聲發射檢測技術在海洋井口采油樹運維上的應用

丁 輝，蘭曉冬，李 震，邢承軍

(中海油能源發展裝備技術有限公司 天津 300452)

在長期惡劣的海洋環境和復雜的工況條件下，海洋井口采油樹本體不可避免會受到碰撞、銹蝕、腐蝕、沖蝕等因素的影響，產生壁薄、應力集中及內部裂紋等缺陷，而這些缺陷在返廠檢修或常規檢測手段(如磁粉、超聲波等)下不容易被發現，特別是不能及時和全面檢查、評價設備在整個承壓過程中裂紋的產生和擴展。[1]如果這些缺陷和隱患不被及時發現，一旦井口采油樹失效而引發事故，將引起海上平臺的重大災難，造成巨大的經濟財產損失。

目前，海洋井口采油樹運維技術仍處于返場拆檢、靜態無損檢測、功能試驗及靜水壓強度試驗，無法從本質安全角度評估井口采油樹本體的安全可靠性，筆者在海洋井口采油樹本體裂紋檢測上引入聲發射檢測技術，不僅保證了海洋井口采油樹本體的本質安全性，更重要的是對后續針對其開展安全評估具有一定的推動作用。本文從聲發射檢測技術的原理、聲發射檢測技術在海洋井口采油樹運維上的應用方法及取得的效果進行了重點介紹。

1 聲發射檢測技術的原理

聲發射檢測技術是一種動態無損檢測技術，其信號來自缺陷本身，利用該技術可以判斷缺陷的活動性和嚴重性。聲發射檢測技術在材料試驗、壓力容器、航空、航天、橋梁及地震預報等方面有著廣泛的應用。

聲發射檢測技術的原理是將高靈敏度的聲發射傳感器置于材料或零部件表面，接收材料或零部件在受力作用下產生的變形、斷裂或內部應力超過屈服極限而以瞬態彈性波形式釋放的應變能，實時接收和采集來自于材料或零部件缺陷的聲發射信號，通過對聲發射信號的識別、判斷和分析推斷出材料或零部件內部缺陷位置、狀態程度和發展趨勢。聲發射檢測原理如圖1所示。

圖1 聲發射檢測原理圖Fig.1 Schematic diagram of an acoustic emission testing

2 海洋井口采油樹聲發射檢測方案設計

2.1 海洋井口采油樹

井口采油樹是用于控制和調節油氣井生產的主要設備，主要由油管四通、平板閥、轉換四通、節流閥、截止閥及儀表等組成。海洋井口采油樹由于受海洋平臺空間的限制和作業工況的要求，主要為整體式井口采油樹，由主閥、安全閥、清蠟閥和翼閥等組成。海洋井口采油樹結構組成如圖2所示。

圖2 海洋井口采油樹結構組成Fig.2 Structural composition of an offshore Christmas tree

2.2 聲發射檢測傳感器測點布置設計

根據海洋井口采油樹主體結構和零部件外形特點，以聲發射傳感器能覆蓋被檢測區域為原則，進行聲發射傳感器的布置及檢測陣列的選擇。

閥門或管件等采用線性定位測點布置。油管四通、四通轉換等采用平面定位測點布置。聲發射傳感器測點布置形式如圖3所示。

圖3 聲發射傳感器測點布置形式Fig.3 Monitoring point arrangement for acoustic emission sensors

2.3 聲發射檢測壓力加載設計

為了能夠接收材料或零部件在受力作用下產生的變形、斷裂或內部應力超過屈服極限而以瞬態彈性波形式釋放的應變能，需對被檢測材料或零部件施加外力，對于管道、承壓等設備常規采用壓力加載的方式來實現。海洋井口采油樹在聲發射檢測時，同樣采用壓力加載的方式進行聲發射聲源的接收和采集。

根據海洋井口采油樹額定工作壓力，確定聲發射檢測壓力加載程序。壓力加載程序實行分級加載，每個載荷梯度下穩壓時間 5,min，當達到最大試驗壓力時穩壓時間為 15,min，并以在規定的穩壓期無可見泄漏為合格標準。[2]海洋井口采油樹聲發射檢測壓力加載梯度表如表1所示。

表1 海洋井口采油樹聲發射檢測壓力加載梯度表Tab.1 Table of loading grads of acoustic emission testing pressure for an offshore Christmas tree

2.4 聲發射檢測流程設計

海洋井口采油樹聲發射檢測流程主要包括熟悉待測材料或零部件(包括查閱說明書、原始維修記錄的收集與審查)、檢測前的準備(包括技術準備、檢測設備校準、試壓設備準備、環境勘察、聲發射檢測傳感器布點)、聲發射檢測(包括壓力加載、數據采集)及數據處理等4個過程。

在海洋井口采油樹聲發射檢測過程中，操作人員需取得美國無損檢測學會頒發的Ⅱ級無損檢測資格證書和經過聲發射檢測專業培訓。[3]

3 海洋井口采油樹聲發射檢測技術應用

2014年4月5日，我公司采用DISP-8聲發射設備對中海油渤海石油管理局綏中某平臺的A23井海洋井口采油樹進行了聲發射檢測。該井口采油樹聲發射檢測傳感器測點布置圖如圖4所示。

圖4 聲發射檢測傳感器測點布置圖Fig.4 Arrangement plan of monitoring points for the acoustic emission testing sensor

圖5 聲發射檢測數據采集與監測圖Fig.5 Data collection and monitoring in the acoustic emission testing

該海洋井口采油樹在21,MPa的試驗壓力下，觀察聲發射檢測數據采集與監測(見圖 5)，未見油管四通、各閥門及連接管件等部件在穩壓階段有可記錄的聲發射信號，說明該套井口采油樹裝置在試驗壓力的承壓階段無裂紋缺陷存在。

4 結 語

聲發射檢測技術在海洋井口采油樹運維上的成功應用，突破了井口采油樹常規的無損檢測方法，為下一步海洋井口采油樹檢測評估工作提出了新的檢測方法。同時，聲發射檢測技術具有常規檢測方法無法達到的優勢，必將在今后海洋承壓設備的無損檢測中發揮巨大作用。此外，聲發射檢測技術對環境噪聲的要求很高，因此需要不斷提高無損檢測人員的技術水平，積累檢測經驗。■

［1］唐棖浩，鄧勇剛，劉念念.聲發射檢測技術在井控裝置安全測評中的應用[J].鉆采工藝，2008(2)：162-163.

［2］美國石油學會.API Spec 6A-2010 井口裝置和采油樹設備規范[S].

［3］美國無損檢測學會.ASNT-SNT-TC-1A-2011 無損檢測人員的評定和資格證書[S].