稠油熱采井口裝置腐蝕缺陷的電磁超聲檢測

王 宏，李素軍，東 方，孫 明，尼加體·賽買提

(1.中石油新疆油田公司實驗檢測研究院，克拉瑪依 834000；2.中國特種設備檢測研究院 無損檢測與評價國家市場監管重點實驗室，北京 100029)

蒸汽輔助重力泄油(SAGD)技術是一種開采超稠油的熱采技術,目前已經成為國內外稠油熱采的一種重要手段。采用蒸汽輔助重力泄油的井口是新疆油田重要的稠油熱采裝置，但其長期處于高溫、原油含砂等惡劣工況下，易受沖蝕、熱應力等的影響出現沖蝕減薄，進而造成蒸汽泄漏、原油泄漏、設備失效等嚴重事故[1-3]。

通常采用測厚法來評估壁厚減薄程度，但SAGD井口裝置的實際服役溫度為280 ℃，常規超聲測厚儀無法有效實施檢測，即使配合高溫耦合劑，也無法取得良好效果。除此以外，由于稠油熱采井口裝置大部分為鑄件，且通過螺栓連接，檢測中存在兩個難以避免的問題，一是鑄件晶粒較大且存在一定的組織分布不均，各區域材料特性可能不一致，導致超聲能量衰減較大且聲速不一致，造成檢測困難及缺陷定位偏差；二是檢測空間狹小，有效實施作業空間嚴重受限，現有的傳感器及檢測裝置無法使用。目前借助于電磁超聲設備基本能夠實現高溫環境下的在線壁厚測量，但受限于國外設備配套傳感器的尺寸，諸如四通、六通肩部(相貫線區域)等很多重點部位的檢測尚未實現[4]，給井口裝置的安全服役造成了重大隱患。

針對SAGD井口裝置的復雜結構和復雜工況，筆者通過有限元仿真研究了專門的電磁超聲檢測工藝，并通過試驗驗證其可行性，為解決井口裝置腐蝕在線檢測奠定了技術基礎，同時為檢測人員使用電磁超聲技術開展檢測提供了有益參考。

1 檢測對象

稠油熱采井口裝置包含的結構件有雙管六通、球閥、大小四通等，不同的組合構成了不同用途的井口裝置。抽油井的典型組成形式如圖1所示，包含熱采閥門4個、雙管六通1個、大四通1個及抽油管1根。井口裝置本體與支管過渡的肩部為井口裝置減薄重點區域(見圖2)，含雜質原油的沖蝕作用極易造成減薄，是泄漏事故發生的重要原因。再者，肩部兩側的壁厚是不同的，即肩部為不等厚結構這將導致肩部處的底面反射波與等壁厚結構的底面反射波存在較大差異，某些位置的回波可能較弱或消失。因此，該部位成為井口裝置的重點檢測區域及檢測難點區域。

圖1 抽油井的典型組成形式

圖2 井口裝置減薄重點區域示意

根據現場不同井口裝置的統計結果，選取量大且較為典型的一種井口裝置部件(大四通)作為研究對象。該大四通材料為ZG30CrMo，服役溫度為280 ℃，表面存在銹蝕、油污，且檢測空間狹小。

2 仿真建模及分析

根據大四通設計圖紙給出的尺寸，建立仿真模型，并根據檢測重點關注的區域，對模型進行簡化，簡化模型如圖3所示，簡化的仿真模型如圖4所示。模型中，大四通材料設置為結構鋼，線圈材料為銅。激勵源采用中心頻率為2 MHz的高斯窗調制的3個周期正弦信號。

圖3 大四通簡化模型

圖4 大四通簡化的仿真模型

對大四通工件進行解剖后發現實際尺寸與圖紙存在一定差別，內部的圓角過渡實際為直角結構(見圖5)。因此根據實際工件對仿真模型做出調整，修正后的仿真模型如圖6所示。

圖5 大四通解剖件實物

圖6 修正后的仿真模型

可以發現，修正后的模型存在一端角，如果此處端角反射較為明顯，則可通過端角反射波來判斷端角處的腐蝕情況。當端角受損后形成較強的反射面，由于傳播路徑變短，此時超聲波傳播時間相對于端角未受損時應有所減小。

將電磁超聲傳感器置于大四通肩部外壁圓弧中心線附近，再進行頻域求解得到檢測聲場分布(見圖7)。由圖7可以看出，聲源沿工件表面呈凹面狀分布，聲場覆蓋了大部分彎頭區域。

圖7 檢測聲場分布

時域求解得到檢測聲場的傳播過程，不同時刻的檢測聲場傳播云圖如圖8所示。金屬表面的感生渦流與施加的偏置磁場共同作用，直接在被檢工件表面形成波源，產生的超聲波在工件內部傳播，遇到邊界發生反射及波形轉換。仿真結果中同時存在縱波、橫波及表面波，但主要以橫波為主，其他形式的波能量占比相對較小。實際檢測中，因波形轉換產生的波占比更小[5]。

圖8 不同時刻的檢測聲場傳播云圖

觀察圖7，8可知，檢測聲場完全覆蓋端角區域，聲場傳播云圖顯示傳感器可接收到較強的端角反射波。在探頭正下方臨近被檢工件表面處設置一探針，提取質點振動信息，其結果如圖9所示。

圖9 探頭正下方的質點振動信息

仿真模型中，鑄鋼的密度為7 850 kg/m3，彈性模量為205×10-3Pa，泊松比為0.28，可以求出縱波波速為5 778 m/s，橫波波速為3 194 m/s。根據幾何關系可得出端角處的傳播路徑長度約為55.3 mm，進而可求得端角處一次橫波的傳播時間約為34.6 μs。如果考慮波形轉換，則一次縱波傳播的時間為19.1 μs，縱波轉橫波及橫波轉縱波的時間均為26.9 μs，仿真結果顯示的傳播時間與理論傳播時間一致。

改變電磁超聲傳感器位置(見圖10)，觀察不同位置的檢測信號。將傳感器置于圖10所示的位置P1(垂直偏轉62°)、位置P2(垂直偏轉45°)、位置P3(垂直偏轉30°)，電磁超聲仿真得到的檢測聲場分布與檢測信號分別如圖11，12，13所示。對比各位置的檢測信號，可以發現當傳感器產生的聲場接近于端角時，信號回波明顯增強，且當輻射聲場完全覆蓋端角時可得到明顯的端角反射信號，其余位置得到的信號均相對較弱。

圖10 三種不同的電磁超聲傳感器位置示意

圖11 位置P1處的電磁超聲仿真結果

圖12 位置P2處的電磁超聲仿真結果

圖13 位置P3處的電磁超聲仿真結果

當端角部位發生的大面積腐蝕時，由于端面反射強烈，形成底面回波信號也較為明顯，端角被大面積腐蝕時的聲場和檢測信號如圖14，15所示。

圖14 端角被大面積腐蝕時的聲場

圖15 端角被大面積腐蝕時的檢測信號

綜合以上仿真結果可以得出，根據端角反射信號的時間變化可以檢測出端角部位是否受損。

3 試驗驗證

基于上述仿真參數，設計加工了等同尺寸的電磁超聲傳感器，并且將大四通內壁的一個棱邊磨除以模擬腐蝕損傷(此處大四通尺寸與仿真模型略有差異，四通本體厚度為30.5 mm)，含模擬腐蝕損傷的大四通實物如圖16所示。分別對大四通不同位置進行了檢測，大四通本體30.5 mm厚度處的檢測信號如圖17所示，大四通支管25 mm厚度處的檢測信號如圖18所示，含損傷棱邊處的檢測信號如圖19所示，完好棱邊處的檢測信號如圖20所示。

圖16 含模擬腐蝕損傷的大四通實物

圖17 大四通本體處的檢測信號

圖18 大四通支管處的檢測信號

圖19 大四通含損傷棱邊處的檢測信號

圖20 大四通完好棱邊處的檢測信號

提取大四通本體，支管、腐蝕處的信號傳播時間，分別為19.5，14.3，22.1 μs。比較各位置得到的檢測信號后可以發現，當探頭處于腐蝕部位時，有明顯的回波信號，但當探頭處于完好處時，無法得到有效的回波信號；腐蝕部位的檢測信號傳播時間與本體、支管處的檢測信號傳播時間不同。

進一步提高激勵頻率至3.5 MHz，檢測信號質量有所改善，更利于傳播時間信息的讀取(見圖21)。得到一次回波時間為22.1 μs，取橫波波速3.2 mm/μs，計算求得被測點厚度為35.36 mm。

圖21 激勵頻率為3.5 MHz時的檢測信號

采用相控陣超聲方法(主機型號為Omniscan MX2，探頭型號為5L16A10，楔塊型號為SA10-N55S-SA)對模擬腐蝕區域進行檢測，當探頭置于支管上時測得腐蝕深度為15.14 mm，腐蝕區的相控陣超聲檢測結果如圖22所示。假設電磁超聲傳感器位于外壁圓弧中心線上，且垂直偏置角度為50°，則經過圖23所示的幾何關系可求解得到反射點位置相對于支管的埋深為14.3 mm，由此可見電磁超聲檢測結果與相控陣超聲檢測結果基本一致。

圖22 大四通腐蝕區的相控陣超聲檢測結果

圖23 被檢對象幾何關系示意

4 檢測應用

4.1 聲速標定

由于現場被檢工件處于高溫狀態，其實際聲速與常溫聲速不同，需專門進行標定。通?？稍趯嶒炇覘l件下測量出不同溫度下的聲速，形成溫度聲速曲線，現場應用時直接根據測得的溫度求出聲速即可。搭建的聲速測定裝置結構框圖如圖24所示。該裝置由上位機、電磁聲主機、加熱臺及電磁聲傳感器組成。

圖24 聲速測定裝置結構框圖

利用恒溫加熱臺將聲速標定試塊加熱到指定溫度，并加蓋保溫棉使試塊保溫一定時間(30 min)，然后提取試塊中的超聲回波信號，不同溫度下標定試塊中的超聲回波信號如圖25所示。

圖25 不同溫度下標定試塊中的超聲回波信號

求取信號包絡后，提取相鄰兩次回波的峰值時間差(此處為第一次和第二次的回波時間差)以獲取超聲波傳播時間。忽略因熱膨脹產生的厚度變化，則根據公式，可獲得該溫度下的聲速。依據此方法，計算不同溫度下的聲速(見表1)，并繪制溫度-聲速關系曲線(見圖26)。

圖26 溫度-聲速關系曲線

表1 不同溫度下的聲速

4.2 現場應用

為進一步驗證該檢測工藝的可靠性，筆者開展了現場試驗。檢測對象為新疆油田烏爾禾風城作業區內的典型注氣井，其主體結構與抽油井相同。對井口裝置相貫線部位進行檢測，不同位置的現場檢測結果如圖27所示，兩處壁厚檢測結果分別為39.5 mm和15 mm。

圖27 不同位置的現場檢測結果

此處大四通本體設計壁厚為35.5 mm，支管壁厚為25 mm；雙管六通本體設計壁厚為24 mm，左支管壁厚為19.95 mm，右支管壁厚為17.8 mm。以設計壁厚為參考，大四通對應的檢測結果具有明顯的回波且厚度值超過本體壁厚，初步判斷此處發生了腐蝕。雙管六通對應的檢測結果具有明顯回波且厚度值小于任一設計壁厚，初步判斷此處也發生了腐蝕，應做進一步檢測以確定腐蝕區域。

此外，由于現場工況復雜，工件表面存在大量銹蝕或污垢，可能造成探頭與工件本體表面的提離變大，進而導致檢測信號變弱甚至消失。為獲得有效的檢測信號，激勵頻率、接收增益等關鍵參數需根據工況做出適當調整，且探頭放置位置應盡量處于外壁圓弧的中心附近，保證形成有效的端角路徑。

5 結語

(1) 提出的電磁超聲檢測方法能夠有效發現稠油熱采井口裝置的腐蝕缺陷。

(2) 井口裝置主要為鑄件，質地分布極不均勻，不同部位的電磁超聲檢測信號幅值差異較大。

(3) 檢測位置對檢測結果的影響很大，實際檢測過程中需合理選擇檢測位置，保證獲得有效的回波信號。