鉆桿超聲波探傷的自動(dòng)化研究

張國杰,孫洪大,侯培勇

（渤海能克鉆桿有限公司,河北 青縣 062658）

鉆桿超聲波探傷的自動(dòng)化研究

張國杰,孫洪大,侯培勇

（渤海能克鉆桿有限公司,河北 青縣 062658）

簡(jiǎn)述超聲波檢測(cè)原理及國內(nèi)鉆桿行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，列舉相控陣技術(shù)在鉆桿探傷的應(yīng)用，針對(duì)石油鉆桿超聲波探傷自動(dòng)化程度、控制精度、探傷效果等問題系統(tǒng)分析并完成了一種自動(dòng)化探傷設(shè)備的設(shè)計(jì)。

鉆桿;超聲波;探傷;自動(dòng)化;研究

0　 前言

石油鉆桿是鉆井時(shí)用于傳遞動(dòng)力、輸送泥漿的主要工具，需要承受各種復(fù)雜交變的載荷，如拉、壓、扭、彎曲等應(yīng)力，因此要求鉆桿具有良好的力學(xué)性能以承載鉆井過程中的各種內(nèi)外應(yīng)力，而其中工具接頭與管體對(duì)焊的質(zhì)量更是其中的重中之重。目前國內(nèi)鉆桿廠家多采用摩擦焊接的方式完成工具接頭與管體的對(duì)焊，后經(jīng)過熱處理來滿足焊區(qū)的機(jī)械性能。通過磁粉探傷及超聲波探傷完成焊區(qū)及其熱影響區(qū)的質(zhì)量檢驗(yàn)，其中超聲波探傷更是焊區(qū)內(nèi)部焊接質(zhì)量的重要檢測(cè)手段，對(duì)整個(gè)石油鉆桿的生產(chǎn)加工具有重要意義。

1　 超聲波檢測(cè)原理及國內(nèi)鉆桿行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前國內(nèi)主要鉆桿生產(chǎn)廠家均采用摩擦焊接的方式完成工具接頭和管體的焊接，焊接面高速摩擦并在壓力的作用下與待焊接面接觸，其界面及附近溫度升高，界面的氧化膜破裂，材料呈塑性狀態(tài)，通過界面的擴(kuò)散和再結(jié)晶反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)固態(tài)焊接。焊接后通過內(nèi)外飛邊的去除及焊區(qū)熱處理完成鉆桿的生產(chǎn)過程。而在這一過程中產(chǎn)生的鉆桿焊區(qū)缺陷主要由以下幾種類型：

（1）摩擦焊形成的“灰斑”缺陷，主要是因兩個(gè)摩擦焊接表面間異常區(qū)域存在很薄的平面夾饃，其存在會(huì)導(dǎo)致焊接表面金屬結(jié)合不良所產(chǎn)生。

（2）沖切內(nèi)飛邊所導(dǎo)致的工藝缺口，主要是由于沖切內(nèi)飛邊技術(shù)及工裝的缺陷導(dǎo)致對(duì)管體內(nèi)表面的劃傷，可視作內(nèi)表面裂紋。

（3）熱處理所致裂紋，鉆桿熱處理過程由于退火和回火溫度較低，很少出現(xiàn)缺陷，而淬火調(diào)質(zhì)過程中溫度高，出現(xiàn)淬火裂紋的可能性較大，且主要在焊縫及熱影響區(qū)出現(xiàn)。

在上述缺陷的檢測(cè)及解剖驗(yàn)證中，發(fā)現(xiàn)這些缺陷多屬于面狀、片狀，多與鉆桿表面相垂直，適合采用超聲波探傷完成其焊區(qū)及熱影響區(qū)的探傷檢測(cè)。

超聲波探傷是無損檢驗(yàn)的一種，其中脈沖反射式超聲波探傷儀應(yīng)用的最為廣泛。在均勻的材料中，缺陷的存在將造成材料的不連續(xù)，這種不連續(xù)往往又造成聲阻抗的不一致，超聲波在兩種不同聲阻抗的介質(zhì)的交界面上將會(huì)發(fā)生反射，可以通過反射回來的能量的大小與交界面兩邊介質(zhì)聲阻抗的差異進(jìn)行缺陷大小位置的判定。探傷儀在主電路接通后，發(fā)射電路受觸發(fā)產(chǎn)生高頻電脈沖加至探頭，通過探頭中壓電晶片的逆壓電效應(yīng)，激勵(lì)壓電晶片振動(dòng)，發(fā)射超聲波。超聲波在管材中傳播，遇缺陷發(fā)生反射，返回探頭時(shí)，又被壓電晶片的正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)接收電路放大和調(diào)理并顯示出來。

目前國內(nèi)大部分鉆桿生產(chǎn)廠家主要采用人工手探的方式進(jìn)行鉆桿焊區(qū)及其熱影響區(qū)的超聲波探傷。在探傷過程中鉆桿進(jìn)行勻速的軸向旋轉(zhuǎn)，人工手持探傷儀探頭完成鉆桿焊區(qū)的探傷作業(yè)。首先人工探傷無法保證探傷區(qū)域可以覆蓋整個(gè)焊區(qū)，其次人工探傷的效果必然受到探傷工的影響，從而導(dǎo)致探傷效果的不確定性，進(jìn)而影響到鉆桿的整體質(zhì)量檢驗(yàn)效果，對(duì)鉆桿井上作業(yè)也產(chǎn)生了不良影響。

2　相控陣技術(shù)在鉆桿探傷的應(yīng)用

自20世紀(jì)90年代中期起，超聲波相控陣技術(shù)就開始在歐、美、日用于壓力容器和壓力管道熔化焊縫的質(zhì)量檢測(cè)，也用于一些重要機(jī)電設(shè)備如汽輪機(jī)葉片（根部）和渦輪圓盤等內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。

相控陣超聲波探傷法有四大特點(diǎn)：（1）可用計(jì)算機(jī)軟件控制聲束角度、聚焦距離和焦點(diǎn)尺寸；（2）可用單個(gè)小型的電控多元探頭在同一位置作多角度檢測(cè)；（3）可對(duì)復(fù)雜的幾何形狀進(jìn)行檢測(cè)，其機(jī)動(dòng)、靈活性較大；（4）配置機(jī)械夾具，可對(duì)整個(gè)試件作高速、全面掃查。相控陣靠相控陣探頭的電子掃描，可使超聲波束任意設(shè)定偏向角和聚焦深度，能使探傷條件最佳化，而且由于探傷圖像可視化，有實(shí)時(shí)檢出缺陷、評(píng)定缺陷的優(yōu)點(diǎn)。

用相控陣探頭對(duì)焊縫作橫波斜探傷時(shí)，無需像普通單探頭那樣在焊縫兩側(cè)頻繁地來回前后移動(dòng)，而是進(jìn)行焊縫長度方向的全體積掃查。其探傷范圍可以根據(jù)產(chǎn)品需要進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到完美覆蓋探傷區(qū)域的目的。但相控陣技術(shù)在國內(nèi)鉆桿行業(yè)使用較少，設(shè)備價(jià)格及維護(hù)費(fèi)用較高，目前僅上海寶鋼的鉆桿廠家使用該種方式進(jìn)行焊區(qū)超聲波探傷。

3　伺服系統(tǒng)在超聲波探傷中的應(yīng)用

隨著電機(jī)理論、永磁材料、電力電子技術(shù)、控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的驚人發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，自20世紀(jì)70年代末以來，取得了舉世矚目的進(jìn)展，已具備有寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快動(dòng)態(tài)響應(yīng)及四象限運(yùn)行等良好的技術(shù)性能。通過螺旋、曲柄連桿、肘桿或其它機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊所需的直線運(yùn)動(dòng)。不但可以保持機(jī)械驅(qū)動(dòng)的種種優(yōu)點(diǎn)，而且改變了其工作特性不可調(diào)的缺點(diǎn)，使機(jī)械驅(qū)動(dòng)的成形裝備也具有了柔性化、智能化的特點(diǎn)，工作性能和工藝適應(yīng)性大大提高。

利用伺服系統(tǒng)完成超聲波探傷探頭行走的控制，可以完成探頭行走的速度、距離控制，以達(dá)到完成整個(gè)探傷過程的全控制。同時(shí)利用伺服系統(tǒng)的柔性化特點(diǎn)，可以使得探頭行走更加平穩(wěn)，大大提高了探傷效果。

4　基于伺服系統(tǒng)的超聲波探傷設(shè)備優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展前景

4.1 探傷全面覆蓋焊區(qū)

通過伺服系統(tǒng)的控制，可以實(shí)現(xiàn)探頭在探傷過程中勻速行走，同時(shí)具備調(diào)整探頭行走速度的功能，通過速度調(diào)整結(jié)合鉆桿自身軸向旋轉(zhuǎn)速度，計(jì)算出探頭行駛的最佳速度，保證探傷區(qū)域的全覆蓋。同時(shí)利用伺服系統(tǒng)可以完美控制探傷行走距離，適應(yīng)各種規(guī)格鉆桿的焊區(qū)超聲波探傷。

4.2 生產(chǎn)流程自動(dòng)化

利用伺服系統(tǒng)，可以完成鉆桿超聲波探傷的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，大大提高了生產(chǎn)效率，大幅降低了因人為因素導(dǎo)致的漏檢、誤判等情況。

4.3 提高探傷效果

利用伺服系統(tǒng)控制柔性化的特點(diǎn)，使探頭行走勻速平穩(wěn)，同時(shí)利用外圍輔助的減震系統(tǒng)，大大降低了鉆桿旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的震動(dòng)對(duì)探傷檢測(cè)的影響。提高了探傷效果，

4.4 超聲波檢測(cè)的數(shù)字化發(fā)展

結(jié)合鉆桿超聲波探傷的自動(dòng)化發(fā)展，采用新型的數(shù)字化探測(cè)設(shè)備，開發(fā)上位機(jī)軟件形成每根鉆桿的探傷記錄，結(jié)合MES（制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)）的推廣普及，形成鉆桿生產(chǎn)加工檢驗(yàn)的打包記錄，使得每一根鉆桿的入廠信息、生產(chǎn)過程、檢驗(yàn)結(jié)果有據(jù)可查，完善鉆桿生產(chǎn)流程，提高產(chǎn)品追溯性。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.192