閘板防噴器殼體側門超聲相控陣檢測技術

王仕強 于佩航 徐勇軍 何莎 徐強 俞嘉敏 趙琪月

摘要：閘板防噴器作為井控關鍵設備，其側門密封部位一直是薄弱環節，在高壓沖擊及循環載荷下局部區域將出現應力集中，進而產生疲勞裂紋。為了在不拆卸閘板防噴器的情況下有效檢測出側門密封部位的裂紋缺陷，采用ABAQUS有限元分析了2FZ35—70雙閘板防噴器殼體側門方腔部位承壓情況下的應力分布，發現應力主要集中于側門方腔矩形角部位。針對應力集中部位，首先采用超聲相控陣仿真模擬區分了結構回波與缺陷回波，對缺陷進行了定性與定量分析；然后對含有人工模擬缺陷的試塊進行實際檢測試驗，在上述仿真分析的基礎上可準確快速地判斷缺陷回波與結構回波。研究結果表明，實際檢測結果與仿真分析結果基本相符，超聲相控陣檢測仿真模擬對現場實際檢測具有指導意義，可為現場檢測提供參考數據，進一步提高現場檢測的效率。

關鍵詞：閘板防噴器；殼體；側門方腔；應力集中；超聲相控陣

中圖分類號：TE931 文獻標識碼：A DOI：10.16082／j．enki．issn．1001-4578.2022.12.003

Ultrasonic Phased Array Inspection Technology for Side Door of Ram BOP Shell

Wang ShiqiangYu Peihang' Xu Yongjun' He Sha' Xu Qiang' Yu Jiamin' Zhao Qiyue'

（1.Safety and Entironment Protection Quality Superrision&Testing Research Institute，CNPC Chuanging Drilling Engineering Co.，Ltd.;2.Laboratory of Product Quality Control and Technology Eealuation for Industry（Oil Well Control and Drilling and Pro- duction Equipment）;3.CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co.，Ltd.）

Abstract：Ram BOP is the key equipment of well control and the sealing part of its side door has always been a weak point.Under high pressure impact and cyclie load， stress concentration occurs locally，producing fatigue cracks.In order to effectively deteet the crack defects at the sealing part of side door without disassemblingthe ram BOP，the ABAQUS finite element method was used to analyze the stress distribution in the square chamber of the side door of 2FZ35-70 double-ram BOP shell under pressure，indicating that the stress is mainly concentrated at the rectangular corner of the square chamber of the side door.Firstly，the stress concentration area was simulated by using ultrasonic phased array to distinguish the structural echoes from detect echoes and analyze the defects qual- itatively and quantitatively.Then，the test pieces with artificially simulated defects were detected.Based on the simulation analysis，the defect echoes and structural echoes were distinguished quickly and accurately.It is found that the detection results are basically consistent with the simulation analysis results. The ultrasonic phased array inspection simulation provides guidance and reference data for on-site inspection，which further improves the in- spection efficiency.

Keywords： ram BOP;BOP shell;square chamber of side door;stress concentration;ultrasonic phased array

0引言

閘板防噴器作為井控關鍵設備之一廣泛應用于鉆井現場，具有密封性能強、可靠度高及耐高壓等特點，并可以根據不同現場工況裝配半封閘板、全封閘板、剪切閘板以及變徑閘板［1—3］。在具備多功能性和高可靠性的前提下，防噴器在油氣井正常作業和緊急情況下都必須保證良好的狀態。但是，由于受防噴器結構與使用工況的限制，通常對側門采用端面強制密封，導致閘板防噴器側門密封部位一直是薄弱環節，易發生泄漏［4］。側門主要失效形式包括側門螺栓的彈性變形，側門密封圈因接觸應力而松弛產生微小間隙，高壓作用下的彎曲變形等。同時，殼體作為防噴器關鍵承壓部件，在高壓沖擊載荷下側門局部區域將出現應力集中［5］，快速關井時產生的高壓水擊波在衰減過程中將反復沖擊殼體，使其出現疲勞裂紋，甚至發生脆性斷裂。由于閘板防噴器殼體壁厚較厚且連接件較多，利用常規無損檢測（如磁粉［6］、滲透、射線［8］以及常規超聲手段都存在一定的局限性，而耐壓試驗僅能保證其使用壓力，無法在不拆卸防噴器的情況下檢測出殼體內部的裂紋等缺陷。目前較為常用的檢測方式為聲發射檢測技術，相較于傳統無損檢測方法有一定的適用優勢，可以檢測動態裂紋以及結構形式復雜的構件。但是該技術對材料較為敏感且容易受到環境因素的干擾，并且動態缺陷檢測僅能實現定性檢測，無法進行定量檢測，同時對缺陷的檢測具有不可逆性，不能對其進行重復驗證。

超聲相控陣技術相比于常規超聲技術，在保證檢測靈敏度的前提下，不移動探頭或少移動探頭可以掃查大厚度工件和復雜形狀工件的各個區域，做到全方位多角度的快速檢測［14—15］。另外，超聲相控陣技術無需聲透鏡便可完成聲束聚焦，能靈活有效地控制聲束，實現復雜工件和盲區位置缺陷的檢測。因此，筆者首先對閘板防噴器殼體進行受力仿真分析，確定殼體側門方腔的應力集中部位；然后利用超聲相控陣技術對應力集中部位進行仿真模擬檢測與實際檢測試驗。

1 閘板防噴器材料力學性能

2FZ35—70雙閘板防噴器的材料為25CrNiMo，對按照國標 GB／T 228.1—2010加工的試件進行貼片，檢測應力應變在單根試件上按180°分布設置2個點，并在另一根試件上布置2個點作為補償片，如圖1a所示。采用MTS—810液壓式萬能試驗機對貼片后的試件進行加載，當拉伸試件在MTS試驗機載荷作用下產生應變時，利用DEWE501系列動態應變儀測量電阻應變片阻值的變化，以測定試件指定部位的環向應變和軸向應變，其測量電橋示意圖如圖1b和圖1c所示。圖2為25CrNiMo試件應力-應變曲線。

通過對3組試件應力應變曲線分析及斷裂后尺寸的測量，最終得到閘板防噴器殼體材料力學性能，如表1所示。閘板防噴器殼體材料為25CrNiMo，名義屈服應力為414 MPa，實測屈服強度為456 MPa。

2 閘板防噴器殼體仿真模擬分析

采用ABAQUS軟件對閘板防噴器殼體進行有限元分析，分析時采用C3D10I單元，該單元適合計算結構在壓力作用下的表面應力。利用自由網格劃分，根據收斂性分析結果，整體模型單元尺寸最終確定為20mm，同時進一步細化局部應力集中區域網格。整個閘板防噴器殼體有限元模型單元數約70萬，節點總數約100萬。整體網格模型及側門方腔矩形角區域細化網格模型分別如圖3a和圖3b所示。閘板防噴器工作原理為高壓液壓油進入液壓區，在高壓作用下活塞推動閘板將井口封閉。結構發生疲勞現象的主要原因是載荷的交變作用，此處模擬加載及卸載反復的過程導致載荷的交變。

根據防噴器工作原理在殼體上施加相應的工作載荷70MPa，并對其進行受力分析，應力分布云圖如圖4所示。從圖4a可以看出，應力主要集中在殼體側門方腔矩形角處與主通徑倒角處。此處關注的重點側重于側門方腔應力集中部位，矩形角處對應的應力值如表2所示。另外，將整個結構按照不同的應力水平呈現，圖4b為單元節點Mises應力超過400 MPa的區域。可發現整個結構超過400MPa的區域僅1個節點，該節點位于圖4b中所示的應力集中區域。由于防噴器殼體存在4個相同的應力集中區域，而其余3處區域應力并未超過350MPa，判定該區域應力達到417 MPa是網格劃分所導致的計算誤差，實際該節點處Mises應力不會達到417 MPa，即工作載荷70 MPa下殼體的最高應力小于殼體材料屈服強度，殼體一般不會發生塑性變形。但是在交變應力的作用下，防噴器殼體在應力集中部位容易產生疲勞裂紋，進而發生疲勞破壞［16—17］。因此，需要采用在不拆卸防噴器的情況下對閘板防噴器殼體（見圖5）側門方腔矩形角處進行缺陷檢測，以保障防噴器的安全使用。

3 超聲相控陣檢測仿真分析

3.1 試件與缺陷加工

針對閘板防噴器側門方腔矩形角處的超聲相控陣檢測，按照1：1比例加工側門方腔試件，如圖6所示。同時，對矩形角部位進行人工模擬裂紋加工，人工缺陷參數如表3所示。

3.2 仿真分析

采用CIVA軟件可模擬檢測各種復雜結構工件，并通過結果分析能夠得出較好的檢測工藝參數。該軟件可根據不同情況設置合適的檢測工藝參數，用于聲束模擬，同時也可以模擬缺陷信號的響應情況［18］。本文采用的探頭為5L64—A2，實際激發晶片數量為32，晶片中心間距為0.5mm，楔塊型號為SA2—N55S，角度為36°，采用接觸式反射法橫波入射，扇形掃查偏轉角度為30°～60°。將探頭分別放置于位置1和位置2對矩形角進行掃查，如圖7所示。結合2種不同位置的掃查，可將掃查范圍覆蓋整個矩形角區域。

由于閘板防噴器側門存在螺栓連接孔以及倒角等特殊結構，利用超聲相控陣對其進行檢測時會出現多種信號回波，包括特殊結構信號的回波以及缺陷信號回波。所以需對各種信號回波進行有效區分，以避免在實際檢測過程中產生誤判。對閘板防噴器側門方腔矩形角的超聲相控陣檢測進行仿真分析，如圖8所示。缺陷A和缺陷B的扇掃圖像中存在缺陷信號回波以及螺紋孔的結構信號回波，2種信號回波距離相對較遠，可以相對快速地對其進行區分，同時通過分析缺陷信號回波，可以判斷出缺陷的長度并做出定量分析。缺陷C的扇掃圖像中存在缺陷信號回波以及側門方腔矩形角的結構信號回波，2種信號回波距離較近，需對扇掃圖像進行仔細分析，以區分2種信號回波。因此，對含有復雜結構的閘板防噴器側門首先采用超聲相控陣檢測仿真模擬分析，對其復雜結構導致的多種信號回波做出準確判斷，從而對現場實際檢測起到一定指導作用。

4 超聲相控陣檢測試驗

根據仿真分析結果，采用Phascan超聲相控陣設備從2個不同方向對側門矩形角部位進行檢測分析，檢測結果如圖9所示。對于缺陷A和缺陷B可以明顯區分出模擬裂紋缺陷信號回波以及螺紋孔的結構信號回波，與仿真分析結果基本一致。而對于缺陷C，其扇掃圖像分析顯示，除模擬裂紋缺陷信號回波外，還出現了螺紋孔結構信號回波與矩形角處結構信號回波，其結果與仿真結果存在一定差異，這是由于實際掃查過程中探頭放置位置與仿真分析中存在差異。但是，對缺陷信號回波與結構信號回波同樣可以做出準確判斷。另外，通過進一步分析相控陣扇掃圖像，可以對模擬裂紋缺陷長度進行定量分析。依據扇掃圖像中的標尺，可以計算出缺陷A的長度約為9.8mm，缺陷B的長度約為40.3mm，與模擬裂紋實際尺寸基本一致。然而，圖8中仿真模擬分析的缺陷B僅一個信號回波，無法對缺陷進行定量分析，但實際檢測過程中可以做出定量分析。同時，從圖9中扇掃圖像中也無法分析出缺陷C的長度。以上2種情況可能是由于實際檢測過程中手動掃查方式存在偏移，導致部分信號回波出現差異。另外，缺陷A、B和C的信號波幅分別為—9.1、10.1和—9.9dB，同樣深度下校準橫孔的參考波幅分別為9.5、8.7和7.4dB，如表4所示。針對其模擬裂紋缺陷，其裂紋長度由10mm增加至40mm，深度由3mm增加至8mm后，其缺陷信號波幅由—9.1dB增加至10.1dB，幅值增加19dB。這表明隨著裂紋長度及深度尺寸的增加，其信號幅值隨之增大。通過結合信號幅值的判斷，可以更為準確地分析出被檢工件的內部情況。

5結論

（1）閘板防噴器殼體側門在額定工作載荷70MPa下，其應力主要集中于殼體側門方腔倒角處，且最大應力小于殼體材料屈服強度，因此殼體不會發生塑性變形。

（2）針對閘板防噴器側門薄弱點（方腔矩形角）的超聲相控陣檢測進行仿真分析，可準確區分出結構信號回波與缺陷信號回波，對缺陷做出定性及定量分析。

（3）超聲相控陣檢測仿真模擬對現場實際檢測具有指導意義，可為現場檢測提供參考數據，進一步提高現場檢測的效率。

參考文獻

[1]陳惠琴，唐波，何為.閘板防噴器密封失效原因及對策分析［J］．天然氣工業，2006，26（11）：80—82．

CHEN H Q， TANG B，HE W. Analysis on causes of sealing failure of ram BOP and corresponding preventive measures [J].Natural Gas Industry，2006， 26 （11）：80-82.

[2]張寶生，陳家慶.可變徑閘板防噴器結構研究［J］.北京石油化工學院學報，2005，13（3）：56—60．

ZHANG B S，CHEN J Q. Research on structure of var- iable bore ram blowout preventer [J].Joumal of Bei- jing Institute of Petrochemical Technology，2005，13 （3）：56-60.

[3]肖力彤，宋振華，楊登樹.特大型鉆井單閘板防噴器的研制［J］．石油機械，2006，34（7）：38—39，52．

XIAO LT， SONG Z H， YANG D S. Development of huge single-ram blowout preventer used for drilling [J]. China Petroleum Machinery，2006，34（7）：38-39， 52.

[4]肖力彤，宋振華，鄭泳，等.閘板防噴器側門密封失效研究［J］．鉆采工藝，2009，32（5）：65—67．

XIAO L T，SONG Z H， ZHENG Y，et al.Study on ram preventer side-door sealing invalidation [J].Drill- ing&Production Technology，2009，32（5）：65-67.

[5]唐洋，劉清友，杜利，等.閘板防噴器殼體應力分布試驗測試與分析［J］．石油機械，2013，41（7）：15-18，32.

TANG Y，LIU Q Y， DU L，et al. Testing and analysis of ram BOP housing stress distribution [J].China Pe- troleum Machinery，2013，41（7）：15-18，32.

[6]姚力，賴德明.焊縫缺陷磁粉檢測結果的統計分析［J］．無損檢測，2000，22（9）：397—399．

YAOL，LAI D M. Statistic analysis on magnetic parti- cle defect detection results of welds [J].Nondestruc- tive Testing，2000， 22（9）：397-399.

[7]馬國，賈華東，盧長煜，等.磁粉檢測與滲透檢測在工程機械結構件無損檢測中的應用［J］.無損檢測，2019，41（2）：62—64．

MA G，JIA H D， LU C Y， et al. Application of mag- netic particle detection and penetration detection in non- destructive testing of construction machinery structural component[J].Nondestructive Testing，2019，41 （2）：62-64.

[8]JIANG H Q， LIANG Z M， GAO J M，et al. Classifi- cation of weld defect based on information fusion tech- nology for radiographie testing system [J].Review of Scientific Instruments，2016，87（3）：035110.

[9]張棟梁.射線檢測、全自動和手動超聲檢測對缺陷檢出的比較［J］．無損檢測，2006，28（9）：502—503．

ZHANG D L. Comparison between radiographic inspec- tion，automatic ultrasonic inspection and manual ultra- sonic inspection for defect detection [J].Nondestruc- tive Testing，2006，28（9）：502-503.

[10]湯楠，穆向陽，徐娟.基于超聲檢測的管道內腐蝕缺陷識別研究［J］．石油機械，2005，33（11）：54-56，71.

TANG N， MU X Y， XU J. Study onrecognition of corrosion in pipeline based on ultrasonic inspection[J].China Petroleum Machinery，2005，33（11）： 54-56，71.

[11]趙俊茹，戴光，姚鴻濱.防噴器殼體材料拉伸過程的聲發射特性試驗［J］．無損檢測，2011，33（7）：18-20.

ZHAO J R， DAI G， YAO H B. Experimental re- search of the acoustic emission （AE） characteristics during the tensile process of the shell material of blow- out preventer [J].Nondestructive Testing，2011， 33 （7）：18-20.

[12]GENG R S. Modern acoustic emission technique and its application in aviation industry [J].Ultrasonics， 2006，44 Supplement：e1025-e1029.

[13]LEE M R， LEE J H. Acoustic emission technique for pipeline leak detection [J].Key Engineering Materi- als，2000，183/187：887-892.

[14]LOPEZ A B，SANTOS J，SOUSA J P，et al. Phased array ultrasonic inspection of metal additive manufac- turing parts [J].Joumal of Nondestructive Evalua- tion，2019，38（3）：62.

[15]LI W T，ZHOU Z G， LI Y. Inspection of butt welds for complex surface parts using ultrasonic phased array [J]. Ultrasonics， 2019，96：75-82.

[16]高文柱，吳歡，趙永慶.金屬材料疲勞裂紋擴展研究綜述［J］．鈦工業進展，2007，24（6）：33—37．

GAO W Z， WU H， ZHAO Y Q. Summary of fatigue crack growth study on metallic material [J].Titanium Industry Progress，2007，24（6）：33-37.

[17]楊洪琴，鮑蕊，錢秀清，等.溫度／交變載荷作用下裂紋擴展模型及其參量確定［J］.機械強度，2010，32（4）：651-655.

YANG H Q， BAO R， QIAN X Q， et al. Thermal- mechanical crack propagation model and its parameters determined [J]. Journal of Mechanical Strength， 2010，32（4）：651-655.

[18]楊鵬飛，寧寧，彭智偉，等.基于CIVA仿真的孔壁裂紋超聲相控陣檢測分析［J］.無損探傷，2021，45（4）：10-13.

YANG P F，NING N，PENG Z W，et al.Ultrasonic phased array testing analysis of hole wall crack based on CIVA simulation [J].Nondestructive Testing Technology，2021，45（4）：10-13.

第一作者簡介：王仕強，工程師，生于1987年，2014年畢業于西南石油大學機械制造及其自動化，獲碩士學位，現從事石油裝備檢測評價及自動化裝備研發工作。地址：（618300）四川省廣漢市。E-mail：wangsq＿88＠163．com。

收稿日期：2022—06—06

（本文編輯 劉峰）