基于有限元建模的復雜部位的相控陣柔性探頭研究

陳立江，王宏，周建平，傅登偉，蔡慶生，尹璐

（1.新疆油田公司實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2.多浦樂電子科技股份有限公司，廣東 廣州 510000）

在油氣田的開發過程中，會大量應用井口裝置主要零部件，如SAGD注汽六通兩翼反液出口、高壓天然氣井井口異徑接頭、承壓本體、彎頭、閥門等。此類裝置中有諸多曲面構件，一旦應用于存在質量問題的井口裝置，可能會造成嚴重的事故。因此，需要對其進行無損檢測方法的研究，完善檢測工藝，從而有效判斷井口裝置的質量。

超聲波測量具有非介入、設備簡單和精度高的優點，在工業上廣泛應用于缺陷檢測。由于井口裝置結構復雜，存在圓角曲面結構，采用常規的線性相控陣超聲探頭無法滿足檢測需求，需要采用柔性相控陣檢測技術進行檢測。

1 相控陣仿真分析

仿真時，選定的超聲頻率為7.5MHz，焦距設置為10mm，建立有限元超聲仿真模型，根據柔性相控陣動態聚焦方法，需要對各個晶元施加延時，達到精準控制聲束的偏轉和聚焦目的，其延時計算公式如下：

根據相控陣超聲的原理，仿真時，依次施加在壓電陶瓷的激勵信號是由高斯窗函數對正選信號調制而來的，其數學模型如下：

式2中，A為激勵脈沖峰值，σ為脈沖標準差，f為激勵信號中心頻率，各個晶元施加激勵信號的波形如圖1所示。

圖1 激勵信號

本文研究井口裝置小四通，工件外表面均為曲面結構，主要的研究目標為2個管道交接處凹面的檢測方法。工件的凹面為被檢測面，凸面為底面，在有限元模型內設置1個直徑為2mm的圓孔作為檢測缺陷，其中缺陷距離管道內壁底面的長度記為H，分別構建了H=2mm、H=7mm和H=12mm 3個不同深度的有限元仿真模型。

聲波在不同的內部結構下會產生不同的傳播路徑，對于缺陷深度不一的仿真，截取聲束在經過缺陷后產生回波回傳的云圖，如圖2所示的有限元仿真聲波云圖?？梢郧逦挠^察出聲束在接觸到缺陷時有部分發生了反射，產生的回波按照聲波發射的路徑回傳到相控陣柔性探頭里，還有一部分聲波按照正常軌跡繼續往更深處的底面傳播，直至接觸底面。

圖2 有限元仿真聲波云圖

相控陣超聲設備1次激勵8個晶元進行一次發波，在被檢測面的凹面設置了8個晶元，8個壓電陶瓷按相控陣動態聚焦設定的延時依次發波。在有限元仿真的過程中，各個晶元都作為超聲波信號的發射器和接收器，各個陣元接收到空腔回波信號，聲壓為各陣元輻射聲壓之和，進行矢量疊加，得到空腔回波的聲壓，如式3所示。

將各個晶元接收到的回波信號疊加后，得到缺陷回波信號的波形，H=2mm、H=7mm和H=12mm的仿真波形如圖3所示，在0.5～1.2us時段的波形為施加的激勵信號，在設定不同H下，三者的波形重合，確保了激勵信號的一致。聲束在經過不同內部結構時，會產生不同的反射情況最終會反映到回波信號上。根據接收超聲波回波的特征，可評估試樣內部存在缺陷的位置和大小。因為H=12mm的模型缺陷最靠近工件的被檢測面，在s=3.4us時，最先接收到了缺陷的回波信號，且回波的幅值最大；在s=5us時，H=7mm的模型也接收到了缺陷的回波信號；H=2mm的模型，在s=6.7us時，接收到缺陷的回波信號，且回波的幅值是最小的。最后3個不同模型的回波在s=7.7us時重合，此刻產生的回波是井口裝置試樣底面的回波信號，雖接收到的幅值不一致，但是時間位是相同的?？梢缘贸鼋Y論，在施加激勵信號相同的情況下，預置缺陷的不同深度情況會反映在回波信號的時間位上，隨著深度的增加，產生回波信號的時間也隨之增加，近乎呈正比關系。

圖3 不同H的仿真波形

仿真時設置的缺陷間隔5mm，根據脈沖反射法，如式4所示：

式4，??為時間差，c為聲速5980m/s，h為深度5mm。通過公式可以計算出設定缺陷間隔h=5mm時，2個缺陷存在?? =1.6us的時間差，忽略仿真結果存在的誤差，可以認為仿真結果與理論計算結果一致，證明了有限元仿真的正確性和采用柔性相控陣檢測技術的方法在凹面處檢測井口裝置的可行性。

2 超相控陣檢測

設置井口裝置關鍵零部件預置缺陷，將工件切割分離，從試樣的管道內部往下鉆直徑為2mm的平底孔，鉆孔深度分別為2mm、7mm和12mm，井口裝置預置缺陷實物圖，如圖4所示。

圖4 井口裝置預置缺陷圖

相控陣柔性探頭需要緊貼在試樣的凹面進行檢測，相控陣柔性探頭可以根據被檢測物體表面的曲率進行變化，配合耦合劑的使用，可以很好的解決井口裝置表面粗糙和曲率不匹配的問題。如圖5所示，為不同缺陷相控陣超聲圖譜，每個超聲圖譜的頂端都有一段不規則的紅色斑點，此處的檢測結果受表面粗糙度的影響，不涉及工件內部結構，此部分不影響結果。在工件內部產生雜波的影響較小，在超聲圖譜結果中顏色最深的區域是試樣的底面，這3個檢測結果底面的深度是相同的，而工件中預置的3個不同深度的缺陷都在圖5中用紅色圓圈標記，且在檢測出缺陷后，能夠檢測出井口裝置的底面。因此，采用相控陣柔性探頭進行檢測，能夠直觀地顯示缺陷的位置和分布，滿足井口裝置的檢測需求。

圖5 不同缺陷相控陣超聲圖譜

相控陣超聲圖譜的結果能夠與有限元仿真的結果相對應，將計算機模擬晶元在不同時刻接收到的數據結果繪制成數據面圖，如圖6所示，圓圈位置出現的波紋，是根據晶元接收到預置缺陷的回波信號繪制的，有限元仿真的不同缺陷深度結果能夠與預置缺陷的深度不同相對應，與實際的檢測結果相吻合。

圖6 有限元仿真數據面圖

使用柔性相控陣探頭對預置好缺陷的井口裝置進行缺陷的檢測及采集，在耦合良好的情況下，對缺陷的發現能力比較直觀，便于檢測人員判斷缺陷，提高檢測結果的準確性。

通過對有限元仿真的結果和相控陣超聲檢測結果進行對比，經過分析比較，仿真結果與檢測結果能夠一一對應，在對井口裝置的曲面進行缺陷檢測時，能夠準確地對缺陷進行定位，說明使用相控陣超聲技術進行檢測可行。

3 結語

通過對試樣預置缺陷進行相控陣超聲檢測實驗，結合計算機模擬分析，驗證相控陣柔性探頭在檢測的閥體、彎頭等復雜部位的可行性，形成一套完整的井口裝置柔性相控陣檢測方法，推進在用井口裝置檢測評價工作的順利開展，進一步保證油田的安全生產。曲面結構在諸多部件上都存在，廣泛運用在各個領域，本文研究了相控陣柔性探頭檢測井口裝置復雜部位內部缺陷檢測的難題，同時滿足了其他部件的曲面結構檢測需求，可推廣運用到諸多領域。