采气树/采油树的法兰盘超声相控阵检测方法及系统与流程

[0001]
本发明属于超声波检测技术领域，具体涉及采气树/采油树的法兰盘超声相控阵检测方法及系统。


背景技术：

[0002]
井口装置及采气树/采油树设备是油气开采的重要设备，由套管头、油管头、采油(气)树三部分组成，用来连接套管柱、油管柱，并密封各层套管之间及与油管之间的环形空间，并可控制生产井口的压力和调节油气井口流量，也可用于酸化压裂、注水、测试等特殊作业。采油树是由阀门、异径接头、油嘴及管路配件组成，是用于控制油气生产，并为钢丝、电缆、连续油管等修井作业提供条件的装置。按结构形式可以分为：分体式和整体式。除分体式和整体式外还可以分为单翼、和双翼。
[0003]
对采气树/采油树进行检测时，由于不能将采气树/采油树拆开检测判断，检测比较麻烦。目前主要采用超声检测装置在采气树/采油树外侧检测判断其内侧缺陷，但是很难保证缺陷精确度。


技术实现要素：

[0004]
本发明要解决的技术问题是提供缺陷检测效率高且成本低的采气树/采油树的法兰盘超声相控阵检测方法及系统。以解决上述技术问题。
[0005]
为此，本发明提供了采气树/采油树的法兰盘超声相控阵检测方法，包括以下步骤：
[0006]
s1：根据采气树/采油树的法兰盘的缺陷特征制作相应的法兰盘模拟试块，所述法兰盘模拟试块上设置有与该缺陷特征一一对应的人工缺陷特征；
[0007]
所述人工缺陷特征包括第一缺陷孔、第二缺陷孔、第三缺陷孔及缺陷槽，所述第一缺陷孔及所述第二缺陷孔分别位于所述法兰盘模拟试块的中心下侧5mm处及中心左侧5mm处，所述第三缺陷孔位于所述法兰盘模拟试块的密封面中间处，所述缺陷槽位于所述法兰盘模拟试块的通径内壁处；
[0008]
s2：通过超声相控阵发射超声波声束对所述法兰盘模拟试块的表面进行扫描得到人工缺陷特征的波形特征图，将人工缺陷特征与波形特征图进行对应保存形成缺陷标准比对表；
[0009]
s3：通过超声相控阵发射超声波声束对工件的表面进行超声波探测得到工件缺陷数据，将工件缺陷数据与所述缺陷标准比对表进行比对分析得到工件的实际缺陷特征。
[0010]
优选地，所述人工缺陷特征包括白点、锻造裂纹、应力腐蚀裂纹、制造面积型缺陷和体积型缺陷、内壁腐蚀、密封面腐蚀或加工制造形成的暗孔中的或多种。
[0011]
优选地，所述第一缺陷孔、第二缺陷孔及第三缺陷孔均为直径3.2mm、长度为20mm的孔，所述缺陷槽的尺寸型号为4mm*3mm*20mm。
[0012]
优选地，所述s2具体包括：当超声相控阵对检测区域进行多次扫描覆盖时,两次扫
描覆盖的声束来自不同方向且相互垂直；或来自一个方向且任两次扫描覆盖的超声波声束夹角不小于10
°
。
[0013]
优选地，所述s1之前还包括：对所述超声相控阵进行声速调校、角度增益校正(acg)调校及时间增益校正(tcg)设定。
[0014]
优选地，所述s2步骤具体包括：将所述超声相控阵的探头贴靠于所述模拟试块的表面，沿着模拟试块的轴向平移扫描使得超声波声束经过人工缺陷特征，在扫描得到的扇扫图上找到超声波声束经过人工缺陷特征时对应的反射回波区域，调节超声相控阵角度扫查线找到最大反射波幅，此时超声相控阵上对应的角度值为本次有效角度范围。
[0015]
优选地，所述缺陷槽及第三缺陷孔的检测按照偏转角度+15
°
～-15
°
执行。
[0016]
优选地，所述法兰模盘拟试块的检测采用39
°
楔块横波检测，角度范围设置为45
°
～72
°
。
[0017]
本发明还提供了采气树/采油树的法兰盘超声相控阵检测系统，包括带探头的超声相阵、含有多个独立的脉冲发射/接收通道的脉冲反射仪、扫描显示模块、
[0018]
所述超声相阵用于发生超声波声束以对法兰盘模拟试块的表面进行扫描得到人工缺陷特征的波形特征图，将人工缺陷特征与波形特征图进行对应保存形成缺陷标准比对表；以及对工件的表面进行超声波探测得到工件缺陷数据；
[0019]
其中，所述人工缺陷特征包括第一缺陷孔、第二缺陷孔、第三缺陷孔及缺陷槽，所述第一缺陷孔及所述第二缺陷孔分别位于所述法兰盘模拟试块的中心下侧5mm处及中心左侧5mm处，所述第三缺陷孔位于所述法兰盘模拟试块的密封面中间处，所述缺陷槽位于所述法兰盘模拟试块的通径内壁处；
[0020]
所述数据分析模块用于将工件缺陷数据与所述缺陷标准比对表进行比对分析得到工件的实际缺陷特征；
[0021]
所述扫描显示模块用于显示所述工件的实际缺陷特征。
[0022]
本发明的有益效果：本发明提供的这种采气树/采油树的法兰盘超声相控阵检测方法及系统，包括根据采气树/采油树的法兰盘的缺陷特征制作相应的法兰盘模拟试块，法兰盘模拟试块上设置有与该缺陷特征一一对应的人工缺陷特征；人工缺陷特征包括第一缺陷孔、第二缺陷孔、第三缺陷孔及缺陷槽，第一缺陷孔及第二缺陷孔分别位于法兰盘模拟试块的中心下侧5mm处及中心左侧5mm处，第三缺陷孔位于法兰盘模拟试块的密封面中间处，缺陷槽位于所述法兰盘模拟试块的通径内壁处；通过超声相控阵发射超声波声束对模拟试块的表面进行扫描得到人工缺陷特征的波形特征图，将人工缺陷特征与波形特征图进行对应保存形成缺陷标准比对表；通过超声相控阵发射超声波声束对工件的表面进行超声波探测得到工件缺陷数据，将工件缺陷数据与缺陷标准比对表进行比对分析得到工件的实际缺陷特征。通过制作模拟试块，对模拟试块进行检测，将其与实际工件检测中的缺陷进行对比，从而精确获取超声相控实际检测时检测的缺陷的大小和位置。该方案对法兰盘及阀盖等工件实现了100％检测覆盖，法检测缺陷的重复性和覆盖性较好，缺陷检测数据较为准确，交界面处的检测精度可达到精度ф2.0
×
1.0mm，且可用于现场检测，适于推广。
[0023]
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
[0024]
图1是本发明采气树/采油树的法兰盘超声相控阵检测方法及系统的流程示意图；
[0025]
图2是本发明采气树/采油树的法兰盘超声相控阵检测方法及系统的对比试块示意图；
[0026]
图3是本发明采气树/采油树的法兰盘超声相控阵检测方法及系统的采气树/采油树装置主要部位示意图；
[0027]
图4是本发明采气树/采油树的法兰盘超声相控阵检测方法及系统的本体模拟试块检测部位及偏转角度工艺图；
[0028]
图5是本发明采气树/采油树的法兰盘超声相控阵检测方法及系统的本体模拟试块检测面扫查工艺图；
[0029]
图6是本发明采气树/采油树的法兰盘超声相控阵检测方法及系统的通径模拟试块缺陷图；
[0030]
图7是本发明采气树/采油树的法兰盘超声相控阵检测方法及系统的通径模拟试块检测原理图；
[0031]
图8是本发明采气树/采油树的法兰盘超声相控阵检测方法及系统的通径模拟试块检测面扫查工艺图；
[0032]
图9是本发明采气树/采油树的法兰盘超声相控阵检测方法及系统的阀盖检测部位及偏转角度工艺图；
[0033]
图10是本发明采气树/采油树的法兰盘超声相控阵检测方法及系统的阀盖检测面扫查工艺图。
[0034]
附图标记说明：阀盖1，本体2，法兰3，通径4，探头5。
具体实施方式
[0035]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0037]
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0038]
如图1所示，本发明提供了采气树/采油树超声相控阵检测方法，包括以下步骤：
[0039]
s1：根据采气树/采油树的法兰盘的缺陷特征制作相应的法兰盘模拟试块，所述法兰盘模拟试块上设置有与该缺陷特征一一对应的人工缺陷特征；
[0040]
所述人工缺陷特征包括第一缺陷孔、第二缺陷孔、第三缺陷孔及缺陷槽，所述第一
缺陷孔及所述第二缺陷孔分别位于所述法兰盘模拟试块的中心下侧5mm处及中心左侧5mm处，所述第三缺陷孔位于所述法兰盘模拟试块的密封面中间处，所述缺陷槽位于所述法兰盘模拟试块的通径内壁处。其中，第一缺陷孔用于验证检测精度和检测偏转最大角度的确定，其用于模拟螺栓孔应力扩展裂纹。第二缺陷孔用于验证精度和检测偏转角度二次波束的确定，其模拟缺陷孔下部应力扩展裂纹。缺陷槽用于模拟通径即内径的内表面腐蚀缺陷，用于验证检测的精度及扩散补偿。第三缺陷孔模拟密封面腐蚀缺陷，用于验证检测的精度。通过这四个缺陷特征就能全面覆盖法兰盘或阀盖类的所有缺陷。检测时可以纵波扇扫描的方法进行检测。
[0041]
s2：通过超声相控阵发射超声波声束对所述模拟试块的表面进行扫描得到人工缺陷特征的波形特征图，将人工缺陷特征与波形特征图进行对应保存形成缺陷标准比对表。通过超声相阵发射超声波束，超声波束穿过不同介质时会发生反射。当扇扫检测的超声波束经过模拟试块表面向中心发射或者偏转发射的过程中，当遇到人工缺陷孔即人工缺陷特征时，会发生反射，通过反射后检测得到检测图谱。如下表所示：
[0042][0043]
通过分析检测图谱后得知缺陷的高度为2.7mm，缺陷孔径为2.7mm，两个数据的误差均为0.7，满足检测精度要求。则说明该模拟试块是符合标准的。后续再通过相同的方式检测工件，并与该模拟试块的数据进行比对分析便可得知工件内部的相应的实际缺陷。
[0044]
s3：通过超声相控阵发射超声波声束对工件的表面进行超声波探测得到工件缺陷数据，将工件缺陷数据与所述缺陷标准比对表进行比对分析得到工件的实际缺陷特征。
[0045]
其中，根据设定的延迟法则激发相控阵阵列探头各独立压电晶片(阵元)，合并声束并实现声束的移动、偏转和聚焦等功能，再按一定的延迟法则接收超声信号并以图像的方式显示被检对象内部状态的超声检测技术。
[0046]
采油(气)树相关部件有：油管四通、三通、阀门与旋式阀、油嘴、法兰、钢圈、钢圈、采油树帽及背压阀等。常用的材料材质有如下表一：
[0047]
表一
[0048]
[0049][0050]
如图2和表二所示，表二为采油采气树用对比试块sl-pa-01，在进行检测前，先对超声相控阵进行调校及验证。调校及验证采用的是同样的检测方法，检测对象是对比试块，对比试块是标准件，与模拟试块可以等同。纵波探头声速调校采用对比试块，推荐采用sl-pa-02型3号试块进行声速调校，推荐平底孔孔深为45mm和90mm。也可采用csk
-ⅰ
a试块平面2次波及4次波进行声速调校。横波波探头声速调校采用标准试块，推荐采用csk
-ⅰ
a试块r50和r100圆弧面进行声速调校。
[0051]
表二
[0052][0053]
sl-pa-01试块主要是用于检测时超声波声速校准、纵波楔块acg校准、检测tcg灵敏度的设定时使用，其方法根据仪器操作说明进行。sl-pa-02试块主要用于本体检测偏转角度的设置。
[0054]
纵波探头acg角度增益调试采用对比试块，推荐采用sl-pa-02型3号试块，平底孔孔深为45mm。横波探头acg角度增益调试推荐采用csk
-ⅰ
ar100圆弧面进行声速调校。纵波探头acg角度增益调试采用sl-pa-02型对比试块进行，tcg的设定应根据工件检测部位厚度选择试块型号，试块的选择参考附录a。tcg调试不得少于4点，其最大值应设置在检测最大声程处。扇扫时，因楔块衰减差异、晶片间差异及声压往复透射率差异等因素导致不同角度声
束对相同声程处相同尺寸的反射体回波幅度存在差异，利用软件对该差异进行修正，使其达到相同幅值。对不同声程处相同尺寸反射体的回波进行增益修正,使之达到相同幅值。
[0055]
纵波扇扫检测应采用0
°
楔块，楔块的厚度应计算并通过试块测试，避免楔块镜面波束影响检测缺陷的判断，一次波检测时第一次镜面波在1.5倍的板厚左右。计算公式如下：
[0056]
c1/h＝c2/1.5t
[0057]
其中：c1
ꢀꢀ
楔块中的纵波声速
[0058]
ꢀꢀꢀꢀꢀ
c2
ꢀꢀ
工件中的纵波声速
[0059]
ꢀꢀꢀꢀꢀ
t
ꢀꢀꢀ
工件的厚度
[0060]
ꢀꢀꢀꢀꢀ
h
ꢀꢀꢀ
楔块的厚度。
[0061]
横波扇扫，和横波线扫采用的楔块角度包括45
°
、55
°
、60
°
(自然角度)等，当检测法兰面腐蚀类缺陷时宜采用双晶探头进行全覆盖检测。对于曲面工件应确保耦合良好,工件与楔块最大间隙超过0.5mm时,应定制与工件曲率相符的楔块,同时应改变仪器中楔块的参数,以确保聚焦法则的精确性。检测灵敏度采用tcg的模式进行灵敏度设定。tcg设定不低于满屏幕的80％。tcg设定不少于4点，其最大声称的设定应设置在工件检测部位的最大厚度处。灵敏度设定应在对比试块上完成。聚焦距离设定在工件检测最大声称处。
[0062]
相控阵探头参数的选择可参照表三，通常单次激发的晶片数不少于16个。
[0063]
表三 推荐的探头参数
[0064]
最大检测深度/mm探头频率/mhz晶片间距/mm偏转方向孔径尺寸/mm6～5015～51.0～0.35～2550～10010～41.5～0.520～35100～2005～12.0～0.830～65
[0065]
检测前还可以对模拟试块进行验证。将已经校准后的超声相控阵对模拟试块进行再次检测并对比分析即可。具体地，对不同部位在检测前都需要在模拟试块上对拟设定的检测工艺及方法进行工艺验证。工艺验证主要评价的是检测有效声束范围、标准缺陷孔径当量大小、人工缺陷孔的深度、长度等尺寸。对于有曲率的工件进行检测时，可使用模拟调校拟补偿扩散衰减及吸收衰减的声能损失。模拟试块验证需记录模拟试块验证过程，并形成模拟试块验证记录并出具验证结论。
[0066]
优选的方案，所述模拟试块按照检测工件不同包括阀门本体模拟试块、通径模拟试块、阀盖模拟试块、大四通模拟试块及法兰模拟试块，所述模拟试块中设置有人工缺陷特征。模拟试块按照检测工件不同分为：阀门本体模拟试块、通径模拟试块、阀盖模拟试块、大四通模拟试块、法兰模拟试块。模拟试块中设置不同部位不同深度的人工缺陷孔径，主要用于不同部位和深度的检测灵敏度的验证；模拟试块内部设置不同深宽比例的面积型缺陷主要模拟工件内表面腐蚀情况的检测能力。模拟试块用于工件内部曲率造成的扩撒衰减的补偿调试。
[0067]
优选的方案，当超声相控阵对检测区域进行多次扫描覆盖时，两次扫描覆盖的声束来自不同方向且相互垂直；或来自一个方向且任两次扫描覆盖的超声波声束夹角不小于10
°
。采(油)气树相控阵检测按制造和在役工况，技术级别分为a级和b级，不同技术级别对应不同的检出率。制造阶段采(油)气树工件部位检测时其技术级别不得低于b级，再役阶段
其技术级别不低于a级。技术级别为a级时，应保证相控阵检测区域实现1次及以上全部覆盖。技术级别为b级时，应保证相控阵检测区域实现不同角度扫查2次及以上全覆盖。a级技术级别，在对比试块上测量信噪比,应保证所有声束拟采用的声程范围内φ2平底孔的信噪比大于9db。b级技术级别，在对比试块上测量信噪比，应保证所有声束拟采用的声程范围内φ2平底孔的信噪比大于12db。
[0068]
如图3所示，检测工艺按照不同部位和拰检测的缺陷类型进行设置，检测工艺包括阀门本体2、通径4、阀盖1、法兰3、圆柱体空心锻件、正方体空心锻件、螺栓等组成。然后针对几个常用且具有代表性的部位结构制作相应的模拟试块。下面根据不同模拟试块的检测方法进行分别阐述。
[0069]
如图4和图5所示，本体模拟试块：图中左边为模拟试块的三维图，在模拟试块的上表面和内径孔分别设有缺陷a和缺陷b。图中右边为缺陷a和缺陷b的剖视细节图。其中，缺陷a为不同位置的内部缺陷，孔的深度为靠近孔径或者壁厚的一半，即深度为t/2，t为壁厚。缺陷b为孔径内表面上的缺陷槽，即根部腐蚀类缺陷。扫描时探头5沿着外表面直线移动探头即可。
[0070]
如图6所示，通径模拟试块：在通径与本体、通径与法兰面的交界处，外表面即上表面设有缺陷孔c1，该孔对应的是用来模拟外表面应力集中裂纹缺陷，该缺陷是对应的工件在加工制造时形成的自身制造缺陷。功能是验证检测的精度和扩散补偿。交界处的内表面即下表面设有缺陷孔c3，通径内壁设有缺陷孔c2。其中，缺陷孔c3用来模拟下表面应力集中裂纹及冲刷腐蚀。缺陷孔c2用来模拟内表面腐蚀缺陷，用来验证检测的精度和扩散补偿。其中缺陷孔c1、c3及c2分别对应表四里的孔1、孔2和孔3。
[0071]
具体地采用纵波扇形扫描的方式进行检测，检测时如图7和图8所示，采用纵波将探头5绕着通径外壁布置后环形移动扫描找到相应的人工孔反射回波，在扇扫图上找到对应的反射回波区域，调节仪器角度扫查线找到最大反射波幅，此时仪器上对应的角度值为本次有效角度范围。在具体检测通径时，有效检测角度按照模拟试块上人工反射孔进行确定。在通径与阀门本体的连接部位处，其上表面人工孔(即通径的外表面)控制最小有效角度，下表面(即通径的内表面)人工孔控制最大有效角度。通径内部腐蚀缺陷检测，仪器调节时，其检测范围调节到4倍的板厚，提高检测区域范围。需要指出的是，当需要检测缺陷孔c1和缺陷孔c3时，需要用到偏转扫描。这里采用最小偏转最小角度-15
°
和偏转最大角度30
°
时便可以扫描到所有缺陷孔。
[0072]
具体地在检测通径的主干道部分时，采用纵波-20
°
～+40
°
扇形扫描二次波全部覆盖检测，聚焦深度选择2t处，检测前采用相应对比试块对扇扫描的声速进行校准，对仪器设备按照对比试块φ1.6人工平底孔进行tcg校准，制作tcg检测曲线。检测过程中主要采用一次波判断通径处缺陷，二次波水平方向40mm处法兰密封处端面腐蚀类缺陷。校准后进行检测可以得到检测图谱。
[0073]
如图9和图10所示，法兰盘或阀盖模拟试块的缺陷主要集中在螺栓孔附近以及通径孔的内壁，前者为应力集中裂纹或者制造时产生的缺陷，后者为内表面腐蚀缺陷。
[0074]
此外，法兰密封面的检测与通径的检测类似。如法兰密封面处，通过偏转角来进行扫描即可检测密封面即交界处的缺陷孔。法兰盘的检测工艺与阀盖检测工艺相同，在此不再赘述。在一个具体的实施场景中，可以采用39
°
楔块横波检测，角度范围设置为45
°
～72
°
。
[0075]
上述各个模拟试块中，通径模拟试块可模拟锻件阀门阀盖内部及腐蚀类缺陷缺和密封面腐蚀类缺陷，法兰面螺栓孔处裂纹类缺陷。阀盖模拟试块可模拟锻件阀门阀盖内部及腐蚀类缺陷缺和密封面腐蚀类缺陷，法兰面螺栓孔处裂纹类缺陷。本体可以模拟铸件大四通内部及腐蚀类缺陷缺的检测，本次采用的检测工艺实现了检测面的全部覆盖。
[0076]
本次采用的检测工艺对工件实现了100％检测覆盖，本检测方法检测缺陷的重复性和覆盖性较好，缺陷检测数据较为准确，交界面处的检测精度可达到精度ф2.0
×
1.0mm。本检测工艺可用于现场检测。
[0077]
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。