閘板防噴器殼體側門超聲相控陣檢測技術*

王仕強 于佩航 徐勇軍 何 莎 徐 強 俞嘉敏 趙琪月

(1.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 2.工業(石油井控和鉆采設備)產品質量控制和技術評價實驗室 3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司)

0 引 言

閘板防噴器作為井控關鍵設備之一廣泛應用于鉆井現場，具有密封性能強、可靠度高及耐高壓等特點，并可以根據不同現場工況裝配半封閘板、全封閘板、剪切閘板以及變徑閘板[1-3]。在具備多功能性和高可靠性的前提下，防噴器在油氣井正常作業和緊急情況下都必須保證良好的狀態。但是，由于受防噴器結構與使用工況的限制，通常對側門采用端面強制密封，導致閘板防噴器側門密封部位一直是薄弱環節，易發生泄漏[4]。側門主要失效形式包括側門螺栓的彈性變形，側門密封圈因接觸應力而松弛產生微小間隙，高壓作用下的彎曲變形等。同時，殼體作為防噴器關鍵承壓部件，在高壓沖擊載荷下側門局部區域將出現應力集中[5]，快速關井時產生的高壓水擊波在衰減過程中將反復沖擊殼體，使其出現疲勞裂紋，甚至發生脆性斷裂。由于閘板防噴器殼體壁厚較厚且連接件較多，利用常規無損檢測(如磁粉[6]、滲透[7]、射線[8]以及常規超聲[9-10]等)手段都存在一定的局限性，而耐壓試驗僅能保證其使用壓力，無法在不拆卸防噴器的情況下檢測出殼體內部的裂紋等缺陷。目前較為常用的檢測方式為聲發射檢測技術，相較于傳統無損檢測方法有一定的適用優勢，可以檢測動態裂紋以及結構形式復雜的構件[11-13]。但是該技術對材料較為敏感且容易受到環境因素的干擾，并且動態缺陷檢測僅能實現定性檢測，無法進行定量檢測，同時對缺陷的檢測具有不可逆性，不能對其進行重復驗證。

超聲相控陣技術相比于常規超聲技術，在保證檢測靈敏度的前提下，不移動探頭或少移動探頭可以掃查大厚度工件和復雜形狀工件的各個區域，做到全方位多角度的快速檢測[14-15]。另外，超聲相控陣技術無需聲透鏡便可完成聲束聚焦，能靈活有效地控制聲束，實現復雜工件和盲區位置缺陷的檢測。因此，筆者首先對閘板防噴器殼體進行受力仿真分析，確定殼體側門方腔的應力集中部位；然后利用超聲相控陣技術對應力集中部位進行仿真模擬檢測與實際檢測試驗。

1 閘板防噴器材料力學性能

2FZ35-70雙閘板防噴器的材料為25CrNiMo，對按照國標GB/T 228.1—2010加工的試件進行貼片，檢測應力應變在單根試件上按180°分布設置2個點，并在另一根試件上布置2個點作為補償片，如圖1a所示。采用MTS-810液壓式萬能試驗機對貼片后的試件進行加載，當拉伸試件在MTS試驗機載荷作用下產生應變時，利用DEWE501系列動態應變儀測量電阻應變片阻值的變化,以測定試件指定部位的環向應變和軸向應變，其測量電橋示意圖如圖1b和圖1c所示。圖2為25CrNiMo試件應力-應變曲線。

圖1 應變片布置及測量電橋示意圖

圖2 25CrNiMo試件應力-應變曲線及斷裂分析

通過對3組試件應力應變曲線分析及斷裂后尺寸的測量，最終得到閘板防噴器殼體材料力學性能，如表1所示。閘板防噴器殼體材料為25CrNiMo，名義屈服應力為414 MPa，實測屈服強度為456 MPa。

表1 閘板防噴器殼體材料力學性能

2 閘板防噴器殼體仿真模擬分析

采用ABAQUS軟件對閘板防噴器殼體進行有限元分析，分析時采用C3D10I單元，該單元適合計算結構在壓力作用下的表面應力。利用自由網格劃分，根據收斂性分析結果，整體模型單元尺寸最終確定為20 mm，同時進一步細化局部應力集中區域網格。整個閘板防噴器殼體有限元模型單元數約70萬，節點總數約100萬。整體網格模型及側門方腔矩形角區域細化網格模型分別如圖3a和圖3b所示。閘板防噴器工作原理為高壓液壓油進入液壓區，在高壓作用下活塞推動閘板將井口封閉。結構發生疲勞現象的主要原因是載荷的交變作用，此處模擬加載及卸載反復的過程導致載荷的交變。

圖3 閘板防噴器殼體有限元網格模型

根據防噴器工作原理在殼體上施加相應的工作載荷70 MPa，并對其進行受力分析，應力分布云圖如圖4所示。從圖4a可以看出，應力主要集中在殼體側門方腔矩形角處與主通徑倒角處。此處關注的重點側重于側門方腔應力集中部位，矩形角處對應的應力值如表2所示。另外，將整個結構按照不同的應力水平呈現，圖4b為單元節點Mises應力超過400 MPa的區域。可發現整個結構超過400 MPa的區域僅1個節點，該節點位于圖4b中所示的應力集中區域。由于防噴器殼體存在4個相同的應力集中區域，而其余3處區域應力并未超過350 MPa，判定該區域應力達到417 MPa是網格劃分所導致的計算誤差，實際該節點處Mises應力不會達到417 MPa,即工作載荷70 MPa下殼體的最高應力小于殼體材料屈服強度，殼體一般不會發生塑性變形。但是在交變應力的作用下，防噴器殼體在應力集中部位容易產生疲勞裂紋，進而發生疲勞破壞[16-17]。因此，需要采用在不拆卸防噴器的情況下對閘板防噴器殼體(見圖5)側門方腔矩形角處進行缺陷檢測，以保障防噴器的安全使用。

圖4 閘板防噴器殼體應力分布云圖

表2 閘板側門方腔矩形角處應力值 MPa

圖5 閘板防噴器殼體

3 超聲相控陣檢測仿真分析

3.1 試件與缺陷加工

針對閘板防噴器側門方腔矩形角處的超聲相控陣檢測，按照1∶1比例加工側門方腔試件，如圖6所示。同時，對矩形角部位進行人工模擬裂紋加工，人工缺陷參數如表3所示。

圖6 側門方腔矩形角人工缺陷

表3 人工缺陷參數

3.2 仿真分析

采用CIVA軟件可模擬檢測各種復雜結構工件，并通過結果分析能夠得出較好的檢測工藝參數。該軟件可根據不同情況設置合適的檢測工藝參數，用于聲束模擬，同時也可以模擬缺陷信號的響應情況[18]。本文采用的探頭為5L64-A2，實際激發晶片數量為32，晶片中心間距為0.5 mm，楔塊型號為SA2-N55S，角度為36°，采用接觸式反射法橫波入射，扇形掃查偏轉角度為30°～60°。將探頭分別放置于位置1和位置2對矩形角進行掃查，如圖7所示。結合2種不同位置的掃查，可將掃查范圍覆蓋整個矩形角區域。

圖7 超聲相控陣掃查方向示意圖

由于閘板防噴器側門存在螺栓連接孔以及倒角等特殊結構，利用超聲相控陣對其進行檢測時會出現多種信號回波，包括特殊結構信號的回波以及缺陷信號回波。所以需對各種信號回波進行有效區分，以避免在實際檢測過程中產生誤判。對閘板防噴器側門方腔矩形角的超聲相控陣檢測進行仿真分析，如圖8所示。缺陷A和缺陷B的扇掃圖像中存在缺陷信號回波以及螺紋孔的結構信號回波，2種信號回波距離相對較遠，可以相對快速地對其進行區分,同時通過分析缺陷信號回波，可以判斷出缺陷的長度并做出定量分析。缺陷C的扇掃圖像中存在缺陷信號回波以及側門方腔矩形角的結構信號回波，2種信號回波距離較近，需對扇掃圖像進行仔細分析，以區分2種信號回波。因此，對含有復雜結構的閘板防噴器側門首先采用超聲相控陣檢測仿真模擬分析，對其復雜結構導致的多種信號回波做出準確判斷，從而對現場實際檢測起到一定指導作用。

圖8 超聲相控陣仿真分析

4 超聲相控陣檢測試驗

根據仿真分析結果，采用Phascan超聲相控陣設備從2個不同方向對側門矩形角部位進行檢測分析，檢測結果如圖9所示。對于缺陷A和缺陷B可以明顯區分出模擬裂紋缺陷信號回波以及螺紋孔的結構信號回波，與仿真分析結果基本一致。而對于缺陷C，其扇掃圖像分析顯示，除模擬裂紋缺陷信號回波外，還出現了螺紋孔結構信號回波與矩形角處結構信號回波，其結果與仿真結果存在一定差異，這是由于實際掃查過程中探頭放置位置與仿真分析中存在差異。但是，對缺陷信號回波與結構信號回波同樣可以做出準確判斷。另外，通過進一步分析相控陣扇掃圖像，可以對模擬裂紋缺陷長度進行定量分析。依據扇掃圖像中的標尺，可以計算出缺陷A的長度約為9.8 mm，缺陷B的長度約為40.3 mm，與模擬裂紋實際尺寸基本一致。然而，圖8中仿真模擬分析的缺陷B僅一個信號回波，無法對缺陷進行定量分析，但實際檢測過程中可以做出定量分析。同時，從圖9中扇掃圖像中也無法分析出缺陷C的長度。以上2種情況可能是由于實際檢測過程中手動掃查方式存在偏移，導致部分信號回波出現差異。另外，缺陷A、B和C的信號波幅分別為-9.1、10.1和-9.9 dB，同樣深度下校準橫孔的參考波幅分別為9.5、8.7和7.4 dB，如表4所示。針對其模擬裂紋缺陷，其裂紋長度由10 mm增加至40 mm，深度由3 mm增加至8 mm后，其缺陷信號波幅由-9.1 dB增加至10.1 dB，幅值增加19 dB。這表明隨著裂紋長度及深度尺寸的增加，其信號幅值隨之增大。通過結合信號幅值的判斷，可以更為準確地分析出被檢工件的內部情況。

圖9 超聲相控陣檢測結果分析

表4 3種缺陷的超聲相控陣檢測波幅

5 結 論

(1)閘板防噴器殼體側門在額定工作載荷70 MPa下，其應力主要集中于殼體側門方腔倒角處，且最大應力小于殼體材料屈服強度，因此殼體不會發生塑性變形。

(2)針對閘板防噴器側門薄弱點(方腔矩形角)的超聲相控陣檢測進行仿真分析，可準確區分出結構信號回波與缺陷信號回波，對缺陷做出定性及定量分析。

(3)超聲相控陣檢測仿真模擬對現場實際檢測具有指導意義，可為現場檢測提供參考數據，進一步提高現場檢測的效率。