Page 36 - 无损检测2023年第十二期

刘祥康, 等:

在役井口阀门内部阀杆腐蚀的相控阵超声检测

在不拆卸状态下, 阀杆处于阀门内部, 阀体结构
复杂且阀体壁厚较大, 磁粉、 涡流以及传统超声等无
损检测方法均难以穿透阀体进入阀体内部进行检
测, 目前还未形成在不拆卸状态下有效检测阀门内
部阀杆的技术 [ 1 ] 。
对于阀门内部阀杆检测, 目前都是将井口阀门
回场拆卸后进行检测, 不仅检测周期长, 成本高, 还
会影响油气田的正常生产效率, 而且无法从本质上
解决在役井口装置的在线检测和评估难题。因此,
开展在役井口阀门内部阀杆的在线检测, 对消除阀 图2 相控阵超声检测端部激励位置示意
杆腐蚀缺陷带来的安全隐患与保证气井生产安全具 会在阀杆内部传播, 当超声声束遇到阀杆中几何形
有十分重要的工程意义。 状发生变化的区域时, 就会出现反射回波, 其检测原
针对上述关键问题, 提出了一种基于相控阵超 理如图4所示。
声的阀杆端部激励检测方法, 在不拆卸状态实现了 通过聚焦法则对接收阵元进行延时处理, 分别
在役阀杆腐蚀缺陷的检测 [ 8 ] 。 计算每个偏转角度的接收延时时间, 按照延时时间
对每个阵元的回波信号进行叠加, 即可得到与缺陷
1 基于端部激励的阀杆检测原理
信息相关的回波信号, 最后通过对比有缺陷和无缺
基于端部激励的阀杆检测方法是利用相控阵超声 陷情况下的回波信号特征, 来实现阀杆腐蚀缺陷的
检测技术在阀杆裸露出的端部进行激励, 在阀杆端部 检测以及定位 [ 14 ] 。
进行回波信号的发射与接收, 不需要对阀门进行拆卸
即可对其腐蚀缺陷进行检测。某内部阀杆腐蚀照片如
图1所示, 相控阵超声检测端部激励位置如图2所示。

图3 相控阵的偏转和聚焦原理示意

图4 基于端部激励的阀杆检测原理示意
图1 井口阀门内部阀杆腐蚀照片
2 仿真分析
相控阵超声检测技术 [ 9-10 ] 通过一定的延时法则对
阵元进行分时激励, 可以实现超声波阵面在不同位置 2.1 仿真模型建立
的叠加, 从而实现超声合成信号的聚焦或者偏转, 相控 为对阀杆结构回波信号特征进行分析识别, 开
阵超声偏转和聚焦原理如图3所示。通过偏转和聚 展基于端部激励的阀杆相控阵超声仿真分析。采用
焦, 可以在不移动超声探头的情况下对特定位置进行 COMSOL Multi p h y sic软件声学模块中的弹性波 -

聚焦扫查, 提高聚焦位置的检测灵敏度, 并且利用其偏 时域显示模块建立二维模拟有限元仿真模型进行仿
转特性, 可以实现较大范围的声束扫查 [ 11-13 ] 。 真 [ 15-17 ] 。首先基于一种典型的阀杆结构建立仿真
利用相控阵超声对阀杆进行检测时, 首先通过 所需的二维模型, 在易腐蚀的阀杆上部区域( 距离端

超声换能器激发超声信号, 激发后产生的超声声束 部 180 mm 处) 以 及 螺 纹 小 径 部 分 ( 距 离 端 部
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2023年 第45卷 第12期
无损检测