丁 輝，蘭曉冬，李 震，邢承軍

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津 300452)

在長期惡劣的海洋環(huán)境和復(fù)雜的工況條件下，海洋井口采油樹本體不可避免會受到碰撞、銹蝕、腐蝕、沖蝕等因素的影響，產(chǎn)生壁薄、應(yīng)力集中及內(nèi)部裂紋等缺陷，而這些缺陷在返廠檢修或常規(guī)檢測手段(如磁粉、超聲波等)下不容易被發(fā)現(xiàn)，特別是不能及時和全面檢查、評價設(shè)備在整個承壓過程中裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。[1]如果這些缺陷和隱患不被及時發(fā)現(xiàn)，一旦井口采油樹失效而引發(fā)事故，將引起海上平臺的重大災(zāi)難，造成巨大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。

目前，海洋井口采油樹運(yùn)維技術(shù)仍處于返場拆檢、靜態(tài)無損檢測、功能試驗(yàn)及靜水壓強(qiáng)度試驗(yàn)，無法從本質(zhì)安全角度評估井口采油樹本體的安全可靠性，筆者在海洋井口采油樹本體裂紋檢測上引入聲發(fā)射檢測技術(shù)，不僅保證了海洋井口采油樹本體的本質(zhì)安全性，更重要的是對后續(xù)針對其開展安全評估具有一定的推動作用。本文從聲發(fā)射檢測技術(shù)的原理、聲發(fā)射檢測技術(shù)在海洋井口采油樹運(yùn)維上的應(yīng)用方法及取得的效果進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。

1 聲發(fā)射檢測技術(shù)的原理

聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種動態(tài)無損檢測技術(shù)，其信號來自缺陷本身，利用該技術(shù)可以判斷缺陷的活動性和嚴(yán)重性。聲發(fā)射檢測技術(shù)在材料試驗(yàn)、壓力容器、航空、航天、橋梁及地震預(yù)報等方面有著廣泛的應(yīng)用。

聲發(fā)射檢測技術(shù)的原理是將高靈敏度的聲發(fā)射傳感器置于材料或零部件表面，接收材料或零部件在受力作用下產(chǎn)生的變形、斷裂或內(nèi)部應(yīng)力超過屈服極限而以瞬態(tài)彈性波形式釋放的應(yīng)變能，實(shí)時接收和采集來自于材料或零部件缺陷的聲發(fā)射信號，通過對聲發(fā)射信號的識別、判斷和分析推斷出材料或零部件內(nèi)部缺陷位置、狀態(tài)程度和發(fā)展趨勢。聲發(fā)射檢測原理如圖1所示。

圖1 聲發(fā)射檢測原理圖Fig.1 Schematic diagram of an acoustic emission testing

2 海洋井口采油樹聲發(fā)射檢測方案設(shè)計(jì)

2.1 海洋井口采油樹

井口采油樹是用于控制和調(diào)節(jié)油氣井生產(chǎn)的主要設(shè)備，主要由油管四通、平板閥、轉(zhuǎn)換四通、節(jié)流閥、截止閥及儀表等組成。海洋井口采油樹由于受海洋平臺空間的限制和作業(yè)工況的要求，主要為整體式井口采油樹，由主閥、安全閥、清蠟閥和翼閥等組成。海洋井口采油樹結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 海洋井口采油樹結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Structural composition of an offshore Christmas tree

2.2 聲發(fā)射檢測傳感器測點(diǎn)布置設(shè)計(jì)

根據(jù)海洋井口采油樹主體結(jié)構(gòu)和零部件外形特點(diǎn)，以聲發(fā)射傳感器能覆蓋被檢測區(qū)域?yàn)樵瓌t，進(jìn)行聲發(fā)射傳感器的布置及檢測陣列的選擇。

閥門或管件等采用線性定位測點(diǎn)布置。油管四通、四通轉(zhuǎn)換等采用平面定位測點(diǎn)布置。聲發(fā)射傳感器測點(diǎn)布置形式如圖3所示。

圖3 聲發(fā)射傳感器測點(diǎn)布置形式Fig.3 Monitoring point arrangement for acoustic emission sensors

2.3 聲發(fā)射檢測壓力加載設(shè)計(jì)

為了能夠接收材料或零部件在受力作用下產(chǎn)生的變形、斷裂或內(nèi)部應(yīng)力超過屈服極限而以瞬態(tài)彈性波形式釋放的應(yīng)變能，需對被檢測材料或零部件施加外力，對于管道、承壓等設(shè)備常規(guī)采用壓力加載的方式來實(shí)現(xiàn)。海洋井口采油樹在聲發(fā)射檢測時，同樣采用壓力加載的方式進(jìn)行聲發(fā)射聲源的接收和采集。

根據(jù)海洋井口采油樹額定工作壓力，確定聲發(fā)射檢測壓力加載程序。壓力加載程序?qū)嵭蟹旨壖虞d，每個載荷梯度下穩(wěn)壓時間 5,min，當(dāng)達(dá)到最大試驗(yàn)壓力時穩(wěn)壓時間為 15,min，并以在規(guī)定的穩(wěn)壓期無可見泄漏為合格標(biāo)準(zhǔn)。[2]海洋井口采油樹聲發(fā)射檢測壓力加載梯度表如表1所示。

表1 海洋井口采油樹聲發(fā)射檢測壓力加載梯度表Tab.1 Table of loading grads of acoustic emission testing pressure for an offshore Christmas tree

2.4 聲發(fā)射檢測流程設(shè)計(jì)

海洋井口采油樹聲發(fā)射檢測流程主要包括熟悉待測材料或零部件(包括查閱說明書、原始維修記錄的收集與審查)、檢測前的準(zhǔn)備(包括技術(shù)準(zhǔn)備、檢測設(shè)備校準(zhǔn)、試壓設(shè)備準(zhǔn)備、環(huán)境勘察、聲發(fā)射檢測傳感器布點(diǎn))、聲發(fā)射檢測(包括壓力加載、數(shù)據(jù)采集)及數(shù)據(jù)處理等4個過程。

在海洋井口采油樹聲發(fā)射檢測過程中，操作人員需取得美國無損檢測學(xué)會頒發(fā)的Ⅱ級無損檢測資格證書和經(jīng)過聲發(fā)射檢測專業(yè)培訓(xùn)。[3]

3 海洋井口采油樹聲發(fā)射檢測技術(shù)應(yīng)用

2014年4月5日，我公司采用DISP-8聲發(fā)射設(shè)備對中海油渤海石油管理局綏中某平臺的A23井海洋井口采油樹進(jìn)行了聲發(fā)射檢測。該井口采油樹聲發(fā)射檢測傳感器測點(diǎn)布置圖如圖4所示。

圖4 聲發(fā)射檢測傳感器測點(diǎn)布置圖Fig.4 Arrangement plan of monitoring points for the acoustic emission testing sensor

圖5 聲發(fā)射檢測數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測圖Fig.5 Data collection and monitoring in the acoustic emission testing

該海洋井口采油樹在21,MPa的試驗(yàn)壓力下，觀察聲發(fā)射檢測數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(見圖 5)，未見油管四通、各閥門及連接管件等部件在穩(wěn)壓階段有可記錄的聲發(fā)射信號，說明該套井口采油樹裝置在試驗(yàn)壓力的承壓階段無裂紋缺陷存在。

4 結(jié) 語

聲發(fā)射檢測技術(shù)在海洋井口采油樹運(yùn)維上的成功應(yīng)用，突破了井口采油樹常規(guī)的無損檢測方法，為下一步海洋井口采油樹檢測評估工作提出了新的檢測方法。同時，聲發(fā)射檢測技術(shù)具有常規(guī)檢測方法無法達(dá)到的優(yōu)勢，必將在今后海洋承壓設(shè)備的無損檢測中發(fā)揮巨大作用。此外，聲發(fā)射檢測技術(shù)對環(huán)境噪聲的要求很高，因此需要不斷提高無損檢測人員的技術(shù)水平，積累檢測經(jīng)驗(yàn)?！?/p>

［1］唐棖浩，鄧勇剛，劉念念.聲發(fā)射檢測技術(shù)在井控裝置安全測評中的應(yīng)用[J].鉆采工藝，2008(2)：162-163.

［2］美國石油學(xué)會.API Spec 6A-2010 井口裝置和采油樹設(shè)備規(guī)范[S].

［3］美國無損檢測學(xué)會.ASNT-SNT-TC-1A-2011 無損檢測人員的評定和資格證書[S].