地下儲氣井超聲檢測系統設計

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(安徽省特種設備檢測院,合肥 230041)

高壓地下儲氣井呈細長管狀向地層深處延伸，同時其具有爆炸風險小、占地面積小等優點，是安全性和經濟性完美結合的優良存儲壓縮天然氣的高壓容器，廣泛應用于CNG(壓縮天然氣)汽車加氣站，在民用調峰、工業儲氣等領域逐漸呈現出強大的競爭力。

圖1 儲氣井結構示意

地下儲氣井由井口裝置、套管和井底裝置構成，三者之間均通過螺紋連接，整體無焊接，儲氣井結構示意如圖1所示。儲氣井埋于地下(井口裝置在地面以上)，總深度范圍為50～200 m，容積范圍為2～10 m3，井筒外徑有177.8 mm(壁厚為10.36 mm)和244.48 mm(壁厚為11.05 mm或11.99 mm)兩種規格，公稱壓力一般為25 MPa，在役一般承受10～25 MPa范圍的交變載荷。

地下儲氣井大部分套管都埋于地底下，而地層是一種多孔性腐蝕介質，其中富含水、氧及多種電解質，儲氣井內儲存的CNG也含有一定量的硫化氫和水。這樣的使用環境和受力特點導致儲氣井的主要失效模式為外壁壁厚腐蝕和交變應力腐蝕，多起儲氣井事故的開挖結果分析也驗證了這一失效特點[1]，此外螺紋絲扣密封失效也是常見的失效方式之一。為了保證使用安全，國家相關規定明確要求對儲氣井進行定期檢驗。

當前，檢驗機構對儲氣井的檢驗主要以密集測厚為主，再輔以井下電視系統觀察的技術手段。檢驗方法較為單一，且超聲縱波的壁厚測定僅對環向面狀缺陷的檢測靈敏度高，對徑向缺陷的檢測靈敏度較低。由于角度的原因，甚至無法檢測出徑向缺陷，這是當前儲氣井檢測普遍面臨的技術難題。筆者基于傳統無縫鋼管的超聲檢測原理，設計了儲氣井超聲檢測系統，以實現各種類型和不同角度缺陷的檢測。

1 周向檢測

儲氣井的超聲檢測可以采用水浸法，以水作為耦合介質，縱波直探頭偏置一定距離x，縱波遇套管后產生純橫波，儲氣井周向檢測示意如圖2所示，周向檢測聲場傳播示意如圖3所示。

圖2 儲氣井周向檢測示意

圖3 周向檢測聲場傳播示意

1.1 偏心距x的選擇

套管內產生純橫波，需滿足αⅠ<αL<αⅡ[2]，根據聲波的折射與反射定律，可得

αΙ=arcsin(cL1/cL2)

(1)

α=arcsin(cL1/cS2)

(2)

r×(cL1/cL2)

(3)

式中：αⅠ為第一臨界角；αⅡ為第二臨界角；αL為入射角；cL1為水中縱波聲速；cL2為鋼中縱波聲速；cS2為鋼中橫波聲速；x為偏心距離；r為套管內半徑。

此外，還應使橫波在套管中全反射，且不產生反射縱波，因此橫波斜入射角應大于第三臨界角αⅢ。

α=arcsin(cS1/cL1)

(4)

αL>αΙ

(5)

綜上所述，只需x滿足式(3)，縱波在水/鋼界面就會產生純橫波，且橫波在管中外壁第一次發生全反射，無反射縱波。

1.2 水層厚度

應使水/鋼界面的第二次回波S2位于管子的缺陷波F內(一次波)、F外(二次波)之后，這樣有利于對缺陷的判別[2]。因為水中c水=1 480 m·s-1，鋼中的聲速cs=3 230 m·s-1，c水/cs≈1/2。當水層厚度大于鋼管中橫波聲程的1/2時，缺陷易于判別。

1.3 焦距和聲透鏡曲率半徑

在鋼管水浸法超聲檢測中，為了提高檢測靈敏度，廣泛采用聚焦探頭。同理，地下儲氣井井筒檢測也應采用聚焦探頭，聚焦探頭有線聚焦和點聚焦兩種，一般采用線聚焦探頭。由聲學理論和實際經驗可知，聚焦探頭折射后的焦點應落在井筒外表面上，這時檢測靈敏度最高[3]，焦距F為

(6)

式中：H水為水層厚度；S鋼為鋼管中橫波的聲程；βs為聲束折射角。

此時聚焦探頭聲透鏡的曲率半徑r如式(7)所示[2]。

r=(c1-c2)F/c1

(7)

式中：c1為聲透鏡中縱波聲速，m·s-1；c2為水中波速，m·s-1；F為水中焦距，mm。

1.4 實現100%檢測

在實際檢測中，探頭在自轉過程中，同時在井深方向(縱向)向上或向下運動，是兩個方向的運動合成，檢測軌跡相當于沿著井筒壁的螺旋線, 檢測軌跡示意如圖4所示。

圖4 檢測軌跡示意

如果縱向速度快，探頭旋轉速度慢，合成的檢測軌跡螺旋線的螺距會較大，而導致檢測盲區。為了保證對井筒的100%檢測，探頭縱向速度和旋轉速度必須滿足一定條件，即要保證有不小于15%的檢測覆蓋率。

由上述可知，周向檢測采用線聚焦，探頭縱向無聚焦，縱向的檢測范圍由聲束擴散角θ和探頭至井筒內壁的水層厚度H水決定，聲束照射有效范圍示意如圖5所示，探頭縱向聲場有效檢測長度L如式(8)所示。

L=2×H水×tan(θ/2)

(8)

圖5 聲束照射有效范圍示意

探頭的縱向最大移動速度如式(9)所示。

vmax=0.85×(L/T)

(9)

式中：vmax為檢測系統縱向最大移動速度；L為探頭縱向聲場的有效檢測長度；T為檢測系統的自轉周期。

2 縱向檢測

縱向檢測的超聲探頭系統設計與周向檢測類似。探頭聲場入射角αs滿足αⅠ<αs<αⅡ，管壁內實現全橫波反射；水層厚度大于鋼管中1/2橫波聲程時(H水>0.5S鋼)，滿足缺陷易于判別；為了實現100%縱向檢測，此處可以沿著井筒圓周方向均勻對稱布置多個探頭，如4，8，16，32，64個等。文中檢測系統為32個通道。多個探頭的設計可以保證探頭旋轉速度不變的情況下，成倍數地增加縱向檢測速度(n個探頭，即可提高n倍)，大大提高檢測效率。

3 居中扶正裝置設計

為了保證檢測系統能夠按照設計的角度和距離進行檢測，要設計一套保證檢測系統精確穩定地處于相對位置空間的居中扶正系統，設計的居中扶正裝置外觀如圖6所示。

圖6 居中扶正裝置外觀

居中扶正裝置由上下兩套居中裝置構成，上居中裝置外觀如圖7所示，其由3個外彈裝置(見圖8)和3根彈簧沿圓周均勻布置。

圖7 上居中裝置外觀

圖8 外彈裝置

在彈簧的拉力作用下，活動的小滑輪有一個向外正對井內壁的作用力，3個力相互平衡，使檢測探頭居中。

采用該套居中扶正裝置的超聲密集測厚系統采集的井筒壁厚數據如圖9所示。

圖9 井筒的超聲壁厚檢測數據

該檢測數據是在動態豎向運動下實時采集的，厚度數據光滑連續，表明該扶正裝置能保證超聲測厚探頭聲場角度的動態穩定性，能保證探頭的居中位置穩定性和檢測可靠性，不受動態擾動的影響。

4 結語

通過對超聲檢測系統各項參數進行詳細分析，設計了一套儲氣井超聲檢測系統。由于多個探頭在圓周方向同時觸發，各個探頭的超聲波會在周向互相干擾，影響結果判定的準確性，因此周向檢測未考慮采用布置多個探頭的形式，而縱向檢測不存在此問題。實際應用證實，居中扶正裝置在動態測厚時能保證探頭的居中和數據采集的穩定可靠。