祁 杰，林 立，程騰飛，王 晗，郭樹霞（中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京102249）

基于超聲陣列的鉆桿接頭井口在線檢測研究

祁 杰，林 立，程騰飛，王 晗，郭樹霞
（中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京102249）①

利用超聲傳感器組成的陣列對鉆桿接頭同時進(jìn)行360°環(huán)向檢測，并與中國石油大學(xué)（北京）研發(fā)的漏磁探傷裝置進(jìn)行集成，組成一種可對鉆桿整體進(jìn)行井口在線檢測的新方法。通過A N S Y S軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，證明了超聲檢測鉆桿的可行性，在此基礎(chǔ)上提出了一種超聲波探頭陣列布置方案，設(shè)計了一種超聲波鉆桿接頭檢測裝置。將超聲檢測模塊與漏磁檢測模塊進(jìn)行虛擬裝配，提出并設(shè)計了一種鉆桿“復(fù)合探傷”檢測裝置，實(shí)現(xiàn)了同時檢測鉆桿桿體和鉆桿接頭的目標(biāo)。

超聲檢測；數(shù)值模擬；陣列分布；虛擬裝配

中國石油大學(xué)（北京）的鉆桿在線漏磁檢測設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入第四代工程樣機(jī)階段，達(dá)到了國家B級鉆桿檢測精度要求，能夠檢測出鉆桿上尺寸為3 m m以上的缺陷裂紋［1 2］。該設(shè)備雖能夠成功完成對鉆桿桿體的檢測，但缺點(diǎn)是無法檢測接頭部分。由于鉆桿接頭井口探傷目前沒有成熟技術(shù)，所以提出了一種基于超聲波與漏磁檢測相結(jié)合的“復(fù)合探傷”檢測方案［3 4］，從而可以實(shí)現(xiàn)對鉆桿桿體和鉆桿接頭同時檢測的目標(biāo)。

這種“復(fù)合探傷”的設(shè)想如圖1所示，檢測儀分為漏磁檢測和超聲檢測2大部分。漏磁檢測部分檢測鉆桿的桿體處，超聲檢測部分檢測鉆桿的接頭處。該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)鉆桿在線實(shí)時檢測，在起鉆時即可完成對鉆桿整體探傷，比起以往將鉆桿送至管子站檢測，省去了運(yùn)輸環(huán)節(jié)，降低了成本。

能否利用超聲波檢測的方法檢測出鉆桿的缺陷是研究的首要問題。其次，檢測儀的超聲波探頭圍繞鉆桿一圈均勻分布，使用多個探頭同時進(jìn)行探傷。由于超聲波在介質(zhì)中傳播會發(fā)生相互干涉現(xiàn)象，兩組超聲波信號同時在被檢測試件中傳播的過程中會發(fā)生相互干涉。缺陷將會同時影響兩組回波信號，這種相互干涉對檢測結(jié)果造成的影響程度也是需要研究的問題。本文通過ANSY S數(shù)值模擬的方法對上述問題進(jìn)行了分析，根據(jù)分析結(jié)果得出超聲波探頭的合理布置方案，從而設(shè)計出與漏磁檢測設(shè)備結(jié)合的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分。

圖1 在線鉆桿漏磁超聲復(fù)合檢測儀

1 超聲波數(shù)值模擬分析

ANSYS分析過程包含3個主要的步驟：前處理、加載并求解、后處理［5］。超聲波檢測的有限元模擬流程圖，如圖2所示。

圖2 有限元模擬流程

按照圖2的步驟進(jìn)行數(shù)值模擬。其中，單元類型選擇PLANE182。在材料屬性方面，選用的材料為20號鋼，彈性模量為206G Pa，泊松比為0．3，密度為7 800 kg／m3。鉆桿接頭外徑為165．1 mm，內(nèi)徑為89．02 mm，壁厚為38．04 m m。根據(jù)國家B級鉆桿檢測精度的要求規(guī)定，需檢測出直徑3 mm的通孔，故將缺陷設(shè)置為直徑3 mm的圓孔。如圖3所示。

圖3 模型的缺陷設(shè)置

實(shí)體模型建立好后，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。試驗(yàn)中超聲波是沿著徑向傳播，所以徑向最大的單元長度為Lmax＝λ／8，其中波長λ＝C／fc，C為超聲波在試件中的傳播速度，fc為超聲波的中心頻率。環(huán)向劃分的單元長度由環(huán)向布置的探頭數(shù)量決定，一般環(huán)向劃分的分?jǐn)?shù)為探頭數(shù)量的2～3倍。

模擬過程采用瞬態(tài)動力學(xué)分析，在模型外環(huán)上選擇任意一個節(jié)點(diǎn)，加載瞬時位移來代替超聲波信號，同時選擇相鄰的節(jié)點(diǎn)作為接收回波信號節(jié)點(diǎn)。這樣可以得到任意時間下任意節(jié)點(diǎn)的位移量，并且能夠繪制一段時間內(nèi)位移變化曲線。

瞬時激勵信號采用正弦激勵信號時，經(jīng)過一段距離的傳播之后會發(fā)生頻散現(xiàn)象。本文選用漢寧窗調(diào)制多個單音頻疊加信號作為超聲波激勵信號［6 7］，表達(dá)式為

式中：n為選用的單音頻數(shù)目，取n＝5；fc為信號的中心頻率，fc＝2 500 000 s－1。

使用ANSYS里的函數(shù)編輯器生成的函數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 多個單音頻疊加信號曲線

按照以上步驟建立兩個分析模型，其中一個模型設(shè)置缺陷，另一個模型不設(shè)置缺陷。分別選擇節(jié)點(diǎn)加載激勵信號，并選擇與發(fā)射信號節(jié)點(diǎn)相鄰一個單位長度的節(jié)點(diǎn)作為接收信號節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過計算之后得到無缺陷模型和有缺陷模型的回波信號曲線，如圖5所示。

圖5 單探頭激勵下回波信號曲線

由圖5可以看出，有缺陷的回波信號比無缺陷的回波信號要提前，并且周期變大、信號強(qiáng)度稍弱。理論上，超聲波在試件中傳播，遇到障礙（缺陷）之后會發(fā)生發(fā)射、散射和衍射現(xiàn)象。過早的發(fā)生發(fā)射將導(dǎo)致提前接收到回波信號，散射和衍射現(xiàn)象則會使信號周期變大和信號強(qiáng)度變?nèi)?。以上的試?yàn)恰好證明其理論，說明可以通過超聲波檢測的方法檢測鉆桿的缺陷。

2 多探頭檢測相互干涉分析

首先研究兩路信號干涉對檢測結(jié)果的影響。模擬時，模型建立與上一節(jié)流程相同，不同的是要選擇2個節(jié)點(diǎn)同時施加相同的載荷。當(dāng)激勵信號之間的夾角為15°時，施加載荷后的模型如圖6所示。發(fā)射信號節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號為1和22，對應(yīng)的接收節(jié)點(diǎn)號為3和23。

圖6 施加2個成15°夾角載荷后的模型

同時沿著徑向施加載荷，經(jīng)過計算之后，圖7a和圖7b分別是3號節(jié)點(diǎn)和23號節(jié)點(diǎn)回波信號的數(shù)值結(jié)果。

圖7 施加2個成15°夾角載荷后回波信號曲線

圖7中，接收信號第1波段和第2波段分別為1號節(jié)點(diǎn)和22節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號，因?yàn)榻邮展?jié)點(diǎn)和發(fā)射節(jié)點(diǎn)相鄰，第1波段基本與發(fā)射信號一致，第2波段則比第1波段稍弱一些。后面的波段為反射回波，3號節(jié)點(diǎn)反射回波信號比23號節(jié)點(diǎn)的周期變長、強(qiáng)度稍弱，同時缺陷與3號節(jié)點(diǎn)在同一徑向上，正好可以驗(yàn)證了上一節(jié)中講述的遇到缺陷之后信號的變化。23號節(jié)點(diǎn)反射回波后面也摻雜了些許由缺陷造成的信號，但是信號特別微弱，對檢測不能造成影響。

之后將兩路信號夾角依次變化為45°、90°和180°進(jìn)行模擬分析。模擬結(jié)果與上面相同。數(shù)值結(jié)果表明，2個信號之間雖然相互干涉，但是對檢測結(jié)果并不構(gòu)成影響，能夠較為清楚的發(fā)現(xiàn)缺陷，并且根據(jù)回波信號能夠判斷缺陷的位置。

緊接著將2路信號激勵增至多路信號激勵，但激勵信號越多，計算量將越大，考慮到計算機(jī)資源有限以及為了避免重復(fù)計算，本文選用3組激勵信號計算分析它們之間的干涉對結(jié)果的影響。與上面研究路線一樣，使激勵信號之間成不同的角度進(jìn)行模擬分析。

當(dāng)激勵信號之間的夾角為15°時，施加載荷后的模型如圖8所示。

圖8 施加三個成15°夾角載荷后的模型

圖8中由上至下的節(jié)點(diǎn)號分別為22、1、461。將相同的超聲波激勵信號同時加載在這三個節(jié)點(diǎn)上，選擇它們相鄰一個單位長度的節(jié)點(diǎn)作為接收信號節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)號依次為23、3、462。經(jīng)過計算分析之后，分別得到3組接收節(jié)點(diǎn)的時間歷程后處理數(shù)值模擬曲線，如圖9所示。

圖9 施加3個成15°夾角載荷后回波信號曲線

3組結(jié)果顯示，23號節(jié)點(diǎn)與462號節(jié)點(diǎn)上的回波信號曲線基本一致，和雙探頭模擬結(jié)果類似，不同的地方是多了一個波段。就23號節(jié)點(diǎn)信號曲線而言，第1波段是22號節(jié)點(diǎn)上的發(fā)射信號，第2波段和第3波段分別是1號節(jié)點(diǎn)和461號節(jié)點(diǎn)上的發(fā)射信號，這些波段在電路系統(tǒng)中會受到限幅電路的限制，因此在數(shù)據(jù)采集過程之中不會接收到這些波段。緊接著就是超聲波在鉆桿內(nèi)壁的反射回波，由圖可知，反射回波信號除了強(qiáng)度變?nèi)踔?，其他的參?shù)基本與發(fā)射信號一致，則說明該處沒有缺陷。3號節(jié)點(diǎn)信號曲線與前兩個曲線大不相同，較為明顯的是少了一個波段，原因是22號節(jié)點(diǎn)和461號節(jié)點(diǎn)上的發(fā)射信號同時傳播到3號節(jié)點(diǎn)處，并且相互疊加，強(qiáng)度變大。之后的波段與上一節(jié)中模擬結(jié)果相同，周期變長、強(qiáng)度稍弱正是由于缺陷所導(dǎo)致。所以，這3組信號之間干涉沒有影響到檢測結(jié)果。

之后將激勵信號夾角設(shè)為60°和120°。與雙探頭同時檢測結(jié)論一致，信號之間會發(fā)生相互干涉，會導(dǎo)致一些信號的的疊加或者產(chǎn)生多余的信號（這些信號會在之后的信號調(diào)理過程中被過濾去除），但信號中缺陷信號的特征很明顯，能夠較為清晰地被發(fā)現(xiàn)。在所有的探頭中，只有距離缺陷最近的探頭接收的回波信號中顯示缺陷信號特征。

綜上所述，超聲波在鉆桿中傳播的相互干涉對檢測結(jié)果不構(gòu)成影響，有力證明了可以使用超聲波檢測的方法檢測缺陷并且能達(dá)到良好的檢測效果。

3 探頭陣列分布

超聲波在鉆桿中傳播的相互干涉對檢測結(jié)果不構(gòu)成影響，故可以將探頭圍繞鉆桿一圈陣列分布。本文中檢測的鉆桿接頭處的外徑為0．165 1 m，探頭的外徑為0．022 m，經(jīng)過計算圍繞鉆桿一圈可以放置25個探頭，考慮其對稱，選取24個探頭。

分別設(shè)計了2種探頭的陣列方案，一種是單探頭繞鉆桿均勻分布陣列方案，另一種是3探頭集成后繞鉆桿均勻陣列分布。2種探頭陣列方案見圖10。

圖10 探頭陣列方案

2種方案都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

單探頭分布方案中，探頭的獨(dú)立性很強(qiáng)，單個探頭自成一套系統(tǒng)，相互之間獨(dú)立，使得每個探頭都能與鉆桿保持良好的接觸，但也因其獨(dú)立系統(tǒng)繁多而使機(jī)構(gòu)變得復(fù)雜，零件數(shù)目龐大，相互之間間距很小，容易造成空間上的混搭。

3探頭集成分布方案，則降低了探頭的獨(dú)立性，3探頭成一系統(tǒng)，共同進(jìn)退，但有泥漿作為中間介質(zhì)填補(bǔ)了接觸上的缺陷，而且集成分布方案精簡了機(jī)構(gòu)，使零件數(shù)與單探頭分布相比成倍的減少，裝配起來更加便利，本文選用3探頭集成分布方案。

4 整體結(jié)構(gòu)

利用平行四邊形機(jī)構(gòu)的平動特性，以“蕩秋千”為思路設(shè)計系統(tǒng)的擺動方案，鉆桿超聲波檢測裝置主要包括探頭懸掛隔板、連桿、法蘭式超聲探頭、探頭夾持裝置及彈簧導(dǎo)桿。探頭懸掛隔板主要有兩個作用，第1個作用是懸掛超聲夾持裝置，使通過連桿聯(lián)接的超聲夾持裝置在遭受提鉆沖擊時有一個緩沖過程，減少提鉆沖擊對探頭造成的硬性損傷；第2個作用是防止布置在上面的漏磁氣動除泥裝置對超聲探頭夾持裝置造成污染。連桿的作用是連接探頭夾持裝置和探頭懸掛隔板。法蘭式超聲探頭是檢測鉆桿接頭缺陷的核心裝置，在其尾部安裝小型減震彈簧，減少鉆桿對探頭的提鉆沖擊，保護(hù)超聲探頭。沿鉆桿接頭周圍布置8個柔性探頭夾持裝置，可實(shí)現(xiàn)鉆桿接頭缺陷全覆蓋無漏檢。彈簧導(dǎo)桿和法蘭式超聲探頭的彈簧具有相同的作用，都是用來緩和提鉆過程中鉆桿對超聲探頭造成的硬性沖擊，復(fù)位超聲夾持裝置。圖11為鉆桿超聲波檢測模塊結(jié)構(gòu)圖［8］。

圖11 鉆桿超聲檢測裝置結(jié)構(gòu)

將鉆桿超聲檢測裝置與鉆桿漏磁檢測裝置無縫結(jié)合，圖12為漏磁超聲在線檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖，上面為漏磁檢測部分，中間的為超聲檢測部分，下面的是滑軌。

圖12 漏磁超聲在線檢測裝置

檢測的流程為：首先將檢測裝置運(yùn)到現(xiàn)場，通過鉆井平臺提升系統(tǒng)將檢測裝置放在井口。起鉆前將井口滑軌置于轉(zhuǎn)盤上方，調(diào)整好位置并旋緊井口滑軌上的磁性吸座，起到固定作用，避免在提鉆時將檢測裝置提離平臺。然后通過遙控器控制輔助小車前進(jìn)至井口處，通過遙控器控制箱體內(nèi)的電磁控制閥控制張合機(jī)構(gòu)驅(qū)動氣缸打開檢測設(shè)備，將輔助小車移動到鉆桿中心，然后閉合設(shè)備。設(shè)備內(nèi)的超聲檢測裝置由于柔性結(jié)構(gòu)彈簧的伸縮設(shè)計，會使超聲探頭緊緊環(huán)抱被檢鉆桿表面，提鉆時數(shù)據(jù)采集卡會將提鉆時采集的數(shù)據(jù)直接輸入到遠(yuǎn)程控制器中由計算機(jī)對信號進(jìn)行系統(tǒng)處理并顯示缺陷檢測結(jié)果。

5 結(jié)論

1） 通過比對超聲波在有缺陷和無缺陷模型中的回波信號，證明可以通過超聲檢測的方法檢測鉆桿的缺陷。添加多路信號源的模擬結(jié)果表明超聲波在鉆桿傳播過程中的相互干涉對檢測結(jié)果不會構(gòu)成影響，驗(yàn)證了超聲波鉆桿接頭檢測方案的可行性。

2） 完成了超聲波探頭圍繞鉆桿的陣列組合計算。依次設(shè)計了探頭懸掛隔板、連桿、法蘭式超聲探頭、探頭夾持裝置及彈簧導(dǎo)桿等。提出了超聲波鉆桿接頭檢測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，同試驗(yàn)室現(xiàn)有在線鉆桿漏磁檢測設(shè)備實(shí)現(xiàn)無縫裝配、功能互補(bǔ)，成功地實(shí)現(xiàn)了對鉆桿的桿體和鉆桿接頭同時檢測的目標(biāo)。為今后繼續(xù)深入研究在線鉆桿漏磁超聲復(fù)合檢測儀提供技術(shù)支撐。

［1］ 馬義來，林立，謝新安，等．鉆桿在線漏磁檢測系統(tǒng)［J］．石油機(jī)械，2012（12）：30 33．

［2］ 蔣開文，林立，馬義來，等．鉆桿在線漏磁探傷系統(tǒng)探頭靜磁力的數(shù)值模擬［J］．石油機(jī)械，2013（11）：32 35．

［3］ 王曉華，曾鳴，王文明，等．基于連續(xù)油管的超聲波管道檢測裝置設(shè)計［J］．石油礦場機(jī)械，2013，42（12）：51 54．

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Weiihead Oniine Testing Research of Driii Pipe Joints Based on the Principie of Uitrasonic Array

QI Jie，LIN Li，CHENG Tengfei，WANG Han，GUO Shuxia
（College of Mechanical and Transportation Engineering；China Universitu of Petroleu m，Beijing102249，China）

Flaw detection idea of this paper is to detect tooljoints 360 degree by an array of ultra sonic sensors，and to integrate with the magnetic flux leakage inspection apparatus developed by China U niversity of Petroleum（Beijing），eventually to find a new method of wellhead which can detect the overall drill online at the wellhead．First of all，the ANSYS software was used for nu merical sim ulation to dem onstrated the feasibility of ultrasonic drill testing，and on this basis pro posed an ultrasonic probe array layout scheme，an ultrasonic drill pipe joints detection device was designed．Finally，with the virtual assem bly of the ultrasonic detection m odule and magnetic flux leakage testing m odule，a“co m plex flaw”detection device for drill was proposed and designed to a chieve a sim ultaneous detection purposes of the drill rod body and joints．

ultrasonic testing；nu merical sim ulation；array distribution；virtual assem bly

T E921．2

A

10．3969／j．issn．1001 3842．2015．06．015

1001 3482（2015）06 0063 06

①2014 11 22

祁杰（1989 ），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要從事機(jī)電一體化研究，Email：qijie913＠163．com。