三維掃描成像曲面計算系統(tǒng)的研究探索

王建輝，李吉

(青海油田公司 井下作業(yè)公司，青海 海西 816499)

目前，國內(nèi)各大油氣田對地面管線、罐體的防腐研究關(guān)注度較高，對井內(nèi)的油套管腐蝕防護(hù)研究關(guān)注較少。我單位主要負(fù)責(zé)油管桿的清洗、檢測、修復(fù)工作，年清洗油管近400萬米左右，但是從實際管理中來看，年報廢油管近80萬米，占年均回收油管的24%，按現(xiàn)市場鋼材價格測算，年損失3000萬元以上，經(jīng)濟損失嚴(yán)重。目前國內(nèi)市場現(xiàn)有的油管檢測工藝和手段存在漏檢和檢測盲區(qū)，現(xiàn)有的油管修復(fù)技術(shù)只是簡單的進(jìn)行接箍更換、螺紋修復(fù)，無法滿足質(zhì)量要求。

1 目前市場最常見的油管探傷工藝

1.1 漏磁探傷

漏磁檢測是指鐵磁材料被磁化后，因試件表面或近表面的缺陷而在其表面形成漏磁場，檢測管體的橫向和縱向缺陷，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)缺陷。

1.2 超聲探傷

超聲波探傷是利用超聲能透入金屬材料的深處，在界面邊緣發(fā)生反射的特點來檢查零件缺陷的一種方法。

1.3 渦流探傷

其原理是用激磁線圈使導(dǎo)電構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生渦電流，借助探測線圈測定渦電流的變化量，從而獲得構(gòu)件缺陷的有關(guān)信息。

1.4 磁粉探傷

磁粉探傷利用工件缺陷處的漏磁場與磁粉的相互作用，它利用了鋼鐵制品表面和近表面缺陷（如裂紋，夾渣、發(fā)紋等）磁導(dǎo)率和鋼鐵磁導(dǎo)率的差異，顯現(xiàn)出缺陷位置和形狀，進(jìn)而對這些磁粉的堆積加以觀察和解釋。目前我單位油田使用的油管探傷技術(shù)就屬于漏磁無損探傷，采用8通道橫向和縱向漏磁探傷，2組固定探頭。從實際使用中來看，存在以下問題。

一是單獨一種探傷技術(shù)無法滿足油管檢測技術(shù)需求。如漏磁探傷不能對油管接箍做到全面檢測，對偏磨、腐蝕的油管接箍需要人為目視檢測。（圖1、圖 2）。

圖1

圖2

二是再先進(jìn)的探傷技術(shù)均存在檢測盲區(qū)，從實際使用中來看，本單位使用的漏磁探傷盲區(qū)0～400mm，其它探傷技術(shù)最小盲區(qū)也在0～200mm，恰恰是這短短的盲區(qū)造成質(zhì)量缺陷產(chǎn)品外流，因為對于外加厚油管而言，鐓粗區(qū)恰恰是偏磨腐蝕最嚴(yán)重區(qū)域。（圖3、圖4）。

圖3

圖4

三是不論何種探傷技術(shù)，對于流水線生產(chǎn)環(huán)境來說，油管移動速率是關(guān)鍵，同一根油管通過2次探傷機，檢測結(jié)果均不相同，對操作人員的技術(shù)素質(zhì)要求很高。

四是油管在使用過程中，缺陷種類較多，壁厚必須達(dá)到使用分級標(biāo)準(zhǔn)，缺陷長度必須滿足一定要求，而注水管在使用過程中造成油管表面的坑蝕、點蝕情況較多，現(xiàn)有的探傷技術(shù)檢測出的機率較小。（圖5、圖6）。

圖5

圖6

五是即使是上述幾種探傷技術(shù)聯(lián)合使用，也不能保證產(chǎn)品探傷效果，各有優(yōu)缺點，對使用造成影響。

六是若在實際生產(chǎn)中降低管材通過探傷機的速率來提高探傷質(zhì)量，必然影響生產(chǎn)，進(jìn)而影響企業(yè)效益；若提高探傷速率，必然造成一定的漏檢率，增加質(zhì)量事故概率，損失企業(yè)信譽，丟失市場，是個矛盾體。

七是以油田現(xiàn)使用的漏磁探傷技術(shù)為例，通過前期的試驗和計算發(fā)現(xiàn)以下問題。

（1）為了滿足年油管清洗400萬米的需求，油管探傷必須在一定的速率范圍內(nèi)才能與清洗生產(chǎn)工藝速率相匹配，通過對現(xiàn)有的工藝進(jìn)行實地試驗，發(fā)現(xiàn)油管在旋轉(zhuǎn)過程中探傷速度為 322．5mm/s，3．225 圈 /s，旋轉(zhuǎn)一圈前進(jìn)距離為100mm（圖7），而現(xiàn)用的設(shè)備只有兩組探頭，探頭相距1000mm，旋轉(zhuǎn)一圈前進(jìn)的距離恰是兩組探頭間距的整數(shù)倍，即第一組探頭未被檢測到的缺陷第二組探頭檢測不到的機率增加。

（2）由上所述，小于100mm的缺陷漏檢機率增加，特別是腐蝕坑常常需要人工進(jìn)行目視觀察，施工現(xiàn)場中因腐蝕坑而導(dǎo)致油管無法憋壓的情況很常見。

（3）由于探頭與被檢測管體表面接觸的距離在5mm左右，管材在檢測過程中通過傳輸輪旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，尾部接箍臺肩的影響會發(fā)生跳躍，只有檢測到油管前端經(jīng)過第二組探頭時，第一組探頭落下，為了避開接箍臺肩對探頭的損壞，在油管尾端接箍接觸第一組探頭之前，兩組探頭必須同時抬起，因此造成漏檢區(qū)域大于1000mm。施工現(xiàn)場外加厚油管管端600～800mm位置因偏磨而造成油管試壓過程中被打爆的情況時有發(fā)生。

圖7

2 三維掃描成像曲面計算系統(tǒng)的提出

2.1 設(shè)想

三維掃描成像曲面計算系統(tǒng)即油管在傳輸過程中，通過三維掃描設(shè)備對油管的內(nèi)外壁進(jìn)行全長徑掃描，在系統(tǒng)軟件中實時生成三維圖像，軟件后臺實時進(jìn)行有限元分析，在生成的三維圖像中，對油管的缺陷進(jìn)行標(biāo)識，標(biāo)識的內(nèi)容有：壁厚厚度、缺陷位置及長度、螺紋損傷、接箍損傷等。對達(dá)到一定壁厚和缺陷的油管進(jìn)行實時分級，對滿足報廢標(biāo)準(zhǔn)的油管進(jìn)行報廢標(biāo)記。

2.2 可實現(xiàn)的功能

（1）實時計算功能。一根油管（9．6m）在傳輸過程中進(jìn)行實時掃描、實時計算，掃描、計算、分級、3D打印修復(fù)傳輸過程＜60s。（2）對缺陷實現(xiàn)精確定位功能。對缺陷位置、長度實現(xiàn)精確定位，實現(xiàn)后續(xù)3D打印修復(fù)生產(chǎn)線實現(xiàn)精確位置修復(fù)。（3）實現(xiàn)油管傳輸運動過程中三維掃描。油管經(jīng)過清洗工藝后通過傳輸輪旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，所以必須實現(xiàn)運動中對油管外壁和內(nèi)壁進(jìn)行全程三維掃描。（4）全程實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，無需人為干預(yù)，所有過程全部由計算機命令判斷實施。

2.3 技術(shù)難點

（1）如何實現(xiàn)油管運動中進(jìn)行內(nèi)外壁的全長三維掃描。（2）掃描、計算、缺陷定位必須在限定的時間內(nèi)完成，滿足生產(chǎn)需求，與前端油管清洗生產(chǎn)線速率匹配。（3）對不滿足一級管的油管全部進(jìn)入3D修復(fù)線，修復(fù)后的油管做降級處理，按二級管使用。（4）對缺陷位置實現(xiàn)精確定位，油管傳輸至3D修復(fù)線能實現(xiàn)精確位置修復(fù)。（5）全程實現(xiàn)智能化、無人值守。

3 3D打印修復(fù)技術(shù)的提出

3.1 設(shè)想

油管3D打印修復(fù)技術(shù)是指將三維掃描成像曲面計算不滿足一級管的油管全部傳輸至3D打印修復(fù)線，利用特殊材料對缺陷位置進(jìn)行精確修復(fù)，修復(fù)后的油管各項指標(biāo)滿足一級管要求，但使用必須做降級處理，達(dá)到重復(fù)利用的目的。

3.2 可實現(xiàn)的功能

（1）對壁厚進(jìn)行修復(fù)。實現(xiàn)對不滿足一級油管壁厚要求的位置進(jìn)行修復(fù)，達(dá)到一級油管壁厚要求。（2）對缺陷進(jìn)行修復(fù)。缺陷包括偏磨、腐蝕及坑蝕的內(nèi)外壁修復(fù)。（3）對螺紋進(jìn)行修復(fù)。對偏磨、造扣的螺紋進(jìn)行修復(fù)。（4）全程實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，無需人為干預(yù)，所有過程全部由計算機命令判斷實施。（5）對現(xiàn)有的修復(fù)生產(chǎn)線設(shè)備鋸床、車床進(jìn)行改造，實現(xiàn)信息分析自動螺紋修復(fù)。

3.3 技術(shù)難點

（1）3D打印材料的研發(fā)。3D打印修復(fù)材料必須與鋼材具有較強的融合性、易延展、不脫落；3D打印修復(fù)材料必須價格占有優(yōu)勢，方可推廣應(yīng)用。（2）3D打印修復(fù)的油管必須有可供試驗的場所、達(dá)到相應(yīng)等級油管試壓標(biāo)準(zhǔn)。（3）全程實現(xiàn)智能化，無人值守。