水浸法儲氣井超聲測厚儀開發

簡翰鳴，徐 巖，葉柏恒

（1.南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016；2.南京駿博特信息科技有限公司，江蘇 南京 210007）

水浸法儲氣井超聲測厚儀開發

簡翰鳴1，徐 巖1，葉柏恒2

（1.南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016；2.南京駿博特信息科技有限公司，江蘇 南京 210007）

壓縮天然氣（CNG）儲氣井是目前我國主要的天然氣存儲裝置，國家監督與檢驗機構對儲氣井存在的泄露、腐蝕等不安全因素需進行定期檢查與評估。目前，國內CNG儲氣井缺少高效可靠的專用檢測儀器，在參考國內外相關儀器的基礎上，利用水浸法超聲波測厚原理，研發一種便攜式儲氣井超聲測厚儀，該儀器在檢驗精度達到儲氣井安全檢測標準的基礎上，具有價格低、體積小、耐腐蝕、重量輕、操作簡便、測厚效率高等優點；同時，還開發檢測數據處理軟件，能實現儲氣井安全與否的快速評估、危險部位提醒及腐蝕預判等功能，為儲氣井安全檢測提供有效手段，填補國內此類儀器的空白。

壓縮天然氣；儲氣井；便攜；超聲測厚儀

0 引 言

壓縮天然氣（CNG）儲氣井與傳統地面儲氣容器（氣瓶和球罐）相比具有安全、高效、占地面積小、經濟、環保等優勢，被廣泛應用于CNG加氣站等場所。目前我國儲氣井約有8000口，而且數量保持著快速的增長。由于多種原因，大量儲氣井存在著失效的安全隱患。自建成至今，已有許多儲氣井出現了井筒上冒、下沉、排液管管口斷裂、氣體泄漏、爆炸等失效形式。造成儲氣井失效的主要原因有：井筒受外部環境腐蝕，筒壁變薄；井筒受內部氣體雜質H2S，水蒸氣等腐蝕，造成筒壁變薄；螺紋連接強度減弱，螺紋密封面漏氣等[1-5]。

目前我國比較缺少成熟的CNG儲氣井檢測裝置，長期以來依靠“聽、摸、看、聞”判斷儲氣井運行情況，檢測可靠性較低[6]。國外對于CNG儲氣井的檢測也沒有成熟的研究報告，基本是借用石油行業的管路檢測標準及方法。對于輸油氣管的檢測，德國的智能爬機（smart pig）的檢測方法主要是使用漏磁、超聲波等陣列傳感器自動檢測出管道的內外壁腐燭情況，檢測結束之后再對檢測數據進行分析；日本的智能爬機的檢測方法主要是采用直流磁化的方法[7-9]。但經過野外檢測的實踐表明:日本NKK公司的超聲管道智能爬機的檢測效率只有73%，德國ROTOMAT和FOTOMAT智能爬機對地下管道的檢測效率更低，只有61%[10]；且國外的智能爬機主要用于水平管道的腐蝕檢測，并不適宜檢測我國的垂直結構CNG儲氣井。

本文根據國內最大儲氣井生產安裝企業，根據單位與質量檢驗機構提出的檢測需求，在廣泛調研國內外檢測裝置的基礎上，提出利用超聲測厚的原理開發專用的儲氣井超聲測厚儀。檢測精度達0.1mm，在標定管內測得的結果準確可靠，達到相關規定的檢測要求。較之現有的儀器，機身輕便小巧，方便操作與攜帶，儀器成本較低，檢測速度較快，檢測一口100m深的儲氣井時間約為40～50min。

1 超聲檢測基本原理

超聲波測厚是目前國內外檢測管道壁厚的主流手段，儲氣井壁的腐蝕主要以厚度均勻減薄為主，其他手段如漏磁檢測、視頻檢測、渦流檢測對管壁的均勻減薄均不敏感，射線檢測成本較高，易對人體造成傷害[10-11]，這是采用超聲波水浸測厚方式的基本依據。儲氣井是埋在地下各套管用接箍連接的高壓容器，設計壓力為27.5 MPa，外部用水泥澆灌固定，其具體結構見圖1。

圖1 壓縮天然氣儲氣井結構簡圖

超聲波水浸測厚方法為先在儲氣井內灌滿水，然后放下探測儀器。超聲波發射后，在水/鋼分界面上，一部分超聲波反射回探頭，在探頭處被探頭接收和繼續反射，另一部分超聲波在水/鋼界面進入管壁并在鋼/水泥界面被反射回水/鋼界面，其中一部分超聲波穿過水/鋼界面回到探頭，另一部分又被反射回鋼/水泥界面，如此往復循環下去。根據超聲波在管壁中反射不同次數的聲程差，即可求得管壁厚度[12]。

2 檢測要求與外部條件

我國的儲氣井分為兩種規格：

1）7″儲氣井（井筒直徑177.8mm，壁厚10.36mm）系列產品（法蘭式、旋塞式）。

2）9-5/8″儲氣井（井筒直徑 244.5 mm，壁厚11.05mm）系列產品（法蘭式、旋塞式）。

根據有關標準，儲氣井檢測儀器的檢測精度應不低于0.1mm。除井口裝置、井底裝置和接箍部位外，壁厚檢測應無檢測盲區。自動記錄壁厚檢測全部超聲波形和對應的位置數據，可離線復驗檢測數據[13]。

常見7″（1 in=25.44 mm）儲氣井最深為200 m，9-5/8″儲氣井儲氣井最深為155 m，由于探測時儲氣井筒需灌滿水，水下每100m，壓強增加約1MPa，因此儀器按承壓2.5 MPa的強度及密封條件進行結構與密封設計。

3 儀器結構設計

3.1 總體結構

探測儀器主要由探頭組、上下扶正器、控制面板、存儲介質、電池、升降機構組成，儀器探測的數據可存儲在U盤中，探測后取出導入電腦進行數據分析。探頭連接的電池和電路板放置在鈦合金的圓筒中。面板上設有USB接口，并可記錄儀器的使用次數，便于定期維護保養。儀器底部裝有橡膠墊，以緩沖下降到井底時的撞擊。圖2為探測儀樣機的結構。

3.2 探頭排列

由于儲氣井壁腐蝕的主要方式為壁厚均勻減薄，儀器選用了16個超聲探頭，延周向均勻分布在儀器底部。每個探頭可測得直徑約6mm的圓形范圍。

圖2 探測儀樣機結構圖

檢測時將儀器豎直放下直至井底，提升過程中即可測量。

3.3 扶正結構

儲氣井壁上往往粘有凝固的油塊，兩段井筒連接處有接縫，這為儀器在儲氣井中平穩移動帶來了困難。為了提高測厚儀在井中的通過性，并具有良好的扶正效果，扶正器采用彈性加滾動的方式，儀器上下兩組扶正器，每組4個滾輪，輪下安裝彈簧。給彈簧提供導向的軸直徑較小，以防萬一探測時儀器被卡在井內，可拉斷扶正器中彈簧內的導向軸，將儀器拉出。

3.4 儀器強度

測厚儀在水下工作，最大要承受約2MPa的壓強，本文按照2.5MPa的對儀器進行強度設計。整個儀器最薄弱的地方在儀器中間用于放置電路板及電池的主筒體，兼顧強度與重量的因素，中間的圓筒選用鈦合金制造，其厚度為8mm。其他部分用不銹鋼制造，最薄部分為在上下扶正器筒處，為7.5mm。本文對儀器結構中最薄弱幾處進行了強度計算，經強度校核完全能滿足使用環境的要求。

3.5 密封結構

儀器的主筒體和上下扶正器使用螺紋連接，螺紋連接長度為25mm，另在螺紋中加入生膠帶，達到密封效果；下扶正器和探頭座之間的連接也為螺紋密封，長度為20 mm，并加入生膠帶；上扶正器和上端蓋之間也為螺紋連接，長度為45mm，因為面板需經常打開，增加螺紋長度以保障其密封性。另外，在各螺紋連接的端面都加有密封圈。探頭和探頭座之間放入一片硅膠墊片，并將探頭和探頭座的連接處涂膠密封。

4 儀器軟硬件開發

4.1 硬件系統開發

硬件系統由探頭組，兩塊超聲波發射與接收電路板，一塊檢測數據處理與轉存電路板，一塊面板及電池組成。在目前的試驗機型上，安裝有16個探頭，頻率為5 MHz，由兩塊聲波發射與接收電路板連接16個探頭，每塊電路板連接8個探頭。連接探頭的這兩塊電路板負責調整超聲波發射參數，并接收探頭檢測的數據，第3塊電路板通過處理器賦予數據時間屬性以便計算所探測點的深度，然后將其中的數據轉存到面板上的U盤中。面板由USB接口、電源開關、工作開關、電源指示燈、工作指示燈、充電接口等組成。其中電源開關用于儀器接通電源，接通時電源指示燈亮起，當按下工作開關時，工作開關亮起，探頭組開始發射超聲波，U盤開始記錄數據。儀器設置為每秒從16個探頭獲取1000次數據，每次數據傳輸一個探頭的波形圖。電池容量為20Ah，可供儀器使用至少4～5 h。目前儀器的探測速度為5 m/min，按井深150～200 m計算，檢測每口井約需60～80min，則一次充電可以測量約4口井。硬件系統工作的流程圖如圖3所示。

圖3 硬件系統工作流程圖

4.2 應用軟件功能開發

將數據存儲在U盤中，在電腦端軟件可分析探測結果。如圖4、圖5所示。

儀器共連接了16個探頭，即為16個通道，客戶端中可查看每個通道在儲氣井中任意位置的波形圖。圖4為通道1的波形圖，其中橫軸顯示了采集的數據點個數，縱軸顯示了超聲波信號經處理后的強弱。儀器可以調整數據點的聲程，現設置為100個數據點對應聲程10mm。計算壁厚時通過數據分析找出波形圖中的每個波峰，計算波峰間的平均數據點數，對應的聲程即為所測壁厚，在波形圖的左上角顯示。由于儲氣井內壁表面復雜，有時會接收到雜波，因此還需先進行濾波，將雜波過濾。

圖4 通道1波形圖

圖5為每個探頭測得儲氣井壁厚的情況，顏色由綠到紅的變化表示儲氣井壁厚度由厚變薄，灰色為異常（探測器已拿出管道）。客戶端軟件另可生成檢測結果餅狀圖，不同范圍的壁厚數據所占百分比可從圖中直觀看出，以了解儲氣井腐蝕的整體情況。

圖5 探頭檢測結果

5 樣機測試

5.1 實驗室測試

為測量儀器使用情況，制作了一段厚度不均勻的9-5/8″儲氣井井筒樣件；由于儲氣井井口比井筒略小，為測試儀器是否能順利通過井口，制作了7″與9-5/8″井口模擬件，即在一段井筒上放置與井口內徑相同的套筒。測量時將井筒放入水箱，將水箱加滿水后進行測試（如圖6所示）。

為測量儀器性能，設計了兩種缺陷：1）沿筒壁圓周方向厚度不等的缺陷；2）沿筒壁豎直方向厚度不等的缺陷。

圖6 實驗室測試裝置

第1種缺陷，筒壁一周的厚度分別為9.05，8.5，8.0，7.5，6.95，6.48mm，表1為實際數據與測得數據的對比，測得數據取16個通道所測數據的眾數。

表1 第1種缺陷測量結果

第2種缺陷，筒壁從上到下的厚度依次為8.95～9.00 mm，8.45～8.50 mm，7.95～8.00 mm，測量結果如表2所示。

表2 第2種缺陷測量結果

試驗表明，儀器所測結果比較接近真實值，誤差≤0.1mm。

5.2 現場測試

儀器分別在四川自貢、安徽全椒、安徽蚌埠針對7″儲氣井和9-5/8″儲氣井進行了現場測試，測試時通過替換上下扶正器上直徑不同的輪子及長度不同的彈簧、螺桿以適應7″儲氣井和9-5/8″儲氣井的內壁尺寸。在現場測試中，增加了扶正器螺桿的直徑，并選用了更合適的輪子，優化了軟件界面，使檢測結果更為直觀。

測試總結如下：

1）測試50～200 m深度，設備可順利進出井口，在井中下放、上拉順暢，密封效果良好；

2）測試速度為3～7.5 m/min，獲取檢測數據為1000次/s，發現速度≤5m/min時檢測效果較好；

3）讀取數據正常；

4）分析數據正常；

5）達到標準中規定的要求。

6 結束語

本文基于水浸法超聲測厚的原理，開發了高效可靠的便攜式超聲波測厚儀。經現場測試，儀器性能達到設計要求，可以完成對儲氣井壁厚度的檢測情況，較之現有儀器重量較輕、體積較小，便于攜帶與操作，具有良好的工程實用價值。下面根據實際情況提出改進思路：

1）設置打撈接口，防止跌落井中沒法救出；

2）現在檢測數據是存在U盤上的，探測完成后取出存入電腦分析。考慮改為通過電纜實時傳送到電腦分析探測情況，這樣可以實時掌握探測結果，對有腐蝕的地方可反復測量；

3）扶正器結構改為更容易更換的形式。

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[11]程冬冬.便攜式鋼管漏磁檢測儀的研究[D].合肥：合肥工業大學，2011.

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（編輯：劉楊）

Development of gas storage well thickness ultrasonic measuring device by water immersion method

JIAN Hanming1，XU Yan1，YE Baiheng2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics&Astronautics，Nanjing 210016，China；2.Nanjing Jumpbyte Information Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210007，China）

Compressed natural gas（CNG）storage wells are currently the mostly applied equipment for storage of natural gas in China.National monitoring and inspection agency will conduct regular inspections and assessments on leaks，corrosion and other unsafe factors of gas storage wells.At present，domestic CNG storage wells lack efficient and reliable detective devices.Based on the reference to related devices in China and abroad，a portable ultrasonic thickness measuring device forgas storage wells is developed byusingwaterimmersion ultrasonicthicknessmeasuring method.Thedevice hasthe precision meeting the detection safety standardsand hasthe advantages oflow price，smallsize，corrosion resistance，lightweight，simple operation，efficiency in detection，etc.At the same time，a data-processing software is developed which can realize quick safety assessments of storage wells， hazardous location warning， corrosion prejudgment，etc.It provides an effective means for gas storage well safety check and fills the blank of such domestic instruments in China.

compressed natural gas（CNG）；gas storage well；portable；ultrasonic thickness measuring device

A

：1674-5124（2016）12-0082-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.12.017

2016-03-28；

：2016-05-05

簡翰鳴（1992-），男，江蘇徐州市人，碩士研究生，專業方向為材料加工工程。