稠油熱采井口裝置腐蝕缺陷的電磁超聲檢測

王 宏，李素軍，東 方，孫 明，尼加體·賽買提

(1.中石油新疆油田公司實(shí)驗(yàn)檢測研究院，克拉瑪依 834000；2.中國特種設(shè)備檢測研究院 無損檢測與評(píng)價(jià)國家市場監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

蒸汽輔助重力泄油(SAGD)技術(shù)是一種開采超稠油的熱采技術(shù),目前已經(jīng)成為國內(nèi)外稠油熱采的一種重要手段。采用蒸汽輔助重力泄油的井口是新疆油田重要的稠油熱采裝置，但其長期處于高溫、原油含砂等惡劣工況下，易受沖蝕、熱應(yīng)力等的影響出現(xiàn)沖蝕減薄，進(jìn)而造成蒸汽泄漏、原油泄漏、設(shè)備失效等嚴(yán)重事故[1-3]。

通常采用測厚法來評(píng)估壁厚減薄程度，但SAGD井口裝置的實(shí)際服役溫度為280 ℃，常規(guī)超聲測厚儀無法有效實(shí)施檢測，即使配合高溫耦合劑，也無法取得良好效果。除此以外，由于稠油熱采井口裝置大部分為鑄件，且通過螺栓連接，檢測中存在兩個(gè)難以避免的問題，一是鑄件晶粒較大且存在一定的組織分布不均，各區(qū)域材料特性可能不一致，導(dǎo)致超聲能量衰減較大且聲速不一致，造成檢測困難及缺陷定位偏差；二是檢測空間狹小，有效實(shí)施作業(yè)空間嚴(yán)重受限，現(xiàn)有的傳感器及檢測裝置無法使用。目前借助于電磁超聲設(shè)備基本能夠?qū)崿F(xiàn)高溫環(huán)境下的在線壁厚測量，但受限于國外設(shè)備配套傳感器的尺寸，諸如四通、六通肩部(相貫線區(qū)域)等很多重點(diǎn)部位的檢測尚未實(shí)現(xiàn)[4]，給井口裝置的安全服役造成了重大隱患。

針對(duì)SAGD井口裝置的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和復(fù)雜工況，筆者通過有限元仿真研究了專門的電磁超聲檢測工藝，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證其可行性，為解決井口裝置腐蝕在線檢測奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)為檢測人員使用電磁超聲技術(shù)開展檢測提供了有益參考。

1 檢測對(duì)象

稠油熱采井口裝置包含的結(jié)構(gòu)件有雙管六通、球閥、大小四通等，不同的組合構(gòu)成了不同用途的井口裝置。抽油井的典型組成形式如圖1所示，包含熱采閥門4個(gè)、雙管六通1個(gè)、大四通1個(gè)及抽油管1根。井口裝置本體與支管過渡的肩部為井口裝置減薄重點(diǎn)區(qū)域(見圖2)，含雜質(zhì)原油的沖蝕作用極易造成減薄，是泄漏事故發(fā)生的重要原因。再者，肩部兩側(cè)的壁厚是不同的，即肩部為不等厚結(jié)構(gòu)這將導(dǎo)致肩部處的底面反射波與等壁厚結(jié)構(gòu)的底面反射波存在較大差異，某些位置的回波可能較弱或消失。因此，該部位成為井口裝置的重點(diǎn)檢測區(qū)域及檢測難點(diǎn)區(qū)域。

圖1 抽油井的典型組成形式

圖2 井口裝置減薄重點(diǎn)區(qū)域示意

根據(jù)現(xiàn)場不同井口裝置的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，選取量大且較為典型的一種井口裝置部件(大四通)作為研究對(duì)象。該大四通材料為ZG30CrMo，服役溫度為280 ℃，表面存在銹蝕、油污，且檢測空間狹小。

2 仿真建模及分析

根據(jù)大四通設(shè)計(jì)圖紙給出的尺寸，建立仿真模型，并根據(jù)檢測重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域，對(duì)模型進(jìn)行簡化，簡化模型如圖3所示，簡化的仿真模型如圖4所示。模型中，大四通材料設(shè)置為結(jié)構(gòu)鋼，線圈材料為銅。激勵(lì)源采用中心頻率為2 MHz的高斯窗調(diào)制的3個(gè)周期正弦信號(hào)。

圖3 大四通簡化模型

圖4 大四通簡化的仿真模型

對(duì)大四通工件進(jìn)行解剖后發(fā)現(xiàn)實(shí)際尺寸與圖紙存在一定差別，內(nèi)部的圓角過渡實(shí)際為直角結(jié)構(gòu)(見圖5)。因此根據(jù)實(shí)際工件對(duì)仿真模型做出調(diào)整，修正后的仿真模型如圖6所示。

圖5 大四通解剖件實(shí)物

圖6 修正后的仿真模型

可以發(fā)現(xiàn)，修正后的模型存在一端角，如果此處端角反射較為明顯，則可通過端角反射波來判斷端角處的腐蝕情況。當(dāng)端角受損后形成較強(qiáng)的反射面，由于傳播路徑變短，此時(shí)超聲波傳播時(shí)間相對(duì)于端角未受損時(shí)應(yīng)有所減小。

將電磁超聲傳感器置于大四通肩部外壁圓弧中心線附近，再進(jìn)行頻域求解得到檢測聲場分布(見圖7)。由圖7可以看出，聲源沿工件表面呈凹面狀分布，聲場覆蓋了大部分彎頭區(qū)域。

圖7 檢測聲場分布

時(shí)域求解得到檢測聲場的傳播過程，不同時(shí)刻的檢測聲場傳播云圖如圖8所示。金屬表面的感生渦流與施加的偏置磁場共同作用，直接在被檢工件表面形成波源，產(chǎn)生的超聲波在工件內(nèi)部傳播，遇到邊界發(fā)生反射及波形轉(zhuǎn)換。仿真結(jié)果中同時(shí)存在縱波、橫波及表面波，但主要以橫波為主，其他形式的波能量占比相對(duì)較小。實(shí)際檢測中，因波形轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的波占比更小[5]。

圖8 不同時(shí)刻的檢測聲場傳播云圖

觀察圖7，8可知，檢測聲場完全覆蓋端角區(qū)域，聲場傳播云圖顯示傳感器可接收到較強(qiáng)的端角反射波。在探頭正下方臨近被檢工件表面處設(shè)置一探針，提取質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)信息，其結(jié)果如圖9所示。

圖9 探頭正下方的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)信息

仿真模型中，鑄鋼的密度為7 850 kg/m3，彈性模量為205×10-3Pa，泊松比為0.28，可以求出縱波波速為5 778 m/s，橫波波速為3 194 m/s。根據(jù)幾何關(guān)系可得出端角處的傳播路徑長度約為55.3 mm，進(jìn)而可求得端角處一次橫波的傳播時(shí)間約為34.6 μs。如果考慮波形轉(zhuǎn)換，則一次縱波傳播的時(shí)間為19.1 μs，縱波轉(zhuǎn)橫波及橫波轉(zhuǎn)縱波的時(shí)間均為26.9 μs，仿真結(jié)果顯示的傳播時(shí)間與理論傳播時(shí)間一致。

改變電磁超聲傳感器位置(見圖10)，觀察不同位置的檢測信號(hào)。將傳感器置于圖10所示的位置P1(垂直偏轉(zhuǎn)62°)、位置P2(垂直偏轉(zhuǎn)45°)、位置P3(垂直偏轉(zhuǎn)30°)，電磁超聲仿真得到的檢測聲場分布與檢測信號(hào)分別如圖11，12，13所示。對(duì)比各位置的檢測信號(hào)，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)傳感器產(chǎn)生的聲場接近于端角時(shí)，信號(hào)回波明顯增強(qiáng)，且當(dāng)輻射聲場完全覆蓋端角時(shí)可得到明顯的端角反射信號(hào)，其余位置得到的信號(hào)均相對(duì)較弱。

圖10 三種不同的電磁超聲傳感器位置示意

圖11 位置P1處的電磁超聲仿真結(jié)果

圖12 位置P2處的電磁超聲仿真結(jié)果

圖13 位置P3處的電磁超聲仿真結(jié)果

當(dāng)端角部位發(fā)生的大面積腐蝕時(shí)，由于端面反射強(qiáng)烈，形成底面回波信號(hào)也較為明顯，端角被大面積腐蝕時(shí)的聲場和檢測信號(hào)如圖14，15所示。

圖14 端角被大面積腐蝕時(shí)的聲場

圖15 端角被大面積腐蝕時(shí)的檢測信號(hào)

綜合以上仿真結(jié)果可以得出，根據(jù)端角反射信號(hào)的時(shí)間變化可以檢測出端角部位是否受損。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述仿真參數(shù)，設(shè)計(jì)加工了等同尺寸的電磁超聲傳感器，并且將大四通內(nèi)壁的一個(gè)棱邊磨除以模擬腐蝕損傷(此處大四通尺寸與仿真模型略有差異，四通本體厚度為30.5 mm)，含模擬腐蝕損傷的大四通實(shí)物如圖16所示。分別對(duì)大四通不同位置進(jìn)行了檢測，大四通本體30.5 mm厚度處的檢測信號(hào)如圖17所示，大四通支管25 mm厚度處的檢測信號(hào)如圖18所示，含損傷棱邊處的檢測信號(hào)如圖19所示，完好棱邊處的檢測信號(hào)如圖20所示。

圖16 含模擬腐蝕損傷的大四通實(shí)物

圖17 大四通本體處的檢測信號(hào)

圖18 大四通支管處的檢測信號(hào)

圖19 大四通含損傷棱邊處的檢測信號(hào)

圖20 大四通完好棱邊處的檢測信號(hào)

提取大四通本體，支管、腐蝕處的信號(hào)傳播時(shí)間，分別為19.5，14.3，22.1 μs。比較各位置得到的檢測信號(hào)后可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)探頭處于腐蝕部位時(shí)，有明顯的回波信號(hào)，但當(dāng)探頭處于完好處時(shí)，無法得到有效的回波信號(hào)；腐蝕部位的檢測信號(hào)傳播時(shí)間與本體、支管處的檢測信號(hào)傳播時(shí)間不同。

進(jìn)一步提高激勵(lì)頻率至3.5 MHz，檢測信號(hào)質(zhì)量有所改善，更利于傳播時(shí)間信息的讀取(見圖21)。得到一次回波時(shí)間為22.1 μs，取橫波波速3.2 mm/μs，計(jì)算求得被測點(diǎn)厚度為35.36 mm。

圖21 激勵(lì)頻率為3.5 MHz時(shí)的檢測信號(hào)

采用相控陣超聲方法(主機(jī)型號(hào)為Omniscan MX2，探頭型號(hào)為5L16A10，楔塊型號(hào)為SA10-N55S-SA)對(duì)模擬腐蝕區(qū)域進(jìn)行檢測，當(dāng)探頭置于支管上時(shí)測得腐蝕深度為15.14 mm，腐蝕區(qū)的相控陣超聲檢測結(jié)果如圖22所示。假設(shè)電磁超聲傳感器位于外壁圓弧中心線上，且垂直偏置角度為50°，則經(jīng)過圖23所示的幾何關(guān)系可求解得到反射點(diǎn)位置相對(duì)于支管的埋深為14.3 mm，由此可見電磁超聲檢測結(jié)果與相控陣超聲檢測結(jié)果基本一致。

圖22 大四通腐蝕區(qū)的相控陣超聲檢測結(jié)果

圖23 被檢對(duì)象幾何關(guān)系示意

4 檢測應(yīng)用

4.1 聲速標(biāo)定

由于現(xiàn)場被檢工件處于高溫狀態(tài)，其實(shí)際聲速與常溫聲速不同，需專門進(jìn)行標(biāo)定。通常可在實(shí)驗(yàn)室條件下測量出不同溫度下的聲速，形成溫度聲速曲線，現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)直接根據(jù)測得的溫度求出聲速即可。搭建的聲速測定裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖24所示。該裝置由上位機(jī)、電磁聲主機(jī)、加熱臺(tái)及電磁聲傳感器組成。

圖24 聲速測定裝置結(jié)構(gòu)框圖

利用恒溫加熱臺(tái)將聲速標(biāo)定試塊加熱到指定溫度，并加蓋保溫棉使試塊保溫一定時(shí)間(30 min)，然后提取試塊中的超聲回波信號(hào)，不同溫度下標(biāo)定試塊中的超聲回波信號(hào)如圖25所示。

圖25 不同溫度下標(biāo)定試塊中的超聲回波信號(hào)

求取信號(hào)包絡(luò)后，提取相鄰兩次回波的峰值時(shí)間差(此處為第一次和第二次的回波時(shí)間差)以獲取超聲波傳播時(shí)間。忽略因熱膨脹產(chǎn)生的厚度變化，則根據(jù)公式，可獲得該溫度下的聲速。依據(jù)此方法，計(jì)算不同溫度下的聲速(見表1)，并繪制溫度-聲速關(guān)系曲線(見圖26)。

圖26 溫度-聲速關(guān)系曲線

表1 不同溫度下的聲速

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用

為進(jìn)一步驗(yàn)證該檢測工藝的可靠性，筆者開展了現(xiàn)場試驗(yàn)。檢測對(duì)象為新疆油田烏爾禾風(fēng)城作業(yè)區(qū)內(nèi)的典型注氣井，其主體結(jié)構(gòu)與抽油井相同。對(duì)井口裝置相貫線部位進(jìn)行檢測，不同位置的現(xiàn)場檢測結(jié)果如圖27所示，兩處壁厚檢測結(jié)果分別為39.5 mm和15 mm。

圖27 不同位置的現(xiàn)場檢測結(jié)果

此處大四通本體設(shè)計(jì)壁厚為35.5 mm，支管壁厚為25 mm；雙管六通本體設(shè)計(jì)壁厚為24 mm，左支管壁厚為19.95 mm，右支管壁厚為17.8 mm。以設(shè)計(jì)壁厚為參考，大四通對(duì)應(yīng)的檢測結(jié)果具有明顯的回波且厚度值超過本體壁厚，初步判斷此處發(fā)生了腐蝕。雙管六通對(duì)應(yīng)的檢測結(jié)果具有明顯回波且厚度值小于任一設(shè)計(jì)壁厚，初步判斷此處也發(fā)生了腐蝕，應(yīng)做進(jìn)一步檢測以確定腐蝕區(qū)域。

此外，由于現(xiàn)場工況復(fù)雜，工件表面存在大量銹蝕或污垢，可能造成探頭與工件本體表面的提離變大，進(jìn)而導(dǎo)致檢測信號(hào)變?nèi)跎踔料А楂@得有效的檢測信號(hào)，激勵(lì)頻率、接收增益等關(guān)鍵參數(shù)需根據(jù)工況做出適當(dāng)調(diào)整，且探頭放置位置應(yīng)盡量處于外壁圓弧的中心附近，保證形成有效的端角路徑。

5 結(jié)語

(1) 提出的電磁超聲檢測方法能夠有效發(fā)現(xiàn)稠油熱采井口裝置的腐蝕缺陷。

(2) 井口裝置主要為鑄件，質(zhì)地分布極不均勻，不同部位的電磁超聲檢測信號(hào)幅值差異較大。

(3) 檢測位置對(duì)檢測結(jié)果的影響很大，實(shí)際檢測過程中需合理選擇檢測位置，保證獲得有效的回波信號(hào)。