采油樹閥門的超聲相控陣檢測

朱祥軍,張祥來,張志東

(中國石油集團川慶鉆探工程有限公司安全環保質量監督檢測研究院,德陽618300)

采油樹閥門的超聲相控陣檢測

朱祥軍,張祥來,張志東

(中國石油集團川慶鉆探工程有限公司安全環保質量監督檢測研究院,德陽618300)

通過對不同類型和部位的人工缺陷進行檢測,并對相控陣檢測方法不斷改進,分析出超聲相控陣檢測采油樹閥門的方法和檢測時相控陣設備的具體參數設置,并通過試驗驗證了其準確性。結果表明,超聲相控陣檢測技術可以檢測出采油樹閥門缺陷,為超聲相控陣檢測技術在采油樹缺陷檢測上的應用奠定了基礎。

采油樹;閥門;超聲相控陣

井口采油樹是石油天然氣開采過程中使用的核心設備之一,是用于油氣井的氣體控制,為油氣井產出提供出入口的采輸裝置。目前,國內外井口采油樹運維技術仍處于返場拆檢、換件維修、靜態無損檢測、功能試驗及靜水壓試驗階段。檢修方面僅能依據API Spec 6 A－2010《井口裝置和采油樹設備規范》和GB/T 22513－2013《井口裝置和采油樹規范》等產品制造規范。在不停產的情況下,從外部進行檢測的常規技術有:磁粉檢測(MT)、滲透檢測(PT)、超聲檢測(UT)、聲發射檢測(AE)、射線檢測(RT)、磁記憶檢測(MMM)以及電磁檢測等。在不停產的情況下,采油樹所在區域不能動電、動火,因此無法對其進行打磨,因而常規檢測技術無法得到預期的檢測效果,因此都無法應用于現場。

超聲相控陣檢測技術相比常規無損檢測技術有突破性的進展,特別是對結構復雜試件的檢測有較好的效果。該系統是由多個相互獨立的陣元晶片按一定的順序排布成陣列換能器,通過電子系統對陣列換能器中陣元的相位進行控制,形成合成波束,具有電子掃描、動態聚焦、聲束偏轉、三維成像等特點,與常規超聲波檢測技術相比,具有更高的分辨力和檢測靈敏度[1－3]。筆者通過對不同類型和部位的人工缺陷進行檢測,分析出超聲相控陣檢測采油樹閥門的方法和檢測時相控陣設備的具體參數設置。

1 采油樹的檢測方法

采油樹的失效部位主要集中在閥門位置[4－5],而閥門失效主要在3個區域:第一個是內表面,主要是內部與介質有接觸的部位,具體為閥門兩端與法蘭之間管體內部;第二個是法蘭密封面,主要是鋼圈槽以內部分,鋼圈槽以外的部分接觸介質較少,不容易發生腐蝕;第三個是外表面,外表面主要是由于雨水、風沙等環境原因會引起腐蝕、沖蝕。典型的閥門結構示意如圖1所示。

圖1 典型的閥門結構示意

由圖1可以看出,由于閥門結構復雜,又不是規則的整體,存在鋼圈槽、法蘭面、通孔等結構,常規的超聲波檢測或TOFD都無法進行有效的檢測;由于現場不允許打磨,所有的表面檢測手段都不能滿足檢測要求;磁記憶檢測對復雜件無法定位和定性,也不能應用于現場。

超聲相控陣檢測原理與常規超聲類似,但超聲相控陣扇形掃查是通過控制角度使其產生固定的陣列孔徑和偏轉,而常規超聲只能產生某一個固定角度的聲束。相控陣扇形掃查由一系列不同角度的A掃查組合而成。只要控制好扇形掃查的起始和終止角度,以及角度步進,就可形成扇掃圖像。每個扇形掃查具有的A掃查數的表達式如下:

式中:Anum為A掃查數;θmin為扇形掃查的起始角度;θmax為扇形掃查的終止角度;α為角度步進。

超聲相控陣檢測技術可實現動態聚焦、扇形掃查和三維成像。并且可以根據被檢試件的結構特點和檢測需要,選擇不同的探頭、設計不同的聲束掃查方案,從而實現對結構復雜試件的檢測。

2 試塊加工設計

2.1 局部缺陷試塊

根據65-70(通徑為65 mm,壓力為70 MPa)閥門的尺寸專門加工了一塊具有法蘭面的試塊,該試塊共有6個人工缺陷,在鋼圈槽內加工深度2 mm、直徑3 mm平底孔,深度5 mm、直徑3 mm平底孔和深2 mm、寬2 mm、長10 mm刻槽,并在鋼圈槽下表面留下3個長10 mm,深分別為2,5,9 mm的缺口,試塊一結構示意如圖2所示。

圖2 試塊一結構示意

2.2 含缺陷閥門試塊

研究對象是一只65-35的閥門,其中一個法蘭面保持不變,另一個面上制作了8個人工缺陷,分別是2個φ1 mm鉆孔、3個φ2 mm鉆孔、1個脫落、1個劃痕、1個凹坑。含缺陷閥門試塊二示意如圖3所示。

圖3 含缺陷閥門試塊二結構示意

2.3 試驗驗證試塊

在閥門的法蘭面加工缺陷,驗證超聲相控陣技術的準確性,附帶對閥門的內表面和閥門兩側頸部內表面缺陷進行了研究,加工缺陷共19個,其中閥體內部4個,法蘭面8個,頸部7個。為了驗證準確性,將一個完整的閥門對半分開,一半不變,另一半加工缺陷,試塊外觀及內部結構示意如圖4,5所示。

圖4 試塊三閥體內缺陷尺寸

圖5 驗證試塊三內部結構示意

3 檢測試驗及分析

3.1 檢測系統

采用以色列SONOTRON NDT公司生產的ISONIC 2010儀器進行檢測試驗。相控陣線性陣列換能器中心頻率4 MHz,晶片數量16個,晶片單元寬度0.5 mm,晶片高度9 mm,檢測采用16發16收模式,檢測前使用半圓試塊做角度增益補償。

3.2 試塊一試驗及分析

對試塊一的6個缺陷分別進行檢測,所有缺陷均被識別出來,試塊一檢測結果如圖6所示。

圖6 試塊一檢測結果示意

3.3 試塊二試驗及分析

對試塊二進行試驗,通過對比以及反復驗證,1, 3,5,8號缺陷(鉆孔)能檢出,2號缺陷(脫落)、6號缺陷(劃痕)能檢出,4號缺陷(凹坑)、7號缺陷(鉆孔)無法檢出。研究人員分析4號缺陷由于沒有反射面,無法接收反射波;7號缺陷由于結構原因導致中間存在空氣,聲波無法及時到達缺陷處。試塊二試驗結果如圖7所示。

3.4 驗證試驗及分析

根據上面兩個試塊的檢測結果,發現對閥門不同部位、不同類型的缺陷,必須對檢測參數如:入射角、聲速、增益、低頻、高頻等不斷調整,才能得到較好檢測結果。

為了驗證這個結論,對第三塊試塊進行檢測。先直接對閥門法蘭面進行100%檢測,發現缺陷信號后再反過來查看是否存在缺陷的方式進行。試驗驗證中,法蘭面8個缺陷共有4個缺陷被發現,法蘭部位孔型缺陷檢測結果如圖8所示。

圖7 試塊二試驗結果

圖8 法蘭部位孔型缺陷檢測示意

另外4個缺陷沒有檢出,分別是小直徑的孔型缺陷和劃痕,還有一條磨損帶,如圖9所示。經反復分析,最后認為,有的缺陷是由于加工尺寸太小,已經超過檢測設備的精度,所以無法識別;有的缺陷是由于所處位置在鋼圈槽內,人工缺陷產生回波與工件結構回波重疊,無法識別。

圖9 未發現的缺陷示意

此外,對頸部和閥體也同樣采用不斷調整參數的方式進行100%檢測,所有11個缺陷均被準確檢測出,檢測結果如圖10,11所示。

3.5 帶涂層檢測

對打磨前和打磨后閥門的同樣部位進行檢測,對比檢測結果。由于閥門是左右對稱結構,因此在試塊二和試塊三的閥體中心位置分別加工一個φ2 mm,深2 mm的孔缺陷。在閥體表面上,左邊打磨干凈,右邊涂油漆層。利用涂層測厚儀對不同廠家、不同型號的閥門測量涂層厚度,結合生產廠家提供的資料,閥門表面的油漆厚度一般為0.10～0.18 mm。因此從涂層厚度為0.1 mm開始進行檢測對比,然后不斷增加噴涂次數以增加涂層厚度,直至0.2 mm。沒有油漆層一面為A,有油漆層一面為B,對比A、B兩面檢測同一缺陷的dB值,并記錄dB差。有無涂層相控陣試驗結果對比如表1所示。

圖11 閥體檢測結果

表1 有無涂層相控陣試驗結果對比

結果顯示,對涂上油漆后的閥門進行相控陣檢測,依然能夠接收到完整的反射波,與沒有油漆層相比靈敏度相差最大為0.4 dB。可以表明,現有的閥門油漆層對相控陣檢測不會造成影響。

4 結論

(1)利用相控陣技術對閥門的法蘭面進行檢測,檢測缺陷包括凹坑和腐蝕面,對頸部內表面的腐蝕坑、腐蝕面以及閥體內部的腐蝕坑都能很好地識別出來。

(2)檢測精度可以達到識別1 mm寬的缺陷。

(3)利用不同的傳感器及楔塊,通過不斷調整聲波入射角和檢測寬度可以識別不同位置和類型的缺陷。

(4)根據不同位置,必須采用不同的檢測參數才能有效地檢測出缺陷。

(5)閥門法蘭面的鋼圈槽及以外部分的缺陷無法檢測到。

(6)利用相控陣技術可以對有油漆層的采油樹進行檢測,檢測結果準確性和沒有油漆層的一致。

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[2] WOOH S C,SHI Yi-jun.Optimum beam steering of linear phased arrays[J].Wave Motion,1999,29:245-265.

[3] 單寶華,喻言,歐進萍.超聲相控陣檢測技術及其應用[J].無損檢測,2004,26(5):235-238.

[4] 王燁煒,楊昭勇,陳增輝,等.蘇里格氣田井口采油樹常見故障原因分析及對策[J].石油和化工設備,2014 (7):87-88.

[5] 李太元.目前采氣井口存在的特殊問題及對策[J].鉆采工藝,2002(3):57-59.

The Ultrasonic Phased Array Detection of Christmas Tree Valve

ZHU Xiang-jun,ZHANG Xiang-lai,ZHANG Zhi-dong
(Safety Environment Quality Surveillance and Inspection Research Institute of CNPC Chuanqing Drilling&Exploration Co.,Ltd.,Deyang 618300,China)

The Christmas tree equipment is one of the key equipments in the process of oil and natural gas production,but a lot of trees are rarely maintained and inspected once put into use,this will have a very big security risk.So,it is necessary to detect without stop production,but the current standard and conventional detection methods can not meet the need.We find out the technology about inspecting Christmas tree with ultrasonic-phasedarray and find out the specific parameter setting,and its accuracy is verified by experiment through studing of the artificial defects,and simulating various types of the defects possibly and in different parts of the defects,and through continuous improvement and debug.The study in this work shows the advantages of the ultrasonic-phasedarrays inspection technique,providing a foundation for the engineering application of using ultrasonic-phased-arrays inspection technique to detect the Christmas tree equipment.

Christmas tree equipment;Valve;Ultrasonic phased array

TG115.28

:A

:1000-6656(2017)01-0005-05

10.11973/wsjc201701002

2016-04-07

朱祥軍(1978－),男,本科,高級工程師,主要從事無損檢測及研究工作。

朱祥軍,E-mail:35653934＠qq.com。