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(安徽省特種設(shè)備檢測(cè)院,合肥 230041)

高壓地下儲(chǔ)氣井呈細(xì)長(zhǎng)管狀向地層深處延伸，同時(shí)其具有爆炸風(fēng)險(xiǎn)小、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，是安全性和經(jīng)濟(jì)性完美結(jié)合的優(yōu)良存儲(chǔ)壓縮天然氣的高壓容器，廣泛應(yīng)用于CNG(壓縮天然氣)汽車加氣站，在民用調(diào)峰、工業(yè)儲(chǔ)氣等領(lǐng)域逐漸呈現(xiàn)出強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。

圖1 儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)示意

地下儲(chǔ)氣井由井口裝置、套管和井底裝置構(gòu)成，三者之間均通過(guò)螺紋連接，整體無(wú)焊接，儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。儲(chǔ)氣井埋于地下(井口裝置在地面以上)，總深度范圍為50～200 m，容積范圍為2～10 m3，井筒外徑有177.8 mm(壁厚為10.36 mm)和244.48 mm(壁厚為11.05 mm或11.99 mm)兩種規(guī)格，公稱壓力一般為25 MPa，在役一般承受10～25 MPa范圍的交變載荷。

地下儲(chǔ)氣井大部分套管都埋于地底下，而地層是一種多孔性腐蝕介質(zhì)，其中富含水、氧及多種電解質(zhì)，儲(chǔ)氣井內(nèi)儲(chǔ)存的CNG也含有一定量的硫化氫和水。這樣的使用環(huán)境和受力特點(diǎn)導(dǎo)致儲(chǔ)氣井的主要失效模式為外壁壁厚腐蝕和交變應(yīng)力腐蝕，多起儲(chǔ)氣井事故的開挖結(jié)果分析也驗(yàn)證了這一失效特點(diǎn)[1]，此外螺紋絲扣密封失效也是常見的失效方式之一。為了保證使用安全，國(guó)家相關(guān)規(guī)定明確要求對(duì)儲(chǔ)氣井進(jìn)行定期檢驗(yàn)。

當(dāng)前，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)氣井的檢驗(yàn)主要以密集測(cè)厚為主，再輔以井下電視系統(tǒng)觀察的技術(shù)手段。檢驗(yàn)方法較為單一，且超聲縱波的壁厚測(cè)定僅對(duì)環(huán)向面狀缺陷的檢測(cè)靈敏度高，對(duì)徑向缺陷的檢測(cè)靈敏度較低。由于角度的原因，甚至無(wú)法檢測(cè)出徑向缺陷，這是當(dāng)前儲(chǔ)氣井檢測(cè)普遍面臨的技術(shù)難題。筆者基于傳統(tǒng)無(wú)縫鋼管的超聲檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)了儲(chǔ)氣井超聲檢測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)各種類型和不同角度缺陷的檢測(cè)。

1 周向檢測(cè)

儲(chǔ)氣井的超聲檢測(cè)可以采用水浸法，以水作為耦合介質(zhì)，縱波直探頭偏置一定距離x，縱波遇套管后產(chǎn)生純橫波，儲(chǔ)氣井周向檢測(cè)示意如圖2所示，周向檢測(cè)聲場(chǎng)傳播示意如圖3所示。

圖2 儲(chǔ)氣井周向檢測(cè)示意

圖3 周向檢測(cè)聲場(chǎng)傳播示意

1.1 偏心距x的選擇

套管內(nèi)產(chǎn)生純橫波，需滿足αⅠ<αL<αⅡ[2]，根據(jù)聲波的折射與反射定律，可得

αΙ=arcsin(cL1/cL2)

(1)

α=arcsin(cL1/cS2)

(2)

r×(cL1/cL2)

(3)

式中：αⅠ為第一臨界角；αⅡ?yàn)榈诙R界角；αL為入射角；cL1為水中縱波聲速；cL2為鋼中縱波聲速；cS2為鋼中橫波聲速；x為偏心距離；r為套管內(nèi)半徑。

此外，還應(yīng)使橫波在套管中全反射，且不產(chǎn)生反射縱波，因此橫波斜入射角應(yīng)大于第三臨界角αⅢ。

α=arcsin(cS1/cL1)

(4)

αL>αΙ

(5)

綜上所述，只需x滿足式(3)，縱波在水/鋼界面就會(huì)產(chǎn)生純橫波，且橫波在管中外壁第一次發(fā)生全反射，無(wú)反射縱波。

1.2 水層厚度

應(yīng)使水/鋼界面的第二次回波S2位于管子的缺陷波F內(nèi)(一次波)、F外(二次波)之后，這樣有利于對(duì)缺陷的判別[2]。因?yàn)樗衏水=1 480 m·s-1，鋼中的聲速cs=3 230 m·s-1，c水/cs≈1/2。當(dāng)水層厚度大于鋼管中橫波聲程的1/2時(shí)，缺陷易于判別。

1.3 焦距和聲透鏡曲率半徑

在鋼管水浸法超聲檢測(cè)中，為了提高檢測(cè)靈敏度，廣泛采用聚焦探頭。同理，地下儲(chǔ)氣井井筒檢測(cè)也應(yīng)采用聚焦探頭，聚焦探頭有線聚焦和點(diǎn)聚焦兩種，一般采用線聚焦探頭。由聲學(xué)理論和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知，聚焦探頭折射后的焦點(diǎn)應(yīng)落在井筒外表面上，這時(shí)檢測(cè)靈敏度最高[3]，焦距F為

(6)

式中：H水為水層厚度；S鋼為鋼管中橫波的聲程；βs為聲束折射角。

此時(shí)聚焦探頭聲透鏡的曲率半徑r如式(7)所示[2]。

r=(c1-c2)F/c1

(7)

式中：c1為聲透鏡中縱波聲速，m·s-1；c2為水中波速，m·s-1；F為水中焦距，mm。

1.4 實(shí)現(xiàn)100%檢測(cè)

在實(shí)際檢測(cè)中，探頭在自轉(zhuǎn)過(guò)程中，同時(shí)在井深方向(縱向)向上或向下運(yùn)動(dòng)，是兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)合成，檢測(cè)軌跡相當(dāng)于沿著井筒壁的螺旋線, 檢測(cè)軌跡示意如圖4所示。

圖4 檢測(cè)軌跡示意

如果縱向速度快，探頭旋轉(zhuǎn)速度慢，合成的檢測(cè)軌跡螺旋線的螺距會(huì)較大，而導(dǎo)致檢測(cè)盲區(qū)。為了保證對(duì)井筒的100%檢測(cè)，探頭縱向速度和旋轉(zhuǎn)速度必須滿足一定條件，即要保證有不小于15%的檢測(cè)覆蓋率。

由上述可知，周向檢測(cè)采用線聚焦，探頭縱向無(wú)聚焦，縱向的檢測(cè)范圍由聲束擴(kuò)散角θ和探頭至井筒內(nèi)壁的水層厚度H水決定，聲束照射有效范圍示意如圖5所示，探頭縱向聲場(chǎng)有效檢測(cè)長(zhǎng)度L如式(8)所示。

L=2×H水×tan(θ/2)

(8)

圖5 聲束照射有效范圍示意

探頭的縱向最大移動(dòng)速度如式(9)所示。

vmax=0.85×(L/T)

(9)

式中：vmax為檢測(cè)系統(tǒng)縱向最大移動(dòng)速度；L為探頭縱向聲場(chǎng)的有效檢測(cè)長(zhǎng)度；T為檢測(cè)系統(tǒng)的自轉(zhuǎn)周期。

2 縱向檢測(cè)

縱向檢測(cè)的超聲探頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)與周向檢測(cè)類似。探頭聲場(chǎng)入射角αs滿足αⅠ<αs<αⅡ，管壁內(nèi)實(shí)現(xiàn)全橫波反射；水層厚度大于鋼管中1/2橫波聲程時(shí)(H水>0.5S鋼)，滿足缺陷易于判別；為了實(shí)現(xiàn)100%縱向檢測(cè)，此處可以沿著井筒圓周方向均勻?qū)ΨQ布置多個(gè)探頭，如4，8，16，32，64個(gè)等。文中檢測(cè)系統(tǒng)為32個(gè)通道。多個(gè)探頭的設(shè)計(jì)可以保證探頭旋轉(zhuǎn)速度不變的情況下，成倍數(shù)地增加縱向檢測(cè)速度(n個(gè)探頭，即可提高n倍)，大大提高檢測(cè)效率。

3 居中扶正裝置設(shè)計(jì)

為了保證檢測(cè)系統(tǒng)能夠按照設(shè)計(jì)的角度和距離進(jìn)行檢測(cè)，要設(shè)計(jì)一套保證檢測(cè)系統(tǒng)精確穩(wěn)定地處于相對(duì)位置空間的居中扶正系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的居中扶正裝置外觀如圖6所示。

圖6 居中扶正裝置外觀

居中扶正裝置由上下兩套居中裝置構(gòu)成，上居中裝置外觀如圖7所示，其由3個(gè)外彈裝置(見圖8)和3根彈簧沿圓周均勻布置。

圖7 上居中裝置外觀

圖8 外彈裝置

在彈簧的拉力作用下，活動(dòng)的小滑輪有一個(gè)向外正對(duì)井內(nèi)壁的作用力，3個(gè)力相互平衡，使檢測(cè)探頭居中。

采用該套居中扶正裝置的超聲密集測(cè)厚系統(tǒng)采集的井筒壁厚數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 井筒的超聲壁厚檢測(cè)數(shù)據(jù)

該檢測(cè)數(shù)據(jù)是在動(dòng)態(tài)豎向運(yùn)動(dòng)下實(shí)時(shí)采集的，厚度數(shù)據(jù)光滑連續(xù)，表明該扶正裝置能保證超聲測(cè)厚探頭聲場(chǎng)角度的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，能保證探頭的居中位置穩(wěn)定性和檢測(cè)可靠性，不受動(dòng)態(tài)擾動(dòng)的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)超聲檢測(cè)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，設(shè)計(jì)了一套儲(chǔ)氣井超聲檢測(cè)系統(tǒng)。由于多個(gè)探頭在圓周方向同時(shí)觸發(fā)，各個(gè)探頭的超聲波會(huì)在周向互相干擾，影響結(jié)果判定的準(zhǔn)確性，因此周向檢測(cè)未考慮采用布置多個(gè)探頭的形式，而縱向檢測(cè)不存在此問(wèn)題。實(shí)際應(yīng)用證實(shí)，居中扶正裝置在動(dòng)態(tài)測(cè)厚時(shí)能保證探頭的居中和數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定可靠。