一种基于超声导波的方钻杆检测方法与流程

本发明涉及一种方钻杆的检测方法，具体涉及一种基于超声导波的方钻杆检测方法。

背景技术：

方钻杆是组成钻机钻柱的主要部件之一，主要功能是把转盘的旋转变成整个钻柱和钻头的旋转，以破碎地层。钻具在钻井过程中，方钻杆起着传递扭矩并承受钻柱全部重量的作用，长期在恶劣环境和复杂载荷的作用下，很容易出现腐蚀、裂纹等缺陷。若不及时检测，可能会在井下发生断裂事故，造成巨大的经济损失。因此，对方钻杆的检测就显得尤为必要和紧迫。

目前，方钻杆的检测方法，主要是基于超声体波的方法。如，戈海峰在文献《方钻杆的整体检测》报到了采用传统超声纵波的方法对方钻杆进行检测。这中基于体波的超声检测方法，采用点对点的检测方式，检测完一个点后，需要沿着钻杆，将传感器移动到下一个点，效率低下。另外，由于检测区域小，容易造成漏检。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种基于超声导波的方钻杆检测方法，在方钻杆中，导波的能量可以随方钻杆结构长距离、快速传播，克服了基于超声纵波方法的不足，既可以检测试样表面缺陷，也可以对试样内部损伤进行检测与评估。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于超声导波的方钻杆检测方法，包括以下步骤：

s1.依据待检测方钻杆试件的物理参数和几何参数，通过半解析有限元的方法，计算出方钻杆的相速度和群速度频散曲线；

s2.根据s1中计算的频散曲线，在频散曲线上相对较平直的范围内，选择激励模态和激励频率；

s3.在待检测方钻杆试件的一端布置激励传感器，在另一端布置接收传感器；

s4.信号发生器产生以激励频率为中心频率的一定周期的脉冲信号，通过功率放大器输入到激励传感器，在方钻杆中激发所需要的模态和频率超声导波；所述频率超声导波在待检测方钻杆试件中传播，并由接收传感器接收；

s5.接收传感器将接收到的信号输送至示波器进行显示，得到信号的幅值at；然后利用公式td＝at/a0计算透射系数，其中，td表示被测方钻杆的透射系数，at接收端信号的幅值，a0表示激励信号的幅值；

s6.将被测方钻杆的透射系数td与无损方钻杆的透射系数t0进行比较，若td＝t0则方钻杆内部无缺陷；若td<t0,则方钻杆内部存在缺陷。

优选地，利用超声导波的透射系数，实现对方钻杆内部缺陷的检测和评价。

优选地，根据所选取的激励点的波结构，选择合适的传感器，在方钻杆结构中激励超声导波。

在上述步骤s1中，由于方钻杆内孔圆形，外表面方形，很难采用解析的方法去求解方钻杆结构的频散曲线，而采用半解析-有限元是一种很有效的频散曲线求解方法，因此可以通过半解析有限元的方法计算出方钻杆的相速度和群速度频散曲线。

在上述步骤s2中，在相速度和群速度频散曲线上平直段范围内，选择激励的模态和频率；平直段范围的导波模态频散较小，适合长距离检测。

在上述步骤s3中，根据所选取的激励点的波结构，选择合适的传感器，在方钻杆结构中激励超声导波。

上述方案中，依据方钻杆的相速度和群速度频散曲线，选择频散小的导波模态作为激励信号，在方钻杆中激励出超声导波，将被测方钻杆的透射系数td与无损方钻杆的透射系数t0进行比较，实现对方钻杆的检测。相对于传统点对点的纵波超声检测方法，基于超声导波的方钻杆检测方法，具有效率高、检测速度快、检测成本低、检测准确度高等优点。

附图说明

图1为本发明实施例基于超声导波的方钻杆检测装置的结构示意图。

图2为方钻杆频散曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所述，本发明提供了一种基于超声导波的方钻杆检测装置,包括信号发生器1、功率放大器2、接收传感器6和示波器9；所述信号发生器1用于产生所需要的激励模态和频率，通过功率放大器2进行放大，经过激励传感器4耦合到方钻杆3中，在方钻杆3中产生超声导波波包5，当超声导波传播到接收端，被接收传感器6所接收，接收到的信号通过放大器8放大之后，送到示波器9进行显示和后续处理。其中，图1中，7为方钻杆的横截面。

本发明还提供一种基于超声导波的方钻杆检测方法，包括以下步骤：

s1.依据待检测方钻杆试件的物理参数和几何参数，通过半解析有限元的方法，计算出方钻杆的相速度和群速度频散曲线(如图2所示)；

s2.根据s1中计算的频散曲线，在频散曲线上相对较平直的范围内，选择激励模态和激励频率；

s3.在待检测方钻杆试件的一端布置激励传感器，在另一端布置接收传感器；

s4.信号发生器产生以激励频率为中心频率的一定周期的脉冲信号，通过功率放大器输入到激励传感器，在方钻杆中激发所需要的模态和频率超声导波；所述频率超声导波在待检测方钻杆试件中传播时遇到缺陷会产生反射和散射，在传送到接收端时由接收传感器接收；

s5.接收传感器将接收到的信号输送至示波器进行显示，得到信号的幅值at；然后利用公式td＝at/a0计算透射系数，其中，td表示被测方钻杆的透射系数，at接收端信号的幅值，a0表示激励信号的幅值；

s6.将被测方钻杆的透射系数td与无损方钻杆的透射系数t0进行比较，若td＝t0则方钻杆内部无缺陷；若td<t0,则方钻杆内部存在缺陷。

本发明依据方钻杆的相速度和群速度频散曲线，选择频散小的导波模态作为激励信号，在方钻杆中激励出超声导波，将被测方钻杆的透射系数td与无损方钻杆的透射系数t0进行比较，实现对方钻杆的检测。相对于传统点对点的纵波超声检测方法，基于超声导波的方钻杆检测方法，具有效率高、检测速度快、检测成本低、检测准确度高等优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于超声导波的方钻杆检测方法，包括以下步骤：通过半解析有限元的方法计算出方钻杆的相速度和群速度频散曲线；在频散曲线上相对较平直的范围内，选择激励模态和激励频率；在方钻杆的一端布置激励传感器，另一端布置接收传感器；信号发生器产生以激励频率为中心频率的脉冲信号，通过功率放大器输入激励传感器，在方钻杆中激发所需要的模态和频率超声导波；频率超声导波在方钻杆中传播，由接收传感器接收，并输送至示波器进行显示，得到信号的幅值At；计算透射系数，然后将被测方钻杆的透射系数Td与无损方钻杆的透射系数T0进行比较。本发明既可以检测试样表面缺陷，也可以对试样内部损伤进行检测与评估。

技术研发人员：万翔
受保护的技术使用者：西安科技大学
技术研发日：2018.05.23
技术公布日：2018.11.06