基于有限元建模的復(fù)雜部位的相控陣柔性探頭研究

陳立江，王宏，周建平，傅登偉，蔡慶生，尹璐

（1.新疆油田公司實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2.多浦樂電子科技股份有限公司，廣東 廣州 510000）

在油氣田的開發(fā)過程中，會大量應(yīng)用井口裝置主要零部件，如SAGD注汽六通兩翼反液出口、高壓天然氣井井口異徑接頭、承壓本體、彎頭、閥門等。此類裝置中有諸多曲面構(gòu)件，一旦應(yīng)用于存在質(zhì)量問題的井口裝置，可能會造成嚴重的事故。因此，需要對其進行無損檢測方法的研究，完善檢測工藝，從而有效判斷井口裝置的質(zhì)量。

超聲波測量具有非介入、設(shè)備簡單和精度高的優(yōu)點，在工業(yè)上廣泛應(yīng)用于缺陷檢測。由于井口裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在圓角曲面結(jié)構(gòu)，采用常規(guī)的線性相控陣超聲探頭無法滿足檢測需求，需要采用柔性相控陣檢測技術(shù)進行檢測。

1 相控陣仿真分析

仿真時，選定的超聲頻率為7.5MHz，焦距設(shè)置為10mm，建立有限元超聲仿真模型，根據(jù)柔性相控陣動態(tài)聚焦方法，需要對各個晶元施加延時，達到精準控制聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦目的，其延時計算公式如下：

根據(jù)相控陣超聲的原理，仿真時，依次施加在壓電陶瓷的激勵信號是由高斯窗函數(shù)對正選信號調(diào)制而來的，其數(shù)學模型如下：

式2中，A為激勵脈沖峰值，σ為脈沖標準差，f為激勵信號中心頻率，各個晶元施加激勵信號的波形如圖1所示。

圖1 激勵信號

本文研究井口裝置小四通，工件外表面均為曲面結(jié)構(gòu)，主要的研究目標為2個管道交接處凹面的檢測方法。工件的凹面為被檢測面，凸面為底面，在有限元模型內(nèi)設(shè)置1個直徑為2mm的圓孔作為檢測缺陷，其中缺陷距離管道內(nèi)壁底面的長度記為H，分別構(gòu)建了H=2mm、H=7mm和H=12mm 3個不同深度的有限元仿真模型。

聲波在不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)下會產(chǎn)生不同的傳播路徑，對于缺陷深度不一的仿真，截取聲束在經(jīng)過缺陷后產(chǎn)生回波回傳的云圖，如圖2所示的有限元仿真聲波云圖。可以清晰的觀察出聲束在接觸到缺陷時有部分發(fā)生了反射，產(chǎn)生的回波按照聲波發(fā)射的路徑回傳到相控陣柔性探頭里，還有一部分聲波按照正常軌跡繼續(xù)往更深處的底面?zhèn)鞑ィ敝两佑|底面。

圖2 有限元仿真聲波云圖

相控陣超聲設(shè)備1次激勵8個晶元進行一次發(fā)波，在被檢測面的凹面設(shè)置了8個晶元，8個壓電陶瓷按相控陣動態(tài)聚焦設(shè)定的延時依次發(fā)波。在有限元仿真的過程中，各個晶元都作為超聲波信號的發(fā)射器和接收器，各個陣元接收到空腔回波信號，聲壓為各陣元輻射聲壓之和，進行矢量疊加，得到空腔回波的聲壓，如式3所示。

將各個晶元接收到的回波信號疊加后，得到缺陷回波信號的波形，H=2mm、H=7mm和H=12mm的仿真波形如圖3所示，在0.5～1.2us時段的波形為施加的激勵信號，在設(shè)定不同H下，三者的波形重合，確保了激勵信號的一致。聲束在經(jīng)過不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，會產(chǎn)生不同的反射情況最終會反映到回波信號上。根據(jù)接收超聲波回波的特征，可評估試樣內(nèi)部存在缺陷的位置和大小。因為H=12mm的模型缺陷最靠近工件的被檢測面，在s=3.4us時，最先接收到了缺陷的回波信號，且回波的幅值最大；在s=5us時，H=7mm的模型也接收到了缺陷的回波信號；H=2mm的模型，在s=6.7us時，接收到缺陷的回波信號，且回波的幅值是最小的。最后3個不同模型的回波在s=7.7us時重合，此刻產(chǎn)生的回波是井口裝置試樣底面的回波信號，雖接收到的幅值不一致，但是時間位是相同的。可以得出結(jié)論，在施加激勵信號相同的情況下，預(yù)置缺陷的不同深度情況會反映在回波信號的時間位上，隨著深度的增加，產(chǎn)生回波信號的時間也隨之增加，近乎呈正比關(guān)系。

圖3 不同H的仿真波形

仿真時設(shè)置的缺陷間隔5mm，根據(jù)脈沖反射法，如式4所示：

式4，??為時間差，c為聲速5980m/s，h為深度5mm。通過公式可以計算出設(shè)定缺陷間隔h=5mm時，2個缺陷存在?? =1.6us的時間差，忽略仿真結(jié)果存在的誤差，可以認為仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果一致，證明了有限元仿真的正確性和采用柔性相控陣檢測技術(shù)的方法在凹面處檢測井口裝置的可行性。

2 超相控陣檢測

設(shè)置井口裝置關(guān)鍵零部件預(yù)置缺陷，將工件切割分離，從試樣的管道內(nèi)部往下鉆直徑為2mm的平底孔，鉆孔深度分別為2mm、7mm和12mm，井口裝置預(yù)置缺陷實物圖，如圖4所示。

圖4 井口裝置預(yù)置缺陷圖

相控陣柔性探頭需要緊貼在試樣的凹面進行檢測，相控陣柔性探頭可以根據(jù)被檢測物體表面的曲率進行變化，配合耦合劑的使用，可以很好的解決井口裝置表面粗糙和曲率不匹配的問題。如圖5所示，為不同缺陷相控陣超聲圖譜，每個超聲圖譜的頂端都有一段不規(guī)則的紅色斑點，此處的檢測結(jié)果受表面粗糙度的影響，不涉及工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，此部分不影響結(jié)果。在工件內(nèi)部產(chǎn)生雜波的影響較小，在超聲圖譜結(jié)果中顏色最深的區(qū)域是試樣的底面，這3個檢測結(jié)果底面的深度是相同的，而工件中預(yù)置的3個不同深度的缺陷都在圖5中用紅色圓圈標記，且在檢測出缺陷后，能夠檢測出井口裝置的底面。因此，采用相控陣柔性探頭進行檢測，能夠直觀地顯示缺陷的位置和分布，滿足井口裝置的檢測需求。

圖5 不同缺陷相控陣超聲圖譜

相控陣超聲圖譜的結(jié)果能夠與有限元仿真的結(jié)果相對應(yīng)，將計算機模擬晶元在不同時刻接收到的數(shù)據(jù)結(jié)果繪制成數(shù)據(jù)面圖，如圖6所示，圓圈位置出現(xiàn)的波紋，是根據(jù)晶元接收到預(yù)置缺陷的回波信號繪制的，有限元仿真的不同缺陷深度結(jié)果能夠與預(yù)置缺陷的深度不同相對應(yīng)，與實際的檢測結(jié)果相吻合。

圖6 有限元仿真數(shù)據(jù)面圖

使用柔性相控陣探頭對預(yù)置好缺陷的井口裝置進行缺陷的檢測及采集，在耦合良好的情況下，對缺陷的發(fā)現(xiàn)能力比較直觀，便于檢測人員判斷缺陷，提高檢測結(jié)果的準確性。

通過對有限元仿真的結(jié)果和相控陣超聲檢測結(jié)果進行對比，經(jīng)過分析比較，仿真結(jié)果與檢測結(jié)果能夠一一對應(yīng)，在對井口裝置的曲面進行缺陷檢測時，能夠準確地對缺陷進行定位，說明使用相控陣超聲技術(shù)進行檢測可行。

3 結(jié)語

通過對試樣預(yù)置缺陷進行相控陣超聲檢測實驗，結(jié)合計算機模擬分析，驗證相控陣柔性探頭在檢測的閥體、彎頭等復(fù)雜部位的可行性，形成一套完整的井口裝置柔性相控陣檢測方法，推進在用井口裝置檢測評價工作的順利開展，進一步保證油田的安全生產(chǎn)。曲面結(jié)構(gòu)在諸多部件上都存在，廣泛運用在各個領(lǐng)域，本文研究了相控陣柔性探頭檢測井口裝置復(fù)雜部位內(nèi)部缺陷檢測的難題，同時滿足了其他部件的曲面結(jié)構(gòu)檢測需求，可推廣運用到諸多領(lǐng)域。