壓裂管匯無損檢測方法改進

(中石化西南石油工程有限公司，四川 德陽 618000)

高壓管匯廣泛用于油氣行業中，例如鉆井、固井、壓裂、酸化、試油氣等。鉆井、固井高壓管匯的工作壓力一般低于70 MPa，而壓裂酸化、試油氣管匯的工作壓力通常在70 MPa以上。隨著勘探開發向深層、超深層邁進，以及頁巖氣勘探開發的深入，壓裂酸化、試油氣高壓管匯承受的工作壓力逐步升高、持續承受高壓時間也更長。目前，最高工作壓力接近140 MPa，不間斷工作時間超過8 h。在這種情況下，壓裂管匯容易產生沖蝕缺陷、腐蝕缺陷和疲勞缺陷，容易造成管道壁厚變薄或產生裂紋，存在刺漏、爆管等安全隱患，可能導致嚴重的安全事故發生[1-6]，延誤工期，并可能造成嚴重的經濟損。

據不完全統計，2014年以來，四川及周邊區塊在壓裂測試過程中共出現高壓管線刺漏800余次、高壓管件爆裂40余次。這些管線刺漏、爆裂管匯在使用前均按石油行業標準SY/T 6270進行了VT、測厚、MT和靜水壓壓力檢測，均在檢測周期內，但均未能防止事故的發生。此外，在實際施工作業中發現了多個不屬于SY/T 6270規定檢測部位的缺陷。

由于壓裂管匯的特殊性，準確完成其無損檢測，對保障施工順利和安全具有重要意義[7-10]，有必要探索、完善壓裂管匯件檢測方法。

1 現有壓裂管匯件無損檢測方法及存在問題

1.1 現用壓裂管匯件主要無損檢測方法適應性分析

根據SY/T 6270—2017《石油天然氣鉆采設備固井、壓裂管匯的使用與維護》規定，壓裂管匯件檢測方法主要有磁粉檢測、滲透檢測、超聲波測厚檢測和靜水壓壓力檢測，這些檢測方法各有特點和適應性。

1.1.1 磁粉檢測

磁粉檢測技術是無損探傷技術中非常典型的代表，它能夠在不損傷磁性工件的條件下，對設備的表面或近表面進行檢測，以判斷設備能否滿足設計強度要求。由于壓裂管匯件為高壓承壓設備，因此不允許出現長寬比大于3或長度0.5 mm的線性磁痕，且同一直線上間距不大于2 mm時，按同一磁痕處理。該方法主要用于檢測表面和近表面缺陷，對于內部缺陷的檢測，需采用射線檢測或超聲檢測。

1.1.2 超聲波測厚檢測

超聲波測厚儀是根據超聲波脈沖反射原理來進行厚度測量的。在壓裂管匯件檢測工作中，通過檢測工件的各點數據，選擇其最小數據與極限值進行對比，確定是否符合標準要求。

1.1.3 靜水壓壓力檢測

進行靜水壓試驗的主要目的是為了測試壓裂管匯能否在承受工作壓力下仍然保持其良好的密封性，并且保證管匯有足夠的強度繼續工作。密封性能檢測是將檢測壓力設為標稱壓力，強度性能檢測是將檢測壓力設為標稱壓力的1.5倍。

1.1.4 射線檢測

射線檢測可以通過底片準確地區分缺陷的性質并評級，但膠片等器材費用較高，檢驗速度較慢；不適合鍛件，壓延件，分層裂紋的探傷，只宜探查氣孔、夾渣、縮孔、疏松等體積型缺陷，對裂紋類型缺陷有方向性的限制，不易發現間隙很小的裂紋和未熔合等缺陷，以及鍛件和管、棒等型材的內部分層性缺陷。射線對人體有害，需要采取嚴格的防護措施[11-13]。由于壓裂管匯件均為鍛壓件，因此，實際壓裂管匯件檢測中并未采用該方法。

1.1.5 超聲波常規檢測

超聲檢測技術主要用于特種設備面積型缺陷檢測，不僅擁有較高的準確率，更能夠對較厚的工件進行檢測。但對粗糙、形狀不規則，小、薄或非均質材料難以檢查，在進行管件檢測時，單晶片超聲波探頭在折射角為71.6°易出現表面波和雜波、聲壓不成線性關系，不能按探頭的線性進行顯示和定量，表面波和雜波影響對探傷波的判斷或造成漏檢，造成小管徑缺陷檢出率較低[5,10]。所以，在實際壓裂管匯件檢測作業中，極少采用該方法進行檢測。

1.2 常用壓裂管匯件無損檢測存在問題分析

1.2.1 壓裂管匯件常規無損檢測方法存在的問題

基于現場實踐和上述分析可見，壓裂管匯件常用無損檢測方法中僅磁粉和超聲檢測能檢出缺陷，限于檢測技術適用性的原因，現場極少采用超聲檢測，而磁粉檢測只能檢出表面或淺表面缺陷。油田施工用壓裂管匯件是一種典型的小管件，其內徑最大為105 mm，現有的磁粉檢測儀器無法對壓裂管匯件內表面進行檢測。

據不完全統計，中石油某公司曾發生36次壓裂管匯爆管事件[12-13]，中石化在涪陵工區、川南工區發生過多次壓裂管匯爆管事件。這些爆裂管匯在使用前均進行了目視檢測、超聲測厚檢測、磁粉檢測和靜水壓壓力檢測，但未能完全檢出高壓管件的內部缺陷和防止爆裂事件的發生，有必要對目前常用的檢測方法進行補充完善。

1.2.2 壓裂管匯件檢測部位選擇的不足

SY/T 6270中規定的檢測部位主要對明顯變徑區(如圖1a、圖1b、圖2c)、沖蝕區(如圖1c)以及流體轉向區(如圖2a、b、d、e、f)。在實際工作中出現了多次非規定部位的缺陷問題：

1) 2015-06，在彎頭多次拆卸解體后，對活動部位更換零件中，發現該部位有明顯的裂紋(如圖3a)。

2) 2016-08，在對直管螺紋進行檢測時也發現有裂紋。

3) 2017-10，按SY/T6270標準進行壓裂壓裂管匯件無損檢測后，進行試壓檢驗，直管油壬活動卡瓦突然發生爆裂，飛出的高壓件將試壓坑隔斷板打斷，且將試壓泵試壓裝置打壞(如圖3b)。

4) 2015-12，在進行川南某頁巖氣井壓裂施工過程中，壓裂管匯臺五通公扣斷裂，高壓流體沖蝕造成部分設備受損(如圖3c)。

因此，僅對SY/T6270規定的壓裂管匯的檢測部位進行檢測，并不能完全檢出壓裂管匯件的缺陷部位。

圖1 壓裂旋塞閥、單向閥檢及活動彎頭測區域

圖2 壓裂管匯中異形管件的無損檢測區域

圖3 實際作業中發現非標準檢測部位的缺陷部位

2 壓裂管匯件無損檢測方法優化與改進

2.1 聲發射檢測改進

聲發射檢測是一種動態無損檢測方法，而且，聲發射信號來自缺陷本身，因此，用聲發射法可以判斷缺陷的嚴重性。與其它無損檢測方法相比，聲發射技術具有兩個基本差別：①檢測動態缺陷，是缺陷擴展而不是檢測靜態缺陷；②缺陷本身發出缺陷信息，而不是用外部輸入對缺陷進行掃查。因此，要做好壓裂管匯件的聲發射檢測主要基于2個方面：①選擇合適的監測位置，也就是根據高壓匯件的結構特點，對傳感器如何布點；②選擇合適的信號濾波方法，根據高壓件的材料組成，選擇好頻率、幅度、空間(定位)和時間參數濾波[14-15]。其操作流程如下：

1) 確定傳感器的定位方式。

由于高壓管件試壓檢測過程中采用的是管與管之間的直線連接，可把這些管子看作是一根直線，可以視為線性構建。因此，傳感器定位可以采用線性定位(如圖4)。

圖4 傳感器定位方式

2) 確定檢測參數。

當傳感器定位后，用圈尺測量出傳感器之間的距離，在電腦檢測軟件中調整好傳感器位置參數，借鑒其他行業的高壓檢測采集參數設置數據，設定的相關參數如表1所示。

表1 聲發射檢測參數設置數據

根據現場測試環境噪聲，可將噪聲值提高6 dB，實設40 dB作為門限值。

3) 確定探頭間距。

根據實際測試，探頭間距應不大于4 m。在實際工作中，大于4 m的管線設置2個探頭，活動彎頭設置2個探頭，確保每根管線都有探頭檢測。

4) 探頭靈敏度測試。

在每個探頭附近斷鉛3次，求取響應幅度的平均值，要求該值大于90 dB，且平均值偏差在±(3～4)dB ；若低于90 dB，則重新更換探頭。

5) 探頭聲速測試。

在2個探頭延長線處斷鉛(如圖5所示1，2探頭)，在軟件參數表上讀出到達時間差，探頭間距/時間差，即為材料聲速。

圖5 探頭靈敏度測試斷鉛位置示意

6) 加壓檢測。

完成斷鉛后，檢測人員全部撤離地坑，關閉地坑下坑門，安全監督人員確認地坑無人后，試壓操作人員及聲發射檢測人員再對高壓管件進行升壓檢測。

7) 檢測數據分析及缺陷判斷。

①從檢測數據標識出檢測過程中出現的噪聲數據，并在檢測記錄中注明。

②利用軟件從檢測數據中分離非相關信號，并在記錄中注明。

③根據聲幅參數對缺陷進行定性。

采用聲發射檢測，可以進行較大規模的檢測，并能對內部疲勞裂紋的擴張過程進行監控，很好地滿足了高壓管件內部缺陷檢測需要(如圖6a、b)。2018-04—2018-07，共完成1 934件高壓管件聲發射檢測，在常規無損檢測基礎上發現缺陷11項，提高了缺陷檢出率。

圖6 聲發射現場檢測及檢測數據

2.2 超聲波檢測改進

由于聲發射檢測對環境噪聲要求高，檢測過程中受干擾因素較多[16-17]，并且由于聲發射波形異常的部位須進行超聲波復檢，因此，決定在常規檢測中增加超聲波檢測。針對表面波和雜波影響對探傷波的判斷或造成漏檢，造成小管徑缺陷檢出率較低的問題，對超聲波檢測技術進行了改進。

2.2.1 特殊形狀超聲波檢測探頭研制

為解決特殊形狀管徑超聲波檢測難題，根據井下特種作業高壓管件的形態和尺寸，研制了特別弧形探頭，能滿足不同管徑(?61～?138 mm)周向和徑向的檢測要求(如圖7)。

2.2.2 超聲波檢測標準對比件研制

標準對比件是與被檢工件材料一致或相似，含有明確參考反射體的試塊，用以調節檢測設備的幅度和聲程，將所檢出的缺陷信號與已知反射體所產生的信號作比較的試塊，通過與標準件信號對比來確定缺陷。但目前市場上沒有壓裂管匯件超聲波檢測專用的對比試塊。為解決這一問題，根據NB/T47013—2015標準要求，選取了與高壓管件同樣材質的管子，在內外表面及本體內部制作人工缺陷作為對比試塊(如圖8)。

1—?61 mm管探頭；2—?73 mm管探頭；3—?89 mm管探頭；4—?114.3 mm管探頭；5—?127 mm管探頭；6—?138 mm管探頭。

1—?138 mm對比標件；2—?61 mm對比標件；3—?89 mm對比標件。

2.2.3 高壓管件超聲波檢測方法建立

通過大量的實踐，初步建立了高壓管件超聲波檢測方法：

1) 先用研制的探頭按常規測試方法在研制的試塊上測出探頭前沿、探頭K值。

2) 利用試塊上內外表面的孔調出掃描速度。將探頭放在對比試塊的端頭，利用內管口槽調一次波，后移探頭用管外部槽調出二次波，經反復調整讓一次、二次、三次波分別在熒光屏上顯示實際位置，此時掃描速度調好。

3) 測定探傷靈敏度。將一次波、二次波、三次波分別調整到80%波高，分別記下反射當量值，以3點繪出距離波幅曲線即可進行探傷(如圖10a)。

4) 缺陷的判定。二次底波和三次底波之間出現波，可判定為可疑波。有時在二次波后出現反射波，此時將探頭后移到三次波位置，若可疑波最高點落在三次波之前，可判為缺陷波(如圖10b)。

圖9 儀器調試及實際檢測波形

2.3 壓裂管匯件檢測部位的補充完善

基于實踐認識，SY/T 6270檢測規定中未能完全包括壓裂管匯件的薄弱部位，在力學分析和高壓管件損壞統計基礎上，補充了對壓裂管匯件彎頭的活動部位(如圖10b)、壓裂管匯件的螺紋部位(如圖10a)、油壬的活動卡(如圖10c)的檢測。

圖10 增加的檢測部位

3 現場應用

2018-04—2018-07，采用常規及改進后的無損檢測方法，增加檢測部位，優化后檢測流程，對2 047件壓裂管匯件進行了檢測，檢測結果如表2～3。

采用改進后的無損檢測方法，檢測出不合格壓裂管件數增加35件，占不合格總數的30.97%。新增檢測部位后，檢測出不合格壓裂管件數增加44件，占不合格總數的38.94%。采用改進后的無損檢測方法，增加檢測部位，優化后檢測流程，提高了壓裂管匯件缺陷的檢出機率。截止2019-10，壓裂作業現場未出現管件刺漏或爆裂等情況。

4 結論

1) 目前，現場常用的壓裂管匯件無損檢測技術只能對表面或淺表面缺陷進行檢測，無法對內部缺陷檢測，并且檢測部位不完善，不能有效檢測出壓裂管件中存在的全部缺陷，有必要對檢測方法和部位進行改進。

2) 通過對檢測方法和檢測部位的優化組合和改進，確定了聲發射檢測的定位方式、檢測參數和探頭間距，研制了適合于不同形狀和尺寸的超聲波檢測探頭和超聲波檢測標準對比件，建立起了一套科學合理的檢測方法(聲發射檢測、超聲波檢測+常規檢測)和行之有效的無損檢測作業流程。

表2 2018-04-07壓裂管匯件檢測結果統計 件

表3 2018-04-07壓裂管匯件檢測缺陷部位統計 件

3) 新的檢測方法提高了壓裂管件的缺陷檢出率。應用以來未再出現壓裂管匯件刺漏或爆裂現象，很好地保證了現場施工作業安全，具有推廣應用價值。