鉆桿超聲波探傷的自動化研究

張國杰,孫洪大,侯培勇

（渤海能克鉆桿有限公司,河北 青縣 062658）

鉆桿超聲波探傷的自動化研究

張國杰,孫洪大,侯培勇

（渤海能克鉆桿有限公司,河北 青縣 062658）

簡述超聲波檢測原理及國內鉆桿行業的應用現狀，列舉相控陣技術在鉆桿探傷的應用，針對石油鉆桿超聲波探傷自動化程度、控制精度、探傷效果等問題系統分析并完成了一種自動化探傷設備的設計。

鉆桿;超聲波;探傷;自動化;研究

0　 前言

石油鉆桿是鉆井時用于傳遞動力、輸送泥漿的主要工具，需要承受各種復雜交變的載荷，如拉、壓、扭、彎曲等應力，因此要求鉆桿具有良好的力學性能以承載鉆井過程中的各種內外應力，而其中工具接頭與管體對焊的質量更是其中的重中之重。目前國內鉆桿廠家多采用摩擦焊接的方式完成工具接頭與管體的對焊，后經過熱處理來滿足焊區的機械性能。通過磁粉探傷及超聲波探傷完成焊區及其熱影響區的質量檢驗，其中超聲波探傷更是焊區內部焊接質量的重要檢測手段，對整個石油鉆桿的生產加工具有重要意義。

1　 超聲波檢測原理及國內鉆桿行業的應用現狀

目前國內主要鉆桿生產廠家均采用摩擦焊接的方式完成工具接頭和管體的焊接，焊接面高速摩擦并在壓力的作用下與待焊接面接觸，其界面及附近溫度升高，界面的氧化膜破裂，材料呈塑性狀態，通過界面的擴散和再結晶反應而實現固態焊接。焊接后通過內外飛邊的去除及焊區熱處理完成鉆桿的生產過程。而在這一過程中產生的鉆桿焊區缺陷主要由以下幾種類型：

（1）摩擦焊形成的“灰斑”缺陷，主要是因兩個摩擦焊接表面間異常區域存在很薄的平面夾饃，其存在會導致焊接表面金屬結合不良所產生。

（2）沖切內飛邊所導致的工藝缺口，主要是由于沖切內飛邊技術及工裝的缺陷導致對管體內表面的劃傷，可視作內表面裂紋。

（3）熱處理所致裂紋，鉆桿熱處理過程由于退火和回火溫度較低，很少出現缺陷，而淬火調質過程中溫度高，出現淬火裂紋的可能性較大，且主要在焊縫及熱影響區出現。

在上述缺陷的檢測及解剖驗證中，發現這些缺陷多屬于面狀、片狀，多與鉆桿表面相垂直，適合采用超聲波探傷完成其焊區及熱影響區的探傷檢測。

超聲波探傷是無損檢驗的一種，其中脈沖反射式超聲波探傷儀應用的最為廣泛。在均勻的材料中，缺陷的存在將造成材料的不連續，這種不連續往往又造成聲阻抗的不一致，超聲波在兩種不同聲阻抗的介質的交界面上將會發生反射，可以通過反射回來的能量的大小與交界面兩邊介質聲阻抗的差異進行缺陷大小位置的判定。探傷儀在主電路接通后，發射電路受觸發產生高頻電脈沖加至探頭，通過探頭中壓電晶片的逆壓電效應，激勵壓電晶片振動，發射超聲波。超聲波在管材中傳播，遇缺陷發生反射，返回探頭時，又被壓電晶片的正壓電效應轉變為電信號，經接收電路放大和調理并顯示出來。

目前國內大部分鉆桿生產廠家主要采用人工手探的方式進行鉆桿焊區及其熱影響區的超聲波探傷。在探傷過程中鉆桿進行勻速的軸向旋轉，人工手持探傷儀探頭完成鉆桿焊區的探傷作業。首先人工探傷無法保證探傷區域可以覆蓋整個焊區，其次人工探傷的效果必然受到探傷工的影響，從而導致探傷效果的不確定性，進而影響到鉆桿的整體質量檢驗效果，對鉆桿井上作業也產生了不良影響。

2　相控陣技術在鉆桿探傷的應用

自20世紀90年代中期起，超聲波相控陣技術就開始在歐、美、日用于壓力容器和壓力管道熔化焊縫的質量檢測，也用于一些重要機電設備如汽輪機葉片（根部）和渦輪圓盤等內部缺陷的檢測。

相控陣超聲波探傷法有四大特點：（1）可用計算機軟件控制聲束角度、聚焦距離和焦點尺寸；（2）可用單個小型的電控多元探頭在同一位置作多角度檢測；（3）可對復雜的幾何形狀進行檢測，其機動、靈活性較大；（4）配置機械夾具，可對整個試件作高速、全面掃查。相控陣靠相控陣探頭的電子掃描，可使超聲波束任意設定偏向角和聚焦深度，能使探傷條件最佳化，而且由于探傷圖像可視化，有實時檢出缺陷、評定缺陷的優點。

用相控陣探頭對焊縫作橫波斜探傷時，無需像普通單探頭那樣在焊縫兩側頻繁地來回前后移動，而是進行焊縫長度方向的全體積掃查。其探傷范圍可以根據產品需要進行調整，以達到完美覆蓋探傷區域的目的。但相控陣技術在國內鉆桿行業使用較少，設備價格及維護費用較高，目前僅上海寶鋼的鉆桿廠家使用該種方式進行焊區超聲波探傷。

3　伺服系統在超聲波探傷中的應用

隨著電機理論、永磁材料、電力電子技術、控制理論和計算機技術的驚人發展，交流伺服系統的研究和應用，自20世紀70年代末以來，取得了舉世矚目的進展，已具備有寬調速范圍、高穩速精度、快動態響應及四象限運行等良好的技術性能。通過螺旋、曲柄連桿、肘桿或其它機構將電機的旋轉運動轉化為滑塊所需的直線運動。不但可以保持機械驅動的種種優點，而且改變了其工作特性不可調的缺點，使機械驅動的成形裝備也具有了柔性化、智能化的特點，工作性能和工藝適應性大大提高。

利用伺服系統完成超聲波探傷探頭行走的控制，可以完成探頭行走的速度、距離控制，以達到完成整個探傷過程的全控制。同時利用伺服系統的柔性化特點，可以使得探頭行走更加平穩，大大提高了探傷效果。

4　基于伺服系統的超聲波探傷設備優點及發展前景

4.1 探傷全面覆蓋焊區

通過伺服系統的控制，可以實現探頭在探傷過程中勻速行走，同時具備調整探頭行走速度的功能，通過速度調整結合鉆桿自身軸向旋轉速度，計算出探頭行駛的最佳速度，保證探傷區域的全覆蓋。同時利用伺服系統可以完美控制探傷行走距離，適應各種規格鉆桿的焊區超聲波探傷。

4.2 生產流程自動化

利用伺服系統，可以完成鉆桿超聲波探傷的自動化設計，大大提高了生產效率，大幅降低了因人為因素導致的漏檢、誤判等情況。

4.3 提高探傷效果

利用伺服系統控制柔性化的特點，使探頭行走勻速平穩，同時利用外圍輔助的減震系統，大大降低了鉆桿旋轉過程中產生的震動對探傷檢測的影響。提高了探傷效果，

4.4 超聲波檢測的數字化發展

結合鉆桿超聲波探傷的自動化發展，采用新型的數字化探測設備，開發上位機軟件形成每根鉆桿的探傷記錄，結合MES（制造企業生產過程執行管理系統）的推廣普及，形成鉆桿生產加工檢驗的打包記錄，使得每一根鉆桿的入廠信息、生產過程、檢驗結果有據可查，完善鉆桿生產流程，提高產品追溯性。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.192