槽底面與側(cè)面的缺陷在上述檢測工藝下，均能被檢測出，各不同大小缺陷的反射回波也與缺陷尺寸成正比，即缺陷越大，回波越強(qiáng)。

1） 試驗(yàn)證明工藝檢測有效，所有缺陷都能檢出。

2） 不同大小缺陷的回波幅度和掃查中所形成的缺陷面積及實(shí)際缺陷大小呈正比關(guān)系。

3） 采用斜入射扇掃方式，精確的聲束角度設(shè)置可以檢測位于工藝孔下方鋼圈槽底部的缺陷，需注意的是工藝孔也有回波信號，應(yīng)進(jìn)行區(qū)分。

4） 當(dāng)相控陣探頭掃查至工藝孔上方時(shí)，該區(qū)域下方鋼圈槽側(cè)壁為檢測盲區(qū)。

4 結(jié)論

1） 利用超聲相控陣檢測技術(shù)，通過制定和優(yōu)選法蘭鋼圈槽的檢測面與掃查方式等檢測工藝，研發(fā)了相應(yīng)的檢測探頭，實(shí)現(xiàn)了采油樹法蘭鋼圈槽底部及側(cè)部的缺陷檢測。制作了與采油樹法蘭相同的材質(zhì)、工藝的模擬缺陷試塊，對本文的檢測技術(shù)進(jìn)行了工藝驗(yàn)證，效果較好。

2） 針對法蘭鋼圈槽底部及側(cè)部的缺陷檢測，通過掃查器攜帶兩個(gè)檢測探頭，實(shí)現(xiàn)了鋼圈槽底部與側(cè)壁缺陷的同步檢測。檢測結(jié)果顯示缺陷越大，反射回波越強(qiáng)，反射回波與缺陷尺寸成正比。

3） 所建立的檢測工藝對于同類型的焊接接頭相控陣超聲檢測技術(shù)研究，以及油田采油樹的檢維修具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 汪曉磊，劉呈君，劉祥康，等. 采氣樹超聲相控陣檢測工藝優(yōu)化與應(yīng)用[J]. 鉆采工藝，2020，43（5）：78-81.

[2] 吳奇兵，張士超，曹義威，等. 基于模糊綜合評價(jià)法的海上采油樹安全分級[J]. 石油機(jī)械，2021，49（10）：65-70.

[3] 齊高君，王耀禮，丁成海，等. 小徑管管座角焊縫相控陣超聲檢測工藝[J]. 無損檢測，2019（10）：44-49.

[4] 賀飛龍， 聶辛麗.無損檢測技術(shù)在采油樹安全監(jiān)管上的應(yīng)用[J]. 石化技術(shù)，2024，31（8）：185-187.

[5] 汪曉磊， 劉呈君， 劉祥康，等. 采氣樹超聲相控陣檢測工藝優(yōu)化與應(yīng)用[J]. 鉆采工藝，2020，43（5）：78-81.

[6] 單寶華，喻言，歐進(jìn)萍，等. 海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)超聲相控陣檢測成像技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 海洋工程，2005，23（2）：104-107.

[7] 單寶華，喻言，歐進(jìn)萍. 超聲相控陣檢測技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 無損檢測，2004，26（5）：235-239.

[8] 潘亮，董世運(yùn)，徐濱士，等. 相控陣超聲檢測技術(shù)研究與應(yīng)用概況[J]. 無損檢測，2013，35（5）：26-29.

[9] 潘文超. 基于相控陣的聲傳播規(guī)律及在缺陷定量中的應(yīng)用研究[D]. 南昌：南昌航空大學(xué)，2015.

[10] 呂慶貴.超聲相控陣成像技術(shù)研究[D].太原：中北大學(xué)，2009.

[11] 趙番.超聲相控陣和數(shù)字射線檢測在燃?xì)饩垡蚁┕艿离娙廴毕莘治鲋械膽?yīng)用[J].石油化工設(shè)備，2024，53（3）：65-70.

[12] 程繼隆.超聲相控陣檢測關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

[13] 徐火力，楊天雪，石祥，等.含缺陷模擬試塊的超聲相控陣檢測能力探討[J].石油化工設(shè)備，2023，52（1）：1-8.

[14] 駱國防. 電網(wǎng)設(shè)備超聲檢測技術(shù)與應(yīng)用[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社， 2021.

[15] 胡志南.超聲相控陣檢測與成像技術(shù)的研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013.

[16] 鄔以三.超聲相控陣鋼軌探傷方法研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2011.

[17] 原可義， 吳開磊， 楊齊，等. 相控陣超聲檢測中的近場和遠(yuǎn)場選擇[J]. 無損檢測， 2019（3）：1-5.

（編輯：韓睿超）