钻铤缺陷超声自动检测系统的设计

　　0　引言

　　钻铤是组成钻柱下部结构的主要部件,其管壁厚且钢性大,主要起到给钻头施加钻压和预防井斜的作用,其质量的好坏对石油钻井的成败有着重要影响。由于钻铤的加工制作工艺的局限性,内部可能会出现裂纹、夹杂、未熔合、疏松、折叠、分层、气孔及过烧等缺陷从而形成安全隐患,导致在油田钻井过程中经常发生钻铤断裂事故,尤其在地质构造复杂的地区,常遇到地层较硬的砂砾岩或火成岩,加之使用大尺寸钻头,因此钻井过程中跳钻严重,钻具损坏频繁,缩短了使用寿命,严重影响了钻井施工进度,给井下安全带来了极大威胁,增加了钻井成本,造成极大的经济损失[1]。因此,为了保证钻铤的生产质量、使用寿命以及满足目前大规模生产的需要,设计了一套自动化超声在线检测系统,对钻铤内部的质量进行评价,整套系统框图如图1所示。

　　此套超声检测系统由超声探头、硬件电路、数据采集卡和综合判伤分析软件4部分组成。系统启动以后,由综合判伤软件向硬件电路发出信号,控制电机带动钻铤进行螺旋式运动并控制发射电路发射超声脉冲信号,缺陷信号经信号调理电路进入数据采集卡传入主机,主机的综合判伤软件进行分析处理。检测完成后,显示检测结果。

　　1　设计方案

　　此套超声检测系统中用到的超声检测结构(探头盒)如图2所示。

　　它是由3个超声探头所构成,探头A采用的是频率为2·5MHz、焦距为150mm、直径为16mm的线聚焦探头;探头B采用的是频率为2·5MHz、焦距为80mm、直径为18mm的线聚焦探头;探头C采用的是频率为5MHz、焦距为40mm、直径为18mm的线聚焦探头。探头A、探头B与探头盒的上表面垂直,探头C与探头盒的上表面夹角为15°。探头A用的是纵波垂直探伤,主要检测与管轴平行的周向缺陷;探头B用的是横波、纵波周向探伤,主要检测与管轴平行的径向缺陷;探头C用的是横波轴向探伤,主要检测与管轴垂直的径向缺陷, 3个探头相互配合来完成检测任务。整个探头盒经机械装置固定并骑到钻铤表面,检测时首先要把水管接入进水孔,通过水箱向探头盒注水,等到溢水孔不断向外流出水时,表示探头盒已经充满水,这时就可以进行超声检测。

　　纵波垂直探伤原理:当缺陷较小时,缺陷波与底波同时出现,这时可根据缺陷波的高度来评价缺陷的当量大小。当缺陷较大时,底波将会消失,这时可采用半波高度法来测量缺陷的面积大小。

　横波、纵波周向探伤原理:此方法的关键是计算探头的偏心距。一般对管材进行超声检测时在此处都会采用纯横波周向探伤[2-3],但是这种方法对于我们要检测的钻铤是不合适的,此种方法可探测的厚度受到一定的限制,当t/d >0·226时,横波将扫不到管子内壁缺陷,可能引起漏检。而当前被检测工件(钻铤)的壁厚外径比远大于这个值,所以这里不能采用纯横波周向探伤的方法。经过对不同型号钻铤做大量的超声检测实验,可采用横波、纵波周向探伤法:即让横波切内壁,纵波扫外壁,探头B的偏心距就是按此原理计算出来的,如图3所示