专利名称：电磁声换能器(emat)焊缝检查的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用电磁声换能器(EMAT)组件检查焊缝(weld)的方法和系统。
背景技术：
使用EMAT组件检查焊缝可以从美国专利申请5,439,157和5,474,225中知晓。在已知的EMAT焊缝检查方法中，具有EMAT发射和接收线圈的机器人传送装置被自动布置在刚完成焊缝的一侧，于是EMAT发射线圈向焊缝发射超声SH剪切波，而EMAT接收线圈感测信号中被焊缝反射的超声SH剪切波，用于根据所接收的信号发出焊缝中存在缺陷的信号。机器人传送装置在使用中沿着与焊缝平行的焊接板的一个表面移动，并且可以和控制单元相连，该控制单元自动地调节在EMAT焊接组件前面运动的焊接装置的设定。使用机器人传送装置检查管形物(tubular)之间的焊接是不现实的，因为这需要机器人传送装置围绕被焊接的管形物旋转，这是很耗时的并且需要使用易损坏的机器人工具。
使用EMAT设备进行焊缝和/或管道检查在如下专利中也有公开，即授予Barnes等的美国专利No.5,652,389，授予Latimer等的美国专利No.5,760,307，授予Passarelliu的WO专利No.02/40986和美国专利5,808,202。Barnes公开了一种使用EMAT检查平板中惯性焊缝(inertial weld)的脉冲回声技术和装置。Latimer公开了一种使用十字或者共线EMAT消除根信号和冠信号的方法，而Passarelliu公开了一种用于检查包括棒和管等圆柱形物体的脉冲回声技术。
Passarelliu公开的设备的缺点是，它具有固定的环形结构，从而不容易使之围绕钻台(rig floor)上的管形物和焊缝而没有破坏设备的危险，并且要经历很长的时间延迟。该装置的另一个缺点是电磁体、发射和接收线圈的几何形状不能对围绕管道外周的焊缝进行100％的检查，因为发射器的孔径(aperture)小于焊接区的超声场。虽然旋转管形物能够减轻该缺点，但是当管形物被焊接在钻台上时这是不可能的，这一点在下面会进行解释。该技术以及其他先前技术中存在的另一个困难是，只能用脉冲回声反射测量来检查焊缝。然而，为了防止例如由于焊缝的折射和散射造成的反射信号的错误解读，优选地使用至少两个位于焊缝上游和下游的EMAT同时测量反射和透射(transmission)。
本发明的一个目标是提供一种使用EMAT组件检查焊缝的改良方法和系统，其不需要使用机器人传送装置，并且能够焊缝形成之后立即在焊缝的整个长度上检查焊缝中任何的缺陷和/或氧化内含物的存在。
发明内容
根据本发明的管形物焊缝检查方法包括如下步骤在至少一个焊接管形物端部的内和/或外表面附近沿着圆周方向布置一系列电磁声换能器(EMAT)组件，促使EMAT组件以不同的模式和角度向焊缝顺序地或者同步地(也就是单独地或者成组地)发射声剪切波信号，并探测由焊缝反射的和/或透过焊缝的剪切波，从而通过EMAT组件扫描焊缝的至少大部分，其中在扫描操作期间，EMAT组件相对于焊缝保持基本上固定的位置。
据观察，使EMAT组件在扫描操作期间相对于焊缝保持基本上固定的位置能够在焊缝形成之后立即进行焊缝检查，从而能够显著加快使用目前已知EMAT检查工具的焊缝检查，其中在焊缝扫描过程中，EMAT组件相对于焊缝移动，如在美国专利4,184,374；美国专利5,085,082和国际专利申请WO96/02831中公开的。
可选择地，EMAT组件包括一个周向间隔的EMAT发射器环形组件和一个周向间隔的EMAT接收器环形组件，EMAT接收器环形组件布置在焊缝和EMAT发射器环形组件之间。
在优选实施例中，当沿着焊接管形物的纵向方向看时，EMAT组件包括位于焊缝两侧的EMAT发射器环形组件和接收器组件。
优选地，EMAT发射器和接收器组件的每一个都包括一个EMAT换能器矩阵，它们在周向方向上彼此至少部分重叠，从而能够在焊接操作之后立即用EMAT发射器固定阵列(stationary array)检查焊缝的整个长度，其中每个EMAT发射器发射剪切波进入管壁(pipe wall)部分，该管壁趋向于比EMAT发射器自身的宽度更窄。
至少有一个矩阵的EMAT换能器可以沿着管壁径向彼此重叠堆垛。选择地，至少有一个矩阵的EMAT换能器可以大致沿着管壁的纵向方向彼此交错。
在一个实施例中，EMAT组件布置在运载器(carrier)体上，该运载器布置在至少一个焊接管形物的内部。该EMAT组件实施例也能够在焊接之后立即对焊缝进行原位检查，例如在井下(downhole)或者在敷设运输管道(laying barge pipeline)中，或者经过一段时间之后再检查从而检查例如服务数年之后的焊缝的质量。
在一个可选择实施例中，EMAT组件布置在运载器套管(sleeve)上，该运载器套管包围至少一个焊接管形物并且能够在完成焊接操作之后被任意地分割成至少两个套管部件。该实施例也能够用于原位地检查焊缝，例如在钻台上或者在敷设运输管道中。
EMAT管形物焊缝检查方法和组件能够在形成锻焊缝(forgeweld)之后立即检查锻焊管形物的质量。
根据本发明的EMAT组件包括一系列的电磁声换能器，它们在使用中邻近至少一个焊接管形物端部的内和/或外表面沿着周向方向分布，并且被配置成以不同的模式和角度向焊缝顺序地或者同步地发射声剪切波信号，并探测由焊缝反射的和/或透过焊缝的剪切波，从而通过EMAT组件扫描焊缝的至少大部分。
在一个实施例中，该组件包括至少两个纵向间隔的EMAT发射器和接收器环形阵列，从而使EMAT接收器环形阵列位于EMAT发射器环形阵列之间。
下面将参考附图对根据本发明的EMAT焊缝检查方法和组件的一些优选实施例进行详细说明，其中图1a和1b显示了锻焊装置的侧视图和顶视图，该装置安装有根据本发明的EMAT焊缝检查组件；图2显示了矛枪(spear)的纵向剖面图，其插入到一对锻焊管形物中，并且运载焊缝每一侧上的EMAT发射器和接收器环形组件；图3显示了管形物之间焊缝的纵向剖面图，其中超声信号通过该管形物传播；图4a-e显示了EMAT发射器和接收器组件以及声信号是如何发射到管壁的三维图；和图5显示了EMAT发射器和接收器组件的各种合适构型。
具体实施例方式
无论是对于井下套筒还是管道，连接OCTG(石油工业用管材)长度的传统方法是使用丝扣连接或者其他形式的基于适当焊接技术的连接，例如爆炸焊接、屏蔽活性气体焊接(shielded active gas welding)、闪光对接焊等。
在焊接实例中，某些缺陷的存在会降低井下输油或输气管形物的强度，进而降低其安全性和结构的完整性。因此，适当地检查焊缝的裂纹或者其他缺陷是必不可少的。优选地在焊缝形成之后立即用无损检测技术对焊缝进行检查。
在钻台上，管形物1在焊接期间用图1和2所示的管道钳4保持垂直对准和固定的位置。在检查和核实焊缝质量之后，管形物1下放到井筒(wellbore)中，并将另一个管形物或者套管(最小长度为10m)放置在它的上面并进行焊接等。为了使装配时间最短和提高钻台的安全性，优选地在形成焊缝之后立即以完全自动的方式开始对焊缝进行检查，并且在最短的时间内完成。为了保证良好的完整性，必须沿着管形物周向对焊缝的整个长度进行检查。
目前，已经有大量的已知技术用于检查套管和管道的对接焊缝，它们是基于X-射线、超声检查技术、EMAT、涡电流检查，以及它们的衍生技术例如，SLOFEC、远距离场涡电流(remote field eddycurrent)、部分饱和涡电流等。
然而，对用于在井下环境中使用的管形物进行检查的需要提出了新的挑战，使得许多技术和/或构型不再合适。这需要a.在焊缝仍然热的时候快速完成对制备得相对较差的表面的检查b.检测设备完全自动地工作c.立即反馈，以允许评估是接受还是拒绝该焊缝d.与焊接设备集成e.在潜在的危险环境中能够安全操作本发明能够在钻台上使用EMAT焊缝检查技术。
EMAT(电磁声换能器)检查是一种已知的检查技术，其中磁场和电场之间的相互作用在测试件中产生声能。所产生的声波被异常点(anomalies)或者缺陷反射，并能够用合适的接收器探测到。接收器可以是传统的压电换能器或者EMAT。为了确认(validate)发射EMAT的磁耦合，焊缝另一侧上的接收器能够用作发射检查器(transmissioncheck)。
在该实例中，能量强度被存在的缺陷改变，并用于鉴定缺陷。
在根据本发明的方法中，使用了创新的发射和接收EMAT组件，其相对于焊缝保持固定的位置，并适合于在锻焊操作之后立即检查锻焊管道。为了保证正确而精确地定位EMAT探头，我们进行了创新设计，其中固定的EMAT组件用于扫描焊缝的整个长度，其允许集成到锻焊机中或者集成到用于对准管形物的内部矛枪中，并焊接在一起。
现在参考图1和2，它们描述了一种外部无损焊缝检查装置，其包括两个EMAT探头7、8。优选地，EMAT探头7、8位于焊缝6的上面，或者焊缝6的下面，或者优选地位于焊缝6的上下两面，并且与管壁紧密相邻(典型地不超过2mm)。每个EMAT探头包括一系列周向分布的EMAT发射和接收组件7a、7b、8a、8b。在每个组件中，接收器8a、8b与发射器7a、7b毗邻，但处于发射器7a、7b和焊缝6之间。固定EMAT探头能够集成在锻焊机的外部气体屏蔽室3中(图1)或者集成在内部矛枪25中(图2)。
固定EMAT探头7、8为环形，如图1a和1b所示，并被分成至少两个部分，如图1a所示。在整个焊接和检查操作期间，管道1用管道钳4保持在固定的位置，它们不能旋转。在那时，锻焊机的气体屏蔽室3关闭并包围电极2，其中在锻造操作之前，电极2被压向管道1从而加热待锻焊在一起的管道端部。
控制电子器件、预放大器、信号预处理器等位于电磁体和印刷电路板16中的EMAT发射器和接收器线圈T/R附近。对电磁体的主动冷却(active cooling)通过将保护气体吹入室3中加以执行，如图5中的箭头所示。
在使用中，每个R/T对8a、7a、8b、7b通过印刷电路板16中的电子开关盒(box)加以激发和控制。每个发射器7a、7b等产生一个信号，并通过管道1向焊缝6发射，相邻接收器8探测该信号用于校准，并且该信号继续向焊缝6传播。如果在焊缝6中存在缺陷，则信号被反射回发射器7a、7b，从而接收器8a、8b会探测到并报告缺陷。
当与图1a和b所示的锻焊机一起使用时，当气体屏蔽室3关闭时，EMAT探头7、8用弹簧系统9自动居中在管壁1周围。EMAT发射器和接收器7a-b、8a-b的表面13a-b、14a-b被薄膜12保护，薄膜12典型地是0.1mm厚金属膜，尽管也能够采用其他的耐磨损材料。
图2显示了安装在内部矛枪25上的EMAT探头，用于例如锻焊。在该应用中，EMAT检查探头7、8包括一系列在焊缝区6每一侧上周向间隔的EMAT发射器7c和7d及EMAT接收器8c、8d对。在矛枪25中提供了EMAT检查所需的永磁极或者电磁体，并提供了合适的电源、电开关盒和数据缆线(umbilical)。
最简单的优选实施例要求，矛枪25预先布置在其中一个待焊接管道1中。这允许检查探头与管壁良好地接触而无需漂移(drift)，并且能够通过使用简单的支持材料(backing material)例如泡沫橡胶加以实现。检查设备需要漂移到位，然后EMAT探头组件7c-d、8c-d用多种可能的激活方法(activation method)相对于管道1定位。
在焊接操作期间，EMAT探头组件7、8备用，并且在完成焊接处理之后且焊缝局部温度足够低，例如700℃时，立即开始检查。
在管道检查生铁(pig)或者记录设备中能够使用几乎相同的构型，用于原位地检查焊缝，例如在井下或者在位于或者接近地表的运输管道(barge pipeline)中，从而检查服务数年之后的焊缝的质量。
图3图解了除了传统地使用第一系列EMAT接收器R1之外使用第二系列EMAT接收器例如R2的优点，其中第一系列EMAT接收器R1位于焊缝6上与发射器T1相同的一侧，第二系列EMAT接收器R2位于焊缝6上与发射器相对的一侧。在如下情况中，即焊缝6中不存在缺陷，则当信号通过焊缝时，第二系列匹配接收器R2会探测到强信号。如果没有第二系列接收器R2，则对缺陷尺寸的测量会存在很大程度的不确定性，因为反射信号会被散射或者损失掉，在这种情况下，焊缝6中缺陷的尺寸会被错误地/误导地报告。
除了确认之外，发射器和接收器T1、2和R1、2在焊缝6两侧上的对称构型为增益控制接收线圈，例如R1提供了办法。对称放大器和接收器构型T1、2和R1、2的进一步优点是，它能够使EMAT系统以不同的模式工作。例如，通过改变管道、磁和电磁场的相对角度，有可能使钢在任何方向上振动。其中一个优点是，它允许使管壁的总体被“振动”并使总体振动平行于管壁沿着管道传播。这防止了图3所示的“跳跃”(skipping)并显著提高了信噪比。对发射器T2重复相同的处理，从而给整个构型提供冗余(redundance)。
参考图4a和b，其显示了EMAT换能器和由一系列薄板状电磁体17构成的接收器探头7、8，薄板状电磁体17能够被单独地、成组地或者同时一起被控制。单个电磁体17通过薄隔离物18彼此隔离。在图4b所示的优选实施例中，单个电磁体17能够与legoland型连接17a放置在一起。该结构使EMAT探头组件7、8能够根据不同的管道直径加以重构。EMAT探头7、8的端部用合适的表面保护材料15，例如Vespel，覆盖，从而防止损伤和污染换能器和接收器组件。在该位置处(两侧上)，柔性换能器和接收器线圈13a、14a能够自由地移动以适应直径改变。EMAT探头组件7、8通过另一个电介质隔离物11隔开。换能器和接收器线圈13a、14a放置在凹形区内部或者在电磁体元件的表面。
参考图4c。静电屏蔽22用于保护EMAT接收器线圈14不受非期望电干扰的影响。静电屏蔽(例如μ金属、接地)起屏障作用，从而保护EMAT接收器线圈14不受静电干扰和射频干扰(EMI/RFI)的影响。
参考图4d和4e。这里公开的装置产生了超声波21的聚焦区(孔径)，其尺寸与一个或多个电磁元件17相同。一个或多个(甚至是全部)电磁体元件17能够被磁化，从而形成比单个电磁体元件17更大的磁场。电磁体元件17能够用图1所示电路板16中的控制电子器件加以单独地、成组地或者同时全部地开启和关闭。
参考图5。使用了创新设计，曲道(meander-loop)线圈元件23的使用和控制提供了一种选择，从而选择不同的操作模式和超声波发射角，允许全面地检查围绕管道外周的整个焊缝。
在电磁体环中具有发射或者接收线圈13、14，如图5a所示，其能够是一个长导线或者被构建出分开的曲道线圈元件，如图5b所示。发射或接收线圈元件13、14能够被分别控制，从而获得一个如图5C所示的大曲道，或者如图5d所示的相控阵列(phased array)用以产生具有一定角度的超声波。接收器线圈元件13具有合适的预放大器24。它们能够用16中的控制电子器件单独地或者组合地进行处理。
进一步，通过引入小线圈元件23，能够为不同的检查目的产生大量的如图5e、5f、5g、5h所示的不同构型。
基本构型是
(I)长曲道线圈(也就是周长方向)，如图5f所示，(II)使用单层线圈的短曲道线圈(也就是半径方向)，如图5g所示，(III)两个或多个交错层，如图5h所示，其能够用于产生改良的覆盖、额外的深度方向和更好的信噪比。交错层的总厚度应当较小，处于1mm的量级。
变型是可能的。
优选实施例是通过包夹两个或多个围绕管道整个周长的柔性探头层实现的。可选择实施例具有以类似的交错模式但彼此叠加布置的EMAT探头层。优选地，发射器和接收器线圈能够放置在柔性运载器或者衬底上，其能够容易地在钻台上进行交换。
权利要求
1.一种用于检查焊接管形物端部之间焊缝的方法，该方法包括沿着邻近至少一个焊接管形物端部的内和/或外表面的圆周方向布置一系列电磁声换能器(EMAT)组件，诱使EMAT组件以不同的模式和角度向焊缝顺序地或同步地发射声剪切波信号，并探测由焊缝反射的和/或透过焊缝的剪切波，从而通过EMAT组件扫描焊缝的至少大部分，其中在扫描操作期间，EMAT组件相对于焊缝保持基本上固定的位置。
2.根据权利要求1的方法，其中EMAT组件包括一个EMAT发射器环形组件和一个EMAT接收器环形组件，该EMAT接收器环形组件布置在焊缝与EMAT发射器环形组件之间。
3.根据权利要求2的方法，其中当沿着焊接管形物的纵向方向看时，EMAT组件包括位于焊缝两侧的EMAT发射器环形组件和接收器组件。
4.根据权利要求2或3的方法，其中每一个EMAT发射器和接收器组件包括一个EMAT换能器矩阵，它们在圆周方向上彼此至少部分重叠。
5.根据权利要求4的方法，其中至少一个矩阵的EMAT换能器在相对于管壁的径向方向上以部分重叠的方式彼此重叠堆垛。
6.根据权利要求4的方法，其中至少一个矩阵的EMAT换能器在相对于管壁的大致纵向方向上交错。
7.根据前述任何一个的权利要求的方法，其中EMAT组件布置在运载器体上，该运载器布置在至少一个焊接管形物的内部。
8.根据权利要求1-6中任何一个的方法，其中EMAT组件布置在运载器套管上，该套管围绕至少一个焊接管形物并且在完成焊接操作之后能够被选择地分割成至少两个套管部分。
9.根据前述任何一个权利要求的方法，其中操作EMAT组件从而在完成锻焊之后立即检查锻焊管形物的质量。
10.一种用于检查焊接管形物端部之间焊缝的EMAT组件，该组件包括一系列电磁声换能器，其在使用时沿着邻近至少一个焊接管形物端部的内和/或外表面的圆周方向分布，并用于顺序地或者同时地以不同的模式和角度向焊缝发射声剪切波信号，并探测由焊缝反射的或者透过焊缝的剪切波从而通过EMAT组件扫描焊缝的至少大部分。
11.根据权利要求10的EMAT组件，其中该组件包括至少两个纵向间隔的EMAT发射器和接收器环形阵列，并且其中EMAT接收器环形阵列位于在EMAT发射器环形阵列之间。
全文摘要
一种用于检查焊接管形物端部之间焊缝的方法和组件包括邻近至少一个焊接管形物的内和/或外表面沿着圆周方向布置一系列电磁声换能器(EMAT)(7a、8a、7b、8b)，促使EMAT组件顺序地或者同步地向焊缝发射声剪切波，并探测从焊缝反射的和/或透过焊缝的剪切波，同时EMAT组件相对于焊缝保持基本上固定的位置，从而在形成焊缝之后立即通过EMAT组件扫描焊缝的至少大部分。
文档编号G01N29/24GK1668415SQ03816954
公开日2005年9月14日 申请日期2003年7月16日 优先权日2002年7月17日
发明者乔翰尼斯·J.·邓波尔, 安东尼·T.·科尔, 克里斯坦尼斯·迪米特利阿迪斯, 德克·A.·科隆枚杰, 简·E.·沃利布里格 申请人:国际壳牌研究有限公司