無損檢測技術(shù)在深水井控裝備制造中的應(yīng)用

吳占偉，侯國慶，陳雪鶴，王紅杰，屈志明

（河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，任丘 062552）

深水井控裝備是保障深水鉆井作業(yè)安全最關(guān)鍵的設(shè)備［1］。美國石油學(xué)會規(guī)范API Spec 16A［2］及國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 20174［3］對井控裝備制造過程中無損檢測及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)提出了嚴(yán)格的要求。深水井控裝備由于長期在深海高壓運(yùn)行，并不斷受到海水的腐蝕，其材料的安全性能大大降低。其中防噴器部件的失效將給平臺工作人員的生命造成威脅并會對環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，故對防噴器的無損檢測就顯得極其重要了。筆者針對深水井控裝備的不同制造階段，采用多種無損檢測方法交替進(jìn)行檢測，保證零件的使用安全，最終使防噴器及其控制系統(tǒng)壓力測試合格，達(dá)到了設(shè)計(jì)使用要求。

1 無損檢測技術(shù)的應(yīng)用

1.1 射線檢測技術(shù)應(yīng)用

射線檢測適合于對接焊縫的檢驗(yàn)。深水井控裝備中所涉及的焊縫，壁厚一般不超過50 mm，如控制系統(tǒng)不銹鋼液壓管道焊縫和防噴器液壓缸的焊縫，采用X 射線進(jìn)行了檢測。射線檢測技術(shù)不僅能夠檢測筒體與封頭對接環(huán)焊縫或者是單管對接環(huán)焊縫，還能采用環(huán)縫內(nèi)透（中心法）曝光技術(shù)，檢測裂紋、未熔合等缺陷，提高了檢測效率，底片的相質(zhì)指數(shù)能夠得到提高。

圖1是在焊接工藝評定過程中，采用丹東市東方儀器廠的XXG－3005X 射線探傷機(jī)對液壓管路焊縫進(jìn)行射線探傷。在不同的焊接工藝下，對焊縫探傷結(jié)果進(jìn)行分析比較，確定了成熟可靠的焊接工藝。最終在整機(jī)液壓管路的射線探傷中，所有焊縫一次性通過檢測，檢測結(jié)果未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合等缺陷，保證了液壓管路工作的安全可靠。

圖1 液壓管路焊縫的射線檢測

1.2 超聲波檢測技術(shù)應(yīng)用

超聲波檢測適用于金屬零件一定深度范圍內(nèi)的體積性缺陷，但不易檢測表面較淺的缺陷。深水井控裝備的殼體、側(cè)門等零件屬于厚大鍛件，對于這種零件的檢測，由于材料本身晶粒較小，聲阻抗小，宜選用指向性好的探頭，最終選用探頭頻率為5MHz，晶片尺寸φ20mm。對大而厚的鑄件檢測，如環(huán)形防噴器的殼體、頂蓋、活塞等，由于材料的晶粒粗大，聲阻抗大，選用了穿透性好的探頭，其頻率為2.5MHz，晶片尺寸φ20mm。對于小而薄的工件，如閘板防噴器液缸，為了減小近場區(qū)對檢測的影響，選用了頻率為2.5MHz，晶片尺寸為φ10mm 的探頭。

超聲波表面波只在固體表面很淺的表層內(nèi)傳播。表面波的能量集中于距工件表面以下2個(gè)波長之內(nèi)，所以可以有效地檢查距工件表面兩倍波長深度范圍內(nèi)的缺陷，尤其對于檢測裂紋靈敏度極高。

對于深水井控裝備的密封面和配合面，在粗加工后和半精加工后，應(yīng)用了超聲表面波進(jìn)行檢測。使用了訂制的超聲表面波探頭和試塊。探頭頻率為2.5MHz和5 MHz兩種，晶片尺寸8mm×12mm，探頭前沿不大于3mm，靈敏度不小于40dB（前沿距棱邊20mm）。對于形狀較規(guī)則的零件如防噴器側(cè)門，其表面是機(jī)加工表面，表面粗糙度較好，超聲表面波可以很好地耦合，被檢表面采用分段步進(jìn)式的方式進(jìn)行檢測，并且進(jìn)行縱、橫兩個(gè)方向的掃查。

圖2是采用便攜式超聲波探傷儀對半精加工后的殼體進(jìn)行的探傷，檢測結(jié)果未發(fā)現(xiàn)裂紋、白點(diǎn)等缺陷。

1.3 磁粉檢測技術(shù)應(yīng)用

磁粉檢測適用于檢測鐵磁性材料表面和近表面缺陷，對于表面淺的劃傷、埋藏較深的孔洞和與工件表面夾角小于20°的分層和折疊難以發(fā)現(xiàn)。對于檢測精加工零件的表面缺陷，尤其是裂紋缺陷，檢測效果非常好。熒光磁粉相對于黑磁粉等檢測方式具有更高的檢測靈敏度，已得到了廣泛的應(yīng)用。

深水井控裝備的零件在半精加工后和精加工后均進(jìn)行了磁粉檢測。鎖緊活塞是防噴器長時(shí)間關(guān)井操作的重要零件。斜面上的任何微小的裂紋會在關(guān)井承載過程中延伸甚至斷裂。圖3是對鎖緊活塞進(jìn)行磁粉檢測，檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)有一件鎖緊活塞斜面由于鍛造原因有3處微小裂紋。最終重新投料加工了新的鎖緊活塞，防止了不合格零件進(jìn)入裝配工序。

圖2 防噴器殼體的超聲波檢測

圖3 防噴器鎖緊活塞的磁粉檢測

在閘板軸，液缸等零件的鍍鉻處理前，鍍鉻部位先進(jìn)行磁粉檢測，確保合格后再進(jìn)行鍍鉻處理，良好的待鍍表面也有利于鍍層質(zhì)量的提高。為了避免微小裂紋對密封的影響，殼體與側(cè)門密封面，殼體閘板腔密封面，閘板體均進(jìn)行了整體磁粉檢測。

1.4 滲透檢測技術(shù)應(yīng)用

深水井控裝備各密封面的密封質(zhì)量是至關(guān)重要的，任何細(xì)微的缺陷都不允許存在。在水下防噴器的側(cè)門密封槽、鋼圈槽和堆焊防腐蝕合金的閘板腔等部位的檢測中，應(yīng)用了滲透檢測方法。

在自然光線條件下，使用了DPT－8著色滲透探傷劑，這是一種已經(jīng)成熟應(yīng)用的產(chǎn)品。DPT－8相對于DPT－5 型滲透劑，顯示結(jié)果更加清晰且保持性好。在不便于觀察和一些磁粉檢測無法檢測到的復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位，如水下防噴器殼體側(cè)法蘭內(nèi)孔這樣的細(xì)長孔結(jié)構(gòu)，使用了熒光水洗法滲透，結(jié)合使用工業(yè)內(nèi)窺鏡進(jìn)行滲透后的檢測，達(dá)到了穩(wěn)定清晰的滲透顯示結(jié)果。圖4是對防噴器殼體側(cè)法蘭內(nèi)孔進(jìn)行熒光水洗法滲透檢測，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔有裂紋。

圖4 防噴器殼體側(cè)法蘭熒光水洗法滲透檢測

1.5 磁記憶檢測技術(shù)應(yīng)用

水下防噴器殼體內(nèi)腔堆焊了防腐蝕合金。焊接組織機(jī)械性能不均勻、焊接缺陷和焊接殘余應(yīng)力場的不均勻可能導(dǎo)致殼體堆焊層的損壞。由于這種鎳合金不導(dǎo)磁，所以無法進(jìn)行磁粉檢測。磁記憶方法可檢測防噴器殼體和內(nèi)腔表面及焊縫部位［4］。因此對防噴器本體和防腐蝕合金焊接融合區(qū)進(jìn)行磁記憶檢測。磁記憶檢測可以檢測出焊層和本體的是否融合好、是否有裂紋等缺陷以及應(yīng)力集中區(qū)。如果被檢測部位沒有完全融合或有缺陷，磁記憶信號則會發(fā)生突變。圖5是采用磁記憶方法對防噴器殼體內(nèi)腔堆焊的防腐蝕合金進(jìn)行檢測，末發(fā)現(xiàn)焊接裂紋、未熔合等缺陷。

圖5 防噴器殼體內(nèi)腔堆焊合金磁記憶檢測

剪切閘板做完剪切試驗(yàn)后，再次對剪切閘板體進(jìn)行磁粉檢測，確保刃口部位無裂紋顯示。同時(shí)，為了進(jìn)一步檢測刀體部分內(nèi)部是否存在著較強(qiáng)應(yīng)力，還要進(jìn)行磁記憶檢測。選用的EMS－2000智能磁記憶金屬診斷儀可以檢測出閘板體現(xiàn)有磁場，并以此磁場強(qiáng)度為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到準(zhǔn)確地進(jìn)行磁記憶檢測的目的。

1.6 聲發(fā)射檢測技術(shù)應(yīng)用

聲發(fā)射技術(shù)作為一種成熟的無損檢測方法，已被廣泛應(yīng)用于防噴器的制造和監(jiān)測中［5－6］。對一些難以檢測到的部位，聲發(fā)射可以及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)發(fā)展中的缺陷。聲發(fā)射主要用于水下防噴器整機(jī)的無損檢測，檢測貫穿防噴器整個(gè)水壓強(qiáng)度試驗(yàn)過程。

使用了進(jìn)口的DiSP－16聲發(fā)射檢測儀檢測，實(shí)時(shí)同步進(jìn)行聲發(fā)射特征參數(shù)采集／分析、波形采集／分析，實(shí)現(xiàn)線定位、區(qū)域定位功能。經(jīng)過連續(xù)的過程監(jiān)視和精確地分析，水下防噴器組承壓件具有優(yōu)良的承壓性能。

圖6是在防噴器的水壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，采用聲發(fā)射方法對防噴器殼體進(jìn)行了全程檢測。在水壓上升至157.5Mpa并穩(wěn)壓過程中，未見異常信號。在水下防噴器的壓力試驗(yàn)階段進(jìn)行聲發(fā)射檢測，可以提高產(chǎn)品的可靠性。

圖6 防噴器水壓強(qiáng)度試驗(yàn)過程中聲發(fā)射檢測

2 結(jié)論

通過無損檢測技術(shù)在深水井控裝備上的應(yīng)用，保證了深水井控裝備的安全，掌握了深水井控裝備制造過程中的無損檢測方法的要點(diǎn)：

（1）掌握正確實(shí)施無損檢測的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。在零件粗加工后，進(jìn)行一次超聲波檢測?？刂畦T造較大的缺陷，防止熱處理后缺陷擴(kuò)大。熱處理后，在鉆孔、銑槽、精磨等最終機(jī)加工序前，再進(jìn)行一次超聲波檢測，可以更徹底地發(fā)現(xiàn)缺陷。

（2）不同零件及零件狀態(tài)選用最適當(dāng)?shù)臒o損檢測方法。具有規(guī)則結(jié)構(gòu)的零件，宜選擇超聲波檢測其內(nèi)部缺陷為主，磁粉或滲透輔助檢測表面缺陷；焊接耐腐蝕合金部位，采用了磁記憶檢測或滲透檢測；油路管件焊接的耐腐蝕合金，使用了射線檢測或滲透檢測；在防噴器強(qiáng)度試驗(yàn)過程，采用了聲發(fā)射檢測方法。

（3）綜合應(yīng)用各種無損檢測方法。在對同一零件同一部位無損檢測中，采用幾種檢測方法，互相取長補(bǔ)短，取得更多的缺陷信息，保證檢測結(jié)果可靠準(zhǔn)確。

［1］ 許亮斌，張紅生，周建良，等.深水鉆井防噴器選配關(guān)鍵因素分析［J］.石油機(jī)械，2012，40（6）：49－53.

［2］ API Spec 16A.Specification for Drill－through Equipment［S］.Third Edition.2004.

［3］ GB／T 20174－2006 石油天然氣工業(yè) 鉆井和采油設(shè)備鉆通設(shè)備［S］.

［4］ 王強(qiáng)，樊建春，張來斌.基于磁記憶方法的防噴器檢測試驗(yàn)研究［J］.石油機(jī)械，2012，40（3）：16－23.

［5］ 朱祥軍，吳怡.聲發(fā)射檢測防噴器泄漏的研究［J］.鉆采工藝，2009，32（4）：69－71.

［6］ 朱祥軍.聲發(fā)射技術(shù)在防噴器檢測中的應(yīng)用［J］.無損檢測，2010，32（12）：987－989.