采氣樹閥門腐蝕缺陷的檢測

鄧偉林,胡 敏,馮 強(qiáng),張 雨

(1.中石油川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，成都 618300； 2.中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610000)

采氣樹閥門腐蝕缺陷的檢測

鄧偉林1,胡 敏1,馮 強(qiáng)1,張 雨2

(1.中石油川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，成都 618300； 2.中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610000)

采氣樹閥門本體、通道以及密封面在高溫、高壓、含腐蝕性介質(zhì)條件下易產(chǎn)生腐蝕失效,采用相控陣超聲波A掃描、B掃描、C掃描和S掃描等模式對(duì)腐蝕缺陷進(jìn)行了定性和定量分析。結(jié)果表明：利用相控陣超聲C掃描可以對(duì)閥門本體和通道進(jìn)行成像檢測，得出最小壁厚；相控陣S掃描和C掃描可對(duì)閥門密封面的腐蝕進(jìn)行檢測。

閥門；腐蝕；超聲波相控陣；檢測精度

采氣樹閥門的腐蝕及泄漏是各個(gè)油氣田都要面臨的問題，特別是高溫、高產(chǎn)、高酸性油氣田，某些區(qū)塊甚至由于井口裝置腐蝕導(dǎo)致井口失控、油氣井報(bào)廢等安全事故[1-3]。塔里木油田牙哈和克拉作業(yè)區(qū)早期投入使用的采氣樹均發(fā)生過閥門本體腐蝕和穿孔事件。牙哈作業(yè)區(qū)在抽檢過程中發(fā)現(xiàn)閥門腐蝕嚴(yán)重井口6口，一般腐蝕井口4口。截至2015年，克拉作業(yè)區(qū)采氣樹閥門共發(fā)生7次泄漏，閥門的安全性和可靠性面臨著巨大的安全挑戰(zhàn)。目前國內(nèi)外對(duì)采氣樹閥門均無成熟的在線檢測對(duì)策可供借鑒。因此，開展采氣樹閥門的腐蝕失效分析及在線檢測技術(shù)研究，對(duì)消除因缺陷引起的安全隱患，保證油氣井生產(chǎn)安全具有重要意義。

筆者采用相控陣超聲波A掃描、B掃描、C掃描和S掃描等模式對(duì)腐蝕缺陷進(jìn)行了定性和定量分析，結(jié)果表明：利用相控陣超聲C掃描可以對(duì)閥門本體和通道進(jìn)行成像檢測，得出最小壁厚；相控陣S掃描和C掃描可對(duì)閥門密封面的腐蝕進(jìn)行檢測。

1 腐蝕缺陷形貌

選取牙哈作業(yè)區(qū)某單井發(fā)生泄漏的閥門為研究對(duì)象，將其拆解后對(duì)密封面和通道處進(jìn)行觀察，宏觀形貌見圖1。觀察發(fā)現(xiàn)，閥門通道內(nèi)表面存在大量腐蝕溝槽和腐蝕坑，在管體內(nèi)壁附著一層深棕色腐蝕產(chǎn)物，同時(shí)法蘭密封面的鋼圈槽破損嚴(yán)重。

圖1 閥門密封面、通道腐蝕形貌

2 檢測試驗(yàn)與現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 檢測技術(shù)的選取 采氣樹閥門通常是在返場拆檢維修過程中進(jìn)行靜態(tài)無損檢測和測厚，而本體的內(nèi)部裂紋、應(yīng)力集中危險(xiǎn)區(qū)及腐蝕等缺陷在常規(guī)的無損檢測手段下不容易被發(fā)現(xiàn)，更無法檢測出裝置在線使用狀態(tài)下存在的缺陷或缺陷隱患。因此，常規(guī)的無損檢測方法在井口裝置的評(píng)估中僅具有一定的輔助作用。目前，行業(yè)內(nèi)引進(jìn)了一些先進(jìn)檢測技術(shù)，如聲發(fā)射、金屬磁記憶、超聲波相控陣對(duì)采氣樹進(jìn)行在線檢測研究。表1為三種檢測技術(shù)的優(yōu)、缺點(diǎn)對(duì)比。

采氣井在高壓力、高溫度、高流速的作業(yè)條件下易產(chǎn)生較大的震動(dòng)噪聲、形成較高的缺陷敏感度。根據(jù)表1中三種檢測技術(shù)的對(duì)比，可明顯看出聲發(fā)射檢測技術(shù)和金屬磁記憶檢測技術(shù)在閥門的檢測上具有一定的局限性。因此，選取超聲波相控陣檢測技術(shù)[4-7]對(duì)閥門通道進(jìn)行缺陷成像研究。

表1 三種檢測技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

圖2 閥門通道缺陷位置及其掃查圖譜

2.2 檢測試驗(yàn)

2.2.1 閥門通道腐蝕成像檢測

將閥門對(duì)半剝開后，在圖2(a)所示的通道(壁厚為25.00 mm)內(nèi)壁位置預(yù)制缺陷尺寸(直徑×深度)分別為φ6.0 mm×5.0 mm,φ12.0 mm×5.0 mm,φ15.0 mm×5.0 mm的三個(gè)平底圓孔。采用超聲波相控陣儀器對(duì)該通道進(jìn)行C掃描檢測，結(jié)果如圖2(b)所示。

圖2(b)掃查圖譜的寬度為通道的實(shí)際外表面周長，高度為通道的掃查長度。利用定量軟件分析后確定缺陷1的尺寸(直徑×深度)為φ5.96 mm×5.24 mm；缺陷2的尺寸(直徑×深度)為φ11.46 mm×4.88 mm；缺陷3的尺寸(直徑×深度)為φ14.75 mm×5.12 mm。綜合考慮精度的影響，證實(shí)檢測結(jié)果與實(shí)際相吻合。

圖3所示為現(xiàn)場采氣樹閥門通道相控陣檢測部位示意，從圖中可看出在閥門通道內(nèi)壁處有圓形的腐蝕缺陷孔。

圖3 閥門通道缺陷位置

利用超聲波相控陣檢測技術(shù)對(duì)該腐蝕缺陷位置進(jìn)行包括A掃、B掃、C掃和S掃測，掃查圖譜如圖4所示。其中，A掃為波形圖像，顯示波幅強(qiáng)度；B掃為閥門通道展開后的剖面成像；S掃即為閥門通道側(cè)視方向厚度成像，紅圈范圍內(nèi)凸起部位即為缺陷位置；C掃為閥門通道展開后俯視方向成像，紅色部位為缺陷輪廓，顏色越深，表明剩余壁厚越小。通過分析后，判斷缺陷尺寸為長16.2 mm，寬1.92 mm。

圖4 閥門通道的各個(gè)相控陣掃查圖譜

2.2.2 閥門本體腐蝕成像檢測

圖5所示為采氣樹閥門本體的結(jié)構(gòu)圖，圖中標(biāo)注的A面壁厚為55.0 mm，在該部件的內(nèi)部預(yù)制尺寸(直徑×深度)為φ5.0 mm×9.0 mm的平底孔缺陷,(長×寬×深)為10.0 mm×10.0 mm×10.0mm的曲面刻槽缺陷,(長×寬×深)為19.0 mm×19.0 mm×11.0 mm的曲面刻槽缺陷。

圖5 閥門本體結(jié)構(gòu)與缺陷示意

圖6 閥門本體相控陣掃查圖譜

圖6為A面超聲波相控陣掃查圖譜，圖中顏色越接近藍(lán)色表明壁厚越接近55.0 mm;顏色越接近紅色，表明壁厚越接近50 mm;黃色部分為壁厚減薄區(qū)域，顏色越深，表明該處壁厚減薄得越明顯。白色部分為反射波缺失部位，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)中的位置為曲面刻槽。由于該處存在曲面，會(huì)對(duì)入射波有散射作用，探頭未能接收到反射波。通過軟件進(jìn)行分析后，確定缺陷1的尺寸(直徑×深度)為φ4.96 mm×8.19 mm；缺陷2的尺寸(長×寬×深)為9.43 mm×9.67 mm×10.24 mm；缺陷3的尺寸(長×寬×深)為19.42 mm×19.23 mm×9.85 mm；曲面刻槽的最小剩余壁厚為51.83 mm，檢測結(jié)果與實(shí)際相吻合。

2.2.3 法蘭密封面腐蝕成像檢測

圖7為閥門法蘭密封面缺陷位置示意，在距離法蘭端面2.0 mm部位加工4個(gè)φ2.0 mm直徑的圓形人工缺陷：1號(hào)缺陷深度1.0 mm，2號(hào)缺陷深度2.0 mm，3號(hào)缺陷深度3.0 mm，4號(hào)缺陷深度4.0 mm。使用超聲波相控陣斜聲速覆蓋法對(duì)該處閥門法蘭密封面進(jìn)行掃查。

圖7 閥門法蘭密封面缺陷位置

圖8所示為采氣樹閥門法蘭密封面相控陣檢測的掃查圖譜，從圖中可以看出：1號(hào)人工缺陷成像模糊、識(shí)別困難；2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)人工缺陷均可清晰識(shí)別。

圖8 閥門法蘭密封面的相控陣掃查圖譜

2.3 檢測應(yīng)用 圖9所示為現(xiàn)場發(fā)生腐蝕閥門與未腐蝕閥門的內(nèi)壁的形貌圖。從圖中可以看出：腐蝕閥門的通道內(nèi)表面存在大量的溝槽和腐蝕坑，內(nèi)表面呈現(xiàn)出凹凸不平；完好閥門的內(nèi)表面則呈現(xiàn)出光滑的內(nèi)表面。

采用超聲波相控陣技術(shù)對(duì)上述閥門進(jìn)行檢測，掃查圖譜見圖10。由圖可以發(fā)現(xiàn)，完好閥門通道的超聲波回波在C掃圖譜中呈現(xiàn)出較為均勻一致的紅色區(qū)域，波形穩(wěn)定。相反，腐蝕閥門的通道呈現(xiàn)出雜亂無章的端面回波，并伴隨部分回波的缺失。這是由于腐蝕坑底面的不平整對(duì)超聲波造成了散射現(xiàn)象，導(dǎo)致探頭無法接受到回波，在掃查圖譜中則表現(xiàn)為波形缺失。

圖9 現(xiàn)場腐蝕、未腐蝕閥門內(nèi)壁形貌

圖10 現(xiàn)場腐蝕、未腐蝕閥門的相控陣掃查圖譜

3 結(jié)論

(1) 超聲波相控陣A掃描為波形圖像，顯示波幅強(qiáng)度；B掃描、S掃描為工件厚度方向成像，可精確測量工件最小壁厚；C掃描為掃查平面的俯視成像，用于測算缺陷面積和查找最小壁厚部位。

(2) 完好法蘭密封面的回波在C掃圖譜中較為均勻一致。而發(fā)生沖蝕部位產(chǎn)生的回波呈雜亂無章分布，并伴隨部分回波的缺失。這是由于沖蝕坑的不平整底面會(huì)對(duì)超聲波造成散射現(xiàn)象，從而導(dǎo)致探頭無法接收到回波，在掃查圖譜中則表現(xiàn)為波形缺失。

(3) 通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場驗(yàn)證證實(shí)：法蘭密封面檢測精度為直徑2.0 mm，深度2.0 mm的孔。

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Corrosion Failure Inspection of Christmas Tree Valve

DENG Weilin1, HU Min1, FENG Qiang1, ZHANG Yu2

(1.CCDC Security Environmental Protection Quality Supervision and Inspection Institute, Chengdu 618300, China；2.Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610000, China)

The body, channel and the sealing surface of valve in Christmas tree are susceptible of corrosion under the condition of high temperatures, high pressures and corrosive medium. The qualitative and quantitative analysis of the corrosion defects was studied using the A scanning, B scanning, C scanning and S scanning of ultrasonic phased array. The results show that the minimum wall thickness of body and channel of valve could be measured by using the C scanning of ultrasonic phased array.S scanning and C scanning of ultrasonic phased array can be used to detect the sealing surface of valve.

valve; corrosion; ultrasonic phased array; detection precision

2016-11-06

鄧偉林(1988-)，男，工程師，副主任，主要從事油氣管道及井口裝置無損檢測方面的研究工作

鄧偉林，769885092@qq.com

10.11973/wsjc201708005

TE931;TG115.28

A

1000-6656(2017)08-0022-04