基于相控陣超聲的采油樹法蘭鋼圈槽檢測工藝研究

摘"" 要：針對采油樹閥門法蘭鋼圈槽的檢測工藝問題，利用相控陣超聲檢測技術可形成具有不同角度的扇掃掃查方式。在模擬試塊上進行反復試驗，通過對檢測工藝的研究與分析，確定采油樹閥門法蘭鋼圈槽的檢測工藝。工藝驗證證明，研究的檢測工藝可有效避開法蘭上螺栓工藝孔對鋼圈槽側壁和底部進行檢測，采用斜入射扇掃方式及精確的聲束角度設置可以檢測到位于在工藝孔下方的鋼圈槽底部缺陷，以及不同大小缺陷的回波幅度。回波幅度和掃查中所形成的缺陷面積及實際缺陷大小呈正比關系。

關鍵詞：采油樹;法蘭;相控陣超聲;檢測工藝

中圖分類號：TE952"""""""" 文獻標志碼：B""""""" doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.01.012

收稿日期： 2024-07-29

基金項目： 中海油科研項目“海上在役井井口裝置完整性檢測評估技術研究”（HFKJ-AH-STS202310）;中海油科研項目“基于視覺識別的海上石油作業人員不安全行為分析及預警技術研究”（KJGG-2024-17-0102）。

作者簡介： 李東杰（1993-），男，山東壽光人，工程師，碩士研究生，現主要從事石油天然氣工程安全風險評估及安全技術研發等方面的工作，E-mail：lidj25@cnooc.com.cn。

Research on the Inspection Process of the Flange Steel Ring Groove of Christmas Tree Based on Phased Array Ultrasonic

LI Dongjie1，WU Qibing1，LI Yuke2，ZHANG Shichao1，LI Yue1，WANG Guannan1

（1.CNOOC Safety amp; Technology Services Co.， Ltd.，Tianjin 300450，China;

2.Wuhan Zhongke Innovation Technology Co.， Ltd.，Wuhan 430074，China）

Abstract： In response to the issues encountered during the detection process of the flange steel ring groove of Christmas tree valves， a phased array ultrasonic detection technology-based fan scanning inspection method with varying angles was devised. A series of experiments was conducted on simulated test blocks. Following an in-depth examination of the detection process， the procedure for examining the flange steel ring groove of Christmas tree valves was established. The process validation experiment demonstrates that the detection process studied and analyzed in this article can effectively circumvent the bolt process holes on the flange， thereby enabling the detection of the side walls and bottom of the steel ring groove. By employing the oblique incidence fan scanning method and precise sound beam angle setting， the echo amplitude of defects of varying sizes situated below the process holes can be discerned， and the defect area formed in the scan is directly proportional to the actual defect size.

Key words： subsea trees; flange; phased array ultrasound; testing process

文章編號：1001-3482（2025）01-0073-05

采油樹是油氣生產的重要井口設備，其性能的優劣直接關系到油氣井能否安全、高效生產[1]。海上井口采油樹長期處于惡劣的海洋環境和復雜的工況條件下，隨著其投入使用年限的增長，會不可避免的出現腐蝕、沖蝕、滲漏及功能故障等缺陷[2]。特別是在閥體內部、頸部以及法蘭鋼圈槽中容易產生腐蝕或裂紋類缺陷。采油樹內部承受較大的生產壓力導致缺陷四周應力集中現象的產生，給油氣井生產帶來重大的安全隱患，因此進行采油樹裝置缺陷檢測非常必要。

井口裝置外形不規則，通常采用滲透、磁粉等表面檢測方法只能對工件表面、近表面檢測，無法檢測內部缺陷。射線檢測受特殊結構，壁厚差異較大，易產生布片困難以及檢測靈敏度低等問題，造成缺陷漏檢。常規超聲受壁厚和曲率等影響，存在缺陷信號識別難、缺陷定性及定位難、檢測部位是否完全覆蓋等問題[3]。因此采用超聲相控陣檢測技術進行采油樹閥門相關的檢測工藝研究是必要的[4-5]。

1 檢測對象

采油樹閥門上的法蘭（如圖1所示）一般都成對出現，在上下法蘭連接面上各開有鋼圈槽，連接法蘭時，鋼圈放置在槽中，用螺栓將法蘭拉緊，通過鋼圈與槽面間的緊密嚙合來實現密封，因此除了法蘭本體之外，法蘭鋼圈槽的檢測也尤為重要。

2 檢測工藝

鑒于被檢測對象結構型式不規則，且檢測部位較多，在法蘭位置還有用于連接螺栓的工藝孔，因此有必要對法蘭鋼圈槽超聲檢測工藝進行研究。

2.1 檢測面的選擇

超聲波檢測需要探頭與檢測工件緊密接觸，對于不規則的外表面，針對不同檢測部位和可接觸面的大小來選擇合適的檢測面，并根據檢測面選擇合適的波形激發模式，保證覆蓋整個檢測部位，并讓聲束與可能存在的缺陷形成相互垂直的關系以獲取最佳反射。尤其對于點狀缺陷和與聲線垂直的面狀缺陷時，聲波能較好地反射回探頭，因此，檢測面要考慮缺陷的方向。對于法蘭鋼圈槽來說，其結構特殊，只有法蘭圓周面可以作為檢測面，但該面為曲面，要考慮到聲線入射后的變化，以及對底面和側面的缺陷存在的方向性選擇合適的入射角度。

2.2 掃查方式

相控線陣系統能夠通過電子發射和接受合成的相位控制，實現聲束的掃查。主要包括線掃和扇掃兩種方式[6-7]。

相控陣線掃也叫B掃或電掃（E-Scan），具體實施為固定角度聲束[8]，其各個聲束具有完全相同的角度和聚焦特性，靈敏度一致，檢測能力一致，橫向分辨率高，能實現較長距離的一維電子掃查[9]。

相控陣扇掃一般指固定聲束位置，連續偏轉合成聲束的角度，記錄每個聲束的A掃波形數據，以聲束掃描角度和回波傳輸延時確定像素的位置，回波幅度確定像素的亮度或彩色，顯示所有回波記錄的過程[10-11]。形成的圖像外形像一個扇面（扇掃圖像）。扇掃的各個聲束具有相同的合成孔徑，聚焦深度具有一定規律，可以用等聲程聚焦、等深度聚焦或等距離聚焦[12-14]。掃描范圍隨深度增加而擴大，探頭體積小，耦合面小，檢測靈活[15-16]。

對于法蘭鋼圈槽中易出現的裂紋這種具有不同方向性的缺陷，具有不同角度的扇掃是更合適的選擇。

2.3 聲場覆蓋

采油樹閥門法蘭結構設計有數個用于螺栓連接工藝孔。在相控陣探頭環繞法蘭圓周面檢測時，對檢測區域的有效覆蓋是十分重要的。因此，本文對法蘭鋼圈槽的底部及側壁分別設計了兩種掃查方式。

2.3.1 法蘭鋼圈槽底部缺陷檢測

對于法蘭鋼圈槽檢測，由于聲束首先需先穿過整個法蘭才能到達鋼圈槽，而法蘭厚度較大，因此選用縱波以保證有足夠靈敏度。而對于法蘭鋼圈槽底部缺陷，由于法蘭上螺栓工藝孔的存在會阻擋聲波的傳播，因此選用斜入射方式，保證聲束能在無工藝孔的位置入射到鋼圈槽。為了保證相控陣探頭環繞檢測一周后實現100%聲場覆蓋，只需要相控陣探頭的聲束角度范圍設置滿足其起始角度不大于0°，終止角度的設置可以使終止聲束線與鋼圈槽底部的交點超過法蘭螺栓工藝孔的中點，如圖2所示。通過這種設置，當執行單面雙側掃查時就可以實現法蘭鋼

圈槽底部的全覆蓋掃查。

2.3.2 法蘭鋼圈槽側壁缺陷檢測

對于法蘭鋼圈槽側壁缺陷，缺陷位于側壁上，根據鋼圈槽的制作工藝，缺陷相較于法蘭圓周面具備一定角度，若探頭的主動孔徑方向依然與法蘭圓周面長度方向平行，則在檢測過程中，探頭聲束線大部分聲能將會反射向其他方向，只有少部分聲能可以原路返回。這種情況將導致回波波幅下降，影響缺陷檢測結果。

為了提高檢測靈敏度，本文采用相控陣的橫向掃查方式，即相較于鋼圈槽底部缺陷檢測中探頭的掃查方式，將探頭旋轉90°，使探頭的主動孔徑方向與法蘭圓周面長度方向垂直，如圖3所示。相控陣橫

向掃查方式將會使得相較于鋼圈槽側壁缺陷獲得具有更多角度的聲束，從而能夠對方向性缺陷，如裂紋等實現更好的檢測效果。

2.4 探頭設計

探頭的尺寸與頻率應根據檢測面情況和檢測要求來制定。對于相控陣探頭，還應在試驗過程中確定陣元數量與聚焦位置等參數。確保每個位置都能讓聲場有效地覆蓋到整個被檢測部位，保證檢出率。由于在曲面上進行檢測，探頭尺寸不宜過大，否則影響耦合，因此選擇晶片數更少的探頭，同時為了保證聲波能量滿足檢測靈敏，應考慮增加單個晶片尺寸。

對于法蘭鋼圈槽中的兩個檢測區域，選用了5L32-0.6×10型和7.5L32-0.25×10型兩種探頭進行檢測試驗。設備采用中科創新的HS PA30-E型，對后文中的模擬試塊進行檢驗對比。鋼圈槽底部缺陷檢測結果如圖4所示，圖中黑色圓圈是缺陷信號，白色方框是相對應的A超信號。根據檢測對比結果，5 MHz探頭的圖像聚焦能力較弱，缺陷影像放大明顯，而7.5 MHz探頭檢測結果中反射體回波影像聚焦效果更好，對于底面缺陷分辨力更好。因此選擇7.5L32-0.25×10型相控陣探頭檢測鋼圈槽底部缺陷。

鋼圈槽底部缺陷檢測結果如圖5所示，圖中黑色圓圈是缺陷信號，白色方框是相對應的A超信號。針對法蘭鋼圈槽的側面信號檢測而言，5 MHz探頭在對小缺陷檢測時從圖像上和A掃信號看來，與側壁的底面反射信號均不太好分辨，但信噪比更高。而7.5 MHz探頭在檢測相同的缺陷時，無論是圖像還是A掃信號均與側壁底面反射信號之間有較好的分辨能力，但噪聲信號較大。因此，考慮側壁缺陷信號的檢出率，選擇5L32-0.6×10型作為檢測探頭。

2.5 參數設置

超聲探頭的近場區可以按式（1）進行估算，與常規超聲相比，使用相同的檢測孔徑，相控陣超聲通過聲場調控可以將近場區范圍內的檢測靈敏度提高[17]。

L=（1）

式中：L為近場區長度，mm;As為超聲探頭的激勵面積，mm2;λ為介質中的超聲波波長。

當選擇相控陣探頭激發孔徑為32個時，即可算出兩種探頭的近場區。5 MHz探頭的近場區約為51.79 mm，7.5 MHz探頭的近場區約為32.35 mm。因此，當檢測區域位于近場區以內時，應盡量將聚焦深度設置為檢測深度附近，可以同時保證靈敏度及檢出率;當檢測區域位于近場區以外時，應合理設置聚焦深度，有必要時應更換探頭以滿足有效的檢測靈敏度。

法蘭鋼圈槽結構復雜，有螺栓工藝孔的阻擋，具體的聲束角度設置以及探頭位置可通過建立檢測對象模型進行聲線仿真確定，實時圖像化聲束傳播路徑及有效檢測區域，確定其余相關參數。

2.6 試塊

除了標準試塊外，對比試塊主要用于確定檢測靈敏度，考慮到采用扇形掃查，對比試塊應采用類似半圓試塊這種進行ACG校準及檢測靈敏度的確定。

而模擬試塊則必須與被檢測對像結構型式、材質、尺寸基本一致，并且包含裝置上可能出現的缺陷，用于驗證檢測方法的有效性。考慮到需要對法蘭鋼圈槽的兩個檢測區域進行檢測，本文制作了兩個模擬試塊用于檢測驗證，如圖6所示。在鋼圈槽底面設置了?1 mm、深1 mm;?2 mm、深2 mm;?3 mm、深3 mm;?4 mm、深4 mm;?5 mm、深5 mm共5個人工平底孔。在鋼圈槽側壁設置了?1 mm、深1 mm;?2 mm、深2 mm;?3 mm、深3 mm共3個人工平底孔。

3 工藝驗證

基于前文所述的檢測工藝及檢測器材進行檢測，驗證本文所述檢測工藝的有效性。在實際掃查過程中，可通過設計掃查器夾持兩個相控陣探頭，使探頭的主動孔徑方向分別與法蘭圓周面長度方向垂直或平行，以及通過單面雙側的掃查方式實現鋼圈槽底部與側壁缺陷的同步檢測，如圖7所示。

檢查試塊檢測結果如圖8所示，可以看出，位于鋼圈槽底面與側面的缺陷在上述檢測工藝下，均能被檢測出，各不同大小缺陷的反射回波也與缺陷尺寸成正比，即缺陷越大，回波越強。

1） 試驗證明工藝檢測有效，所有缺陷都能檢出。

2） 不同大小缺陷的回波幅度和掃查中所形成的缺陷面積及實際缺陷大小呈正比關系。

3） 采用斜入射扇掃方式，精確的聲束角度設置可以檢測位于工藝孔下方鋼圈槽底部的缺陷，需注意的是工藝孔也有回波信號，應進行區分。

4） 當相控陣探頭掃查至工藝孔上方時，該區域下方鋼圈槽側壁為檢測盲區。

4 結論

1） 利用超聲相控陣檢測技術，通過制定和優選法蘭鋼圈槽的檢測面與掃查方式等檢測工藝，研發了相應的檢測探頭，實現了采油樹法蘭鋼圈槽底部及側部的缺陷檢測。制作了與采油樹法蘭相同的材質、工藝的模擬缺陷試塊，對本文的檢測技術進行了工藝驗證，效果較好。

2） 針對法蘭鋼圈槽底部及側部的缺陷檢測，通過掃查器攜帶兩個檢測探頭，實現了鋼圈槽底部與側壁缺陷的同步檢測。檢測結果顯示缺陷越大，反射回波越強，反射回波與缺陷尺寸成正比。

3） 所建立的檢測工藝對于同類型的焊接接頭相控陣超聲檢測技術研究，以及油田采油樹的檢維修具有指導意義。

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（編輯：韓睿超）