钻杆加厚过渡带超声波检测技术探讨

【摘要】随着定向井、水平井的不断增多在钻井生产现场发生的钻杆加厚过渡带刺穿事故频发，对钻杆加厚过渡带进行无损检测是避免钻井生产中加厚过渡带部位刺漏事故最有效手段。重点介绍了超声波检测方法，并分析其特点和存在的缺陷。

【关键词】检测技术 超声波 钻杆加厚过渡带

原油开采过程中，石油钻杆作为钻柱的重要组成部分，是石油工业不可或缺的钻井工具，无论是其接头、管体还是过渡带部分性能的好坏都将直接影响到整个钻井工程的安全。钻杆经过一段时间的使用后，都会出现不同程度的磨损、腐蚀，明显的可能出现刺漏、肉眼可见腐蚀坑等，另外因拉、压、挤、弯曲变形等产生的疲劳裂纹以及管壁不同程度的壁厚损失等造成管体出现各种不可见性破坏，如果继续使用可能造成钻具断裂事故。而且近年来，随着钻井新技术、新工艺的发展，定向井、水平井逐步增加，定向井、水平井已经占到钻井口井数的70%以上，钻杆在钻井过程中承受复杂的复合应力作用，因此，钻杆损坏的速度和程度也逐渐加快，钻井生产现场发生多起因钻杆疲劳造成的钻杆加厚过渡带附近刺穿质量事故，给钻井生产带来很大经济损失。通过超声波检测技术可实现对钻杆加厚过渡带加厚部位无损探伤，最大程度避免钻井生产中因钻杆加厚过渡带部位刺漏而造成的经济损失，同时相对人工探伤可大大提高钻杆加厚过渡带检测探伤工作效率。

一、超声波检测基本原理

超声波在被检材料中传播时，材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播将会产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况进行探测来了解材料性能和结构变化的技术被称为超声检测技术（UNDT，全称为Ultrasonic Non-Destructive Testing）。超声检测技术是一种重要的无损检测技术，由于它的穿透能力强，对材料和人体无损害，使用方便等特点，广泛地应用于现代工业领域和高技术产业之中，诸如材料工业、机械工业、石油化工、水文地质和宇航、能源等领域。

超声检测技术依据工作原理可以分为共振法、透射法和脉冲反射法。共振法常用于壁厚的测量;透射法需要使用一对探头，一个发射，一个接收。检测时两探头位置要求较高，而且无法对缺陷进行定位;脉冲反射法只需要一个探头进行自发自收，可以判断缺陷的大小、距离。脉冲反射法依据探头与被检工件的位置关系又可以分为直接接触法和水浸法。由于直接接触法检测情况需要探头楔块做良好的声耦合，还取决于被检工件表面的平行度、平整度和粗糙度，而且这种方法不能实现连续作业多用于操作人员手工探伤。相比之下，水浸法不需要探头与被检工件直接接触，克服了直接接触法的上述缺点，降低了成本，并易于实现自动化探伤，从而应用前景更好。

超声水浸法检测的原理是由超声换能器发射出来的超声波通过水介质（工件放在水中），入射到被检工件（钢管）上并在工件内传播，经过内壁或工件内不连续处反射，反射回来的信号经采集卡接收。当工件中无缺陷时，不产生超声回波信号;当有缺陷时，显示屏上将有缺陷回波显示，根据缺陷回波幅度的高低可判别缺陷当量的大小，最终依据探伤标准对缺陷做出评判。

二、超声检测系统技术特点

数字化钻杆超声波检测系统是基于超声波检测原理而发展起来的新产品。在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不一致。将具有较强穿透能力的超声波导入钢管中，在遇到前后声阻抗不一致的交界面时，一部分声波会被反射回来，产生回波，系统可检测到这些回波，并进行放大处理，转换成数字信号，呈现在屏幕上，反射回来的能量大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。其原理如图1所示。检测系统配套的分析软件可以接入传感器及编码器信号自动采集，从而对缺陷进行定性定量、以及波形显示、打印、声光报警等。

图1 钻杆超声波检测原理图

三、EMT-PU管端超声检测系统特点与应用

（一）特点

克服一般自动化检测方法对钢管加厚端部难以检测的问题。采用常规水浸式超声检测技术，实现横向裂纹、孔洞、壁厚减薄的综合检测，探伤灵敏，运行可靠。

超声波探头提离钢管表面一段距离，不易磨损，大大延长了探头的使用寿命。

超声波探头相对钢管螺旋前进，实现了自动检测。与手持式超声波探伤相比，解放了人手，同时也提高了检测效率。

不受被测管规格改变的影响。此系统可检测：Ф60～Ф140mm的无缝钢管，缺陷位置分辨精度：<20mm;横向裂纹检测灵敏度：深度为壁厚的5%的内、外刻伤、长度25mm，宽度0.25-1mm;孔洞检测灵敏度：？1.6mm通孔;内外表面覆盖率：100%。

（二）应用

要对被检钻杆两端同时检测，采取钻杆原地旋转，探头移动的方式。由于不同规格钻杆中心高不一样，所以探头组合还要能够整体上下升降。为简化结构，采用传统的方式控制探头升降和移动。通过直流电机带动螺杆旋转，从而驱动探头架往返移动。探头固定在升降板上，调节螺钉可以改变其高度，从而确保水层高度不变。系统对过渡带人工缺陷和实际缺陷能够产生非常清晰的信号，并能通过记录软件进行保存。

四、超声波检测的发展方向预测

根据近年来的发展趋势和工业生产实际的需求，今后的过渡带超声波检测将朝着数字化、自动化、智能化的方向发展，各种自动扫描、自动定位与跟踪检测的系统将会得到深入的研究。另外，由于受超声波波长的限制，对薄壁管的检测精度较低，只适合厚壁管，同时对管体的介质要求较高。当缺陷不规则时，将出现多次反射回波，或检测工件（如过渡带的形状）不规制时会出现影响信号强度和反射回波显示位置，从而对信号的识别和缺陷的定位提出了较高要求。当前超声波检测的发展方向主要为提高对细小缺陷的检测精度和提高对伪信号的识别能力，这对现场生产尤为重要。

参考文献：

[1]常少文.智能化多通道钢管超声波自动探伤系统的开发与应用[J].计算机测量与控制，2002，10（6）.