腐蚀钻杆的超声相控阵检测研究

魏同锋

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

腐蚀钻杆的超声相控阵检测研究

魏同锋

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

钻杆是钻井平台的重要组成部分。为了对有缺陷的钻杆进行合理利用，提高其生产安全并降低成本，有必要对钻杆的人工缺陷和自然缺陷进行超声相控阵检测并分析比较。试验结果表明，使用SUPOR-32P超声成像检测仪和配有弧形楔块的128阵元相控阵探头，进行A+B+[C]成像，并结合实际自然缺陷样管检测，能够满足钻杆的腐蚀检测需求。

钻杆；腐蚀；相控阵

钻杆是钻井平台的重要组成部分，其在工作过程中受拉力和压力作用的同时，还受到钻井液的腐蚀，容易在内壁产生腐蚀，从而降低极限承载能力。钻杆在使用前，有必要对其腐蚀情况进行有效评定，对有缺陷的钻杆进行合理利用，提高钻杆的生产安全，降低成本。本文通过对钻杆对比试块的人工缺陷和实际钻杆的自然缺陷进行超声相控阵检测研究，验证了超声相控阵检测技术对腐蚀钻杆检测的可行性和有效性。

1 试验内容

1.1 试验材料

为了验证检测效果的有效性使用了两种不同的样管进行测试。1号样管用于设置人工缺陷，验证缺陷的检测能力和检测效果；2号样管用于验证真实缺陷检测效果。

1号样管外壁比较光滑，内部不光滑，稍粗糙。为验证缺陷检测效果，在管内部加厚处加工了直径为5 mm的6个不同深度的平底孔人工缺陷，用于验证系统的灵敏度和分辨力。实物如图1所示，缺陷从右至左编为1～6号。其实际尺寸参数如表1所示。

表1 1号样管人工缺陷尺寸参数

2号样管外壁光滑，内部有自然腐蚀缺陷，用于验证系统对于自然缺陷的识别能力，如图2所示。管子的测量尺寸参数如表2所示。

图2 2号样管外观图

表2 2号样管测量尺寸参数

1.2 试验方法和设备

对钻杆的内壁进行腐蚀检测，使用SUPOR-32P超声成像检测仪和配有弧形楔块的128阵元相控阵探头，结合专用的腐蚀检测软件包、链式管道二维扫查架和自动耦合装置，采用A+B+ [C]成像方式。 [C]表示深度C扫描，它是将工件的不同厚度值以不同的颜色表示，这样在检测时可以直观的通过颜色差别初步筛选出厚度超标的部位，然后再使用测量光标对缺陷进行精确测量。探头和楔块由带有编码器的扫查架带动，绕检测工件转动一周完成一次检测，检测过程中采用水耦合，耦合剂由自动注水套件提供，系统如图3所示。绕工件旋转一周检测完成后，探头沿工件轴向移动一定距离，再次绕工件旋转一周完成第二次检测，如此重复，完成整个工件的检测过程。

图3 相控阵检测系统

2 试验结果

2.1 1号样管人工缺陷检测结果

2.1.1 缺陷检测图谱

φ5 mm人工缺陷检测结果如图4、图5所示。其中图4为缺陷1～5号的检测结果，图5为缺陷2～6号的检测结果。在检测中，将工件厚度10～20 mm以0.5 mm为步进，分为20种颜色。当缺陷深度大于19.5 mm时，以红色表示；当缺陷深度小于10 mm则全部以白色表示。从图4和图5显示的缺陷颜色观察，可以初步判断6个φ5 mm的缺陷都能够被检测出来。

图4 φ5 mm人工缺陷1～5号检测图

图5 φ5 mm人工缺陷2～6号检测图

2.1.2 缺陷测量结果

由于样管仅有真实管的1/3左右，无法使用扫查架的编码器扫描，只能使用手动时基扫描，因此只能测量缺陷的深度值而无法测量缺陷的几何尺寸，6个φ5 mm缺陷深度测量结果如表3所示。

表3 φ5 mm缺陷深度检测结果

2.1.3 结果分析

从测量结果看，1号样管超声测量自身厚度，即缺陷周边工件厚度的测量值比表1的实际测量值大2 mm左右。造成这种偏差的原因是其表面比较粗糙，造成延时校准的精度不高。

机械加工人工孔使用数字游标卡尺测量值与使用超声测量值存在一定偏差，缺陷1和缺陷4的孔深偏差较大。超声测量时是寻找缺陷的最高波，并以最高波为测量点，而机械数字游标卡尺测量时，由于工件内表面不光滑且有比较大的曲率，测量值难以准确。

从图4和图5可以看出缺陷几何尺寸不规则，机械加工的是圆形平底孔，但图中表现出的并不是规则圆形，只能说是比较接近圆形。之所以出现这种情况，一是由于使用的是手动时基扫描，探头移动靠人手移动，移动速度难以均匀会造成缺陷几何尺寸失真，这一点在其他检测对象应用时基扫描中已经得到验证，通过使用高精度编码器扫描，这个问题可以解决；二是由于超声波打到平底孔缺陷的端角时，超声的反射路径不是垂直的，会造成缺陷的几何尺寸出现与实际的偏差，这个原因难以得到解决，但就面积型腐蚀缺陷检测来讲，这个差别是可以接受的。

2.2 2号样管自然缺陷检测结果

2.2.1 缺陷检测图谱

2号样管检测的是一段厚度连续变化的区域，因此检测结果的颜色比较丰富，且能够看出其一个厚度变化趋势。自然缺陷检测结果如图6所示。在检测中，实物测量显示自然缺陷是约为70 mm×40 mm的一片区域。图6中的红色圆圈显示了一个片状的缺陷，对应图 2的自然缺陷。箭头1处主要是深灰色区域，出现了白色和浅灰色即表示工件厚度生了变化，B型图中“厚度异常”处就是指的这个变化。箭头2处的白色表示较浅腐蚀的缺陷区域，因为这个部分的工件厚度相对箭头1处是比较薄的。

图6 自然缺陷检测结果

2.2.2 缺陷测量结果

对箭头1处的缺陷进行了测量，此处工件厚度为10.52 mm，周围工件厚度为11.69 mm，即缺陷厚度为1.17 mm。与表2中测量值1.4 mm有一定偏差。箭头2处的工件厚度波动在0.5 mm以内。

2.2.3 结果分析

实际工件自然缺陷的检测，由于腐蚀缺陷深度变化有连续性，因此检测结果的图谱较人工缺陷分析比较困难，但面积型缺陷分析相对容易，因此对于孔状缺陷需要仔细分析，否则容易漏检。

3 结论

使用SUPOR-32P超声成像检测仪和配有弧形楔块的128阵元相控阵探头，配合深度C扫描可以满足钻杆的腐蚀检测需求，可以检测出孔径5 mm、孔深0.5 mm的人工缺陷孔，且检测结果比较直观并易于判断，测量方法也比较简单。试验证明超声相控阵技术对钻杆内壁腐蚀具有足够的检测灵敏度。结合实际自然缺陷样管的检测效果可以看出由于自然样管内部加厚区域是一个过渡区域，对于检测结果的分析仍需要十分仔细，否则容易漏检。使用自动注水设备可以实现水耦合的持续均匀供给，配合扫查架检测可以实现缺陷几何尺寸的测量。

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[3]莫润阳,王公正.钻杆内壁腐蚀缺陷超声检测系统[J].无损探伤,2001(5):23-24.

[4]郭伟灿,钱盛杰,凌张伟.换热器管板角焊缝相控阵自动超声检测技术研究[J].压力容器,2015(8):69-74.

［责任编辑：刘 月］

Research on Ultrasonic Phased Array Inspection of Corrosion Drill Pipe

WEI Tongfeng
(Bohai Shipbuilding Vocational College,Xingcheng 125105,China)

Drill pipe is an important part of the drilling platform.In order to rationally utilize the defective drill pipe,improve its production safety and reduce its cost,the researcher makes ultrasonic phased array inspection,analysis and comparison of drill pipe's artificial defects and natural defects.The experiment results show,it can meet the drill pipe's corrosion inspection requirements to use SUPOR-32P ultrasonic imaging detector,128 element phased array probe equipped with arc wedge,and A+B+[C]imaging mode,combining with the actual inspection effects of the sample pipe's natural defect.

drill pipe;corrosion;phased array

TB553

A

2095-5928（2016）01-33-04

10.16850/j.cnki.21-1590/g4.2016.01.010

2015-09-15

魏同锋（1982-），男，山东临沂人，讲师，硕士，研究方向：焊接及焊接质量检测技术。