采气树超声相控阵检测工艺优化与应用

时间：2024-09-03

汪晓磊，刘呈君，刘祥康，罗伟，周浪，汪传磊，王钰淞

(1中国石油西南油气田公司工程技术研究院 2四川多麦尔科技有限公司)

采气树是气井第二井屏障中的关键部件。井口长期受介质腐蚀和冲蚀的影响导致泄漏，极易造成人员伤亡、环境污染，给气井安全生产带来巨大的威胁。当前国内石油企业越来越重视采气树的腐蚀、冲蚀检测，国内大量学者针对采气树腐蚀冲蚀检测开展了大量的研究工作，实践表明超声相控阵检测技术对检测采气树内壁腐蚀、冲蚀具有显著的优势[1-4]。

超声相控阵检测技术在中国石油西南油气田公司各种类型的在役气井开展了大规模的应用。通过多相流采气井口装置冲蚀数值模拟分析[5]，选取采气树8个部位作为检测对象(如图1所示)。在近年来的现场检测过程中，主要面临以下问题及挑战：

图1 采气树装置检测部位选择图

(1)检测部位由于法兰盘和连接处螺栓的遮挡，造成相控阵探头检测的空间受限，操作人员作业难度大、风险高。采气树日常保养或防腐，会导致扫描区域的定位标记不易长期保存，无法保证每次检测部位为同一位置，导致检测结果存在误差。

(2)目前检测采用的硬质探头，耦合效果不好且易产生回波[6]，影响检测精度，作业效率低。

(3)HH级的采气树阀门有耐蚀合金内衬层，现用的检测参数和成像处理方法在多层材质检测方面精度不够，无法准确检测内衬层相关情况。

一、检测工艺优化

1. 探头优选

国内常采用小尺寸方块式硬质探头开展采气树超声相控阵检测。这种探头晶片集成在压电材料内部，探头带有外加固定螺钉，和曲率楔块配合使用。在现场检测中，使用硬质探头检测出现了如下的不适应性：

(1)不同规格的采气树，阀门脖颈的曲率不一样，需要配备大量不同曲率的楔块，增加作业成本。

(2)限于探头的尺寸，固定扫描面积小，完成一个部位的扫面，需要沿采气树脖颈轴向和周向多次运动扫描，扫描时间长，操作要求高。

(3)超声的声束在楔块本身内部会产生固定回波。例如20 mm高的楔块，就会在20 mm、40 mm、60 mm位置产生一个固定波，缺陷检测精度受影响。

(4)采气树的漆层表面凹凸不平，硬质探头易出现耦合不好，造成C扫图像丢失。

柔性探头是将晶片集成在柔性材料上，可直接紧密的贴合在被检测部位上进行检测，不需要配备楔块。

通过对晶片各参数研究发现，晶片中心距决定了检测精度，激活孔径决定了检测覆盖效率，晶片长度决定了耦合效果。结合西南油气田公司各类采气树型号，优选出了晶片参数的最佳组合(如表1所示)，制作出了适应不同采气树阀门脖颈的128阵元柔性探头。

表1 探头参数对比表

2. 自动化定位检测工装

为了持续跟踪采气树内壁冲蚀腐蚀状况，需要按周期对采气树进行复检。为了检测数据可追溯性，需要确保每次检测部位完全保持一致，且尽量减少每次检测的累积操作误差。为此，结合采气树几何特征，设计了一种装有周向链式结构、周向编码器、检测结构、轴向编码组件的专用自动化定位检测工装(如图2所示)，实现检测精准定位和匀速检测：

图2 自动化定位检测工装

(1)自动化定位检测工装的检测结构中安装有优选出的柔性探头。

(2)工装的安装定位是至为重要的。安装时，必须将轴向编码组件的垂直中心线与待检阀门最顶部螺栓中心线对齐。

(3)检测结构垂直于外表面的高度是可调的。检测结构通过轴向编码组件给出指令，从右至左(或从上至下)以40 mm/s的速度移动，对脖颈该区域处进行轴向检测；该区域轴向检测完成后，检测结构在周向编码器和周向链式结构的作用下，顺时针转动67 mm，再从左至右(或从下至上)以40 mm/s的速度移动，对脖颈处该区域进行轴向检测；直至整个脖颈完成全方位检测。

3. 优化检测参数及成像处理方法

四川地区气井多为“三高”气井[7],采气树材质通常为HH级，阀门内部有3～3.5 mm厚度的耐蚀合金内衬层，对阀门抗硫起着至关重要的作用，需要精确的识别耐蚀合金内衬层并检测完好性。但目前现用的检测参数和成像处理方法在多层材质检测方面精度不够。

3.1 检测参数优化

通过超声相控阵检测理论和反复试验，发现优化聚焦深度和一次性激发晶片数量，是提高检测精度并准确识别耐蚀合金内衬层的关键因素。

(1)聚焦深度。聚焦深度的不同，决定着声束是否集中覆盖在检测耐蚀合金内衬层。由于井口采气树基材和耐蚀合金内衬层声速差异，在耐蚀合金内衬层声束会发生偏转。考虑到如上因素，以采气树基材声速C1(5 918 m/s)和耐蚀合金内衬层声速C2(5 800 m/s)作为输入范围，在标准试块上测试，测量出的壁厚与试件标准壁厚误差最小时对应的声速为5 890 m/s。

根据柔性探头参数，考虑西南油气田公司采气树阀门脖颈壁厚在25～35 mm，以不偏转和深度精度更准确作为依据，测试采用声速为5 890 m/s时25～35 mm之间的成像效果，查看仪器上DA(深度)和PA(前沿步进)值，最终把聚焦深度设在30 mm的效果最好。

(2)一次性激发晶片数量。带有长方形晶片的线性相控阵探头，所发出的声束会在电子偏转主动方向上聚焦，而在被动方向上不会聚焦。晶片数量的增加，会增强聚焦锐利度，但对于非焦点位置的能量则变得很弱，容易导致漏检或被检测出的缺陷精度降低，为了更好的保证检测准确性，比较了一次性激发1、2、4、8、16个晶片，根据试件的腐蚀缺陷检测结果，把一次性激发晶片设为4。实验结果如表2。

表2 不同激发晶片数量下缺陷检测结果

经过反复试验，最终形成采气树检测参数如表3。

表3 参数设置

3.2 成像处理方法优化

(1)TCG曲线。相控阵检测需要使用C扫描作为缺陷识别图像，而在C扫描里面，图像的颜色以波高作为显示标尺，颜色越深，代表波高越高，即越有可能是疑似的缺陷信号。DAC曲线不对波高进行深度补偿，缺陷在较深的地方出现，在C扫描视图中该缺陷也会显示为浅色，这样就容易将缺陷与底噪混淆在一起。

采用TCG代替DAC。TCG是选取几个不同深度的相同当量反射体，找到最高波，并将这些不同深度的最高波，统一通过增加增益的方式达到80%波高，因而TCG改变了原始的波高幅值，将不同深度的反射体波高全部提升并达到80%。

(2)希尔伯特算法。现用的绝对值算法对底面信息成像模糊，不能清晰判断基材层和耐蚀合金内衬层，故采用希尔伯特算法代替处理。希尔伯特通过对双极信号取包络的形式更加符合真实的图像信息，既避免了对信号直接成像出现的中空现象，也避免了绝对值算法出现的图像分裂现象，成像结果更加清晰，更便于人员对图谱进行分析。

二、工艺优化验证

选取一只HH级采气树阀门，运用优化后的自动化定位检测工装+柔性探头组合以及优化后的参数、成像处理方法对该阀门脖颈进行检测、验证。

1. 耐蚀合金内衬层检测

如图3上部所示，A扫描模式下，横坐标为显示深度位置和纵坐标为显示波幅。由于声束在不同材料边界处会发生反射，检测显示出现了两层底波，第一层底波底界为基材层底部，第二层底波底界为耐蚀合金内衬层。通过软件处理，测量的第一层底波对应的最小厚度(M1)和平均厚度(P1)，计算第二层的最小厚度(M2)和平均厚度(P2)，求得的值分别相减(M2-M1，P2-P1)。计算出内衬层厚度为2.9～3.2 mm。

2. 缺陷检测

如图3下部所示，C扫图模式下，横坐标定义为沿阀门脖颈轴向移动扫查长度和纵坐标定义为脖颈周向上扫描覆盖范围。

图3 阀门扫描显示

图3(a)中，C扫图出现圆点有一定面积，其走向规则；第一层底波深度位置靠前，第二层底波幅值明显增大。根据超声波的特性，在两层金属材质交界面存在点状气孔类缺陷，超声回波会增强。软件测得缺陷直径为0.62～1.22 mm。

图3(b)中，深度位置更靠近底面，波幅出现起伏和断裂，下降到60%，C扫图出现明显的横杠走向，纵坐标的覆盖呈现宽度狭窄，分析为划槽，软件测其宽度为0.94 mm。

图4 阀门剖开验证

为确保检测数据准确性，对该阀门进行了二次检测，检测结果与第一次一致。为验证检测结果准确性，将该阀门沿轴向对半剖开，观察并测量阀门内壁(见图4)。选取两处内壁上的耐蚀合金内衬层，用游标卡尺测量，耐蚀合金内衬层厚度分别为3.01 mm和3.20 mm；在两层金属材质交界附近存在点状缺陷，测量缺陷尺寸为直径0.58～1.26 mm；耐蚀合金内衬层存在一条划槽，划槽宽度0.98 mm。

精确的定位，配备优化的参数设置和成像处理，使超声相控阵设备检测、分析结果与测量结果相吻合，误差仅为3.2%～6.9%。

三、现场应用

西南油气田公司部分区块的所有在役采气树每年都会检测，根据检测结果建立采气树腐蚀冲蚀数据库，了解采气树受腐蚀冲蚀影响规律，为采气树服役能力评估提供数据支撑。运用优化后的检测工艺开展了多口气井复检工作，在提高检测精度、提升工作效率的同时，还降低了操作难度和作业风险。以A井HH级采气树为例,检测结果见表4。

表4 A井现场检测