用于抽油杆裂纹检测的非接触式水浸超声探伤方法及装置

摘要

一种用于抽油杆裂纹检测的非接触式水浸超声探伤方法及其专用装置，其特征在于：超声探头与受检抽油杆全部浸入水中，并且超声探头与受检抽油杆包括刮蜡器间不接触，且探头与刮蜡器间至少相间2mm；受检抽油杆自身转动，同时探头沿受检抽油杆轴向行进，完成对受检抽油杆的检测。专用装置由探头行走机构、抽油杆支撑机构、探伤操作平台、裂纹监测报警及数据记录仪四个部分构成。本发明可以对粗糙的抽油杆进行现场检测，并且不出现漏检。

说明书

技术领域：

本发明涉及无损检测，特别提供了一种专用于油田抽油杆裂纹检测的非接触式水浸超声探伤方法及专用装置。

背景技术：

当前，除自喷井外各个油田的采油均离不开抽油杆的应用，通常抽油杆在各种载荷的作用下，常年不断地工作，总是要疲劳，进而产生疲劳裂纹，有裂纹产生后便开始应力集中，持续疲劳和应力集中还会加速裂纹扩展，最终导致抽油杆断裂，其后果是迫使油井停产、修井等，造成一系列的经济损失。一般地，一次断杆可能造成的经济损失是12～20万元，据目前油田的统计结果，每年的事故率中断杆占15～35％，损失是惊人的，为此急需一种在现场对抽油杆裂纹进行检测的方法和装置。

目前能够进行大批量快速自动探伤的探伤方法有：磁粉法和渗透法、涡流法、漏磁法、超声法和X-射线实时成像法，其中磁粉和渗透法操作时间较长而仅适合小规模损伤检测，X-射线实时成像法针对体积性缺陷比较适合，涡流法和漏磁法两种方法是裂纹探伤技术中较为常见的方式。首先，涡流法和漏磁法在探伤期间要求探头与工件表面紧密接触，这样对受检工件表面状况要求较高，而抽油杆因长期处于恶劣环境中而产生大量表面腐蚀坑，无法完全满足紧密接触的需要；其次，涡流法和漏磁法对探头与受检工件之间的间隙比较敏感，而抽油杆表面常常附着有一定厚度的油污和积蜡，它们对涡流法和漏磁法的探伤灵敏度影响巨大；第三，刮蜡器的存在要求接触方式下必须考虑大头避让装置，但在检测作业中快速行进的工件又会因为避让动作而出现检测盲区，一根抽油杆上通常分布着的多个刮蜡器大大减小了可探测区域。因此，要达到无间断连续探伤作业必须放弃传统的接触方式。

超声波探伤主要是通过测量信号往返于缺陷的渡越时间来确定缺陷和表面的距离，通过测量回波信号的幅度和探头的位置来确定缺陷的大小和方位，它对于平面状态的缺陷(如裂纹、夹层、折叠等)具有很好的探测效果。与涡流法和漏磁法相比，超声波探伤方法具有指向性好、高灵敏度、性能稳定、不受电磁干扰的特点，目前在焊缝裂纹探伤方面有广泛的应用。中国专利99232304.5就提供了一种“抽油杆超声自动检测装置”，其体积小，适于现场操作，但是由于其采用在探头与工件之间局部充水进行探伤的方法，探头夹持机构必须夹持在抽油杆上，因而同样必须考虑大头避让装置，由于避让动作而出现检测盲区同样是不可避免的。

发明内容：

本发明的目的是提供一种专用于抽油杆裂纹检测的方法及其装置，其可以对粗糙的抽油杆进行现场检测，并且不出现漏检。

本发明提供了一种用于抽油杆裂纹检测的非接触式水浸超声探伤方法，其特征在于：

超声探头与受检抽油杆全部浸入水中，并且超声探头与受检抽油杆包括刮蜡器间不接触，且探头与刮蜡器间至少相间2mm；受检抽油杆自身转动，同时探头沿受检抽油杆轴向行进，完成对受检抽油杆的检测。

本发明用于抽油杆裂纹检测的非接触式水浸超声探伤方法中，所述超声探头成对出现，与抽油杆轴线方向成一14°～25°夹角，并且指向相反。

本发明用于抽油杆裂纹检测的非接触式水浸超声探伤方法中，最好采用线聚焦超声探头，使焦线聚焦于受检抽油杆的轴线附近。

本发明用于抽油杆裂纹检测的非接触式水浸超声探伤方法中，所述抽油杆裂纹检测主要检测受检抽油杆两端头至两端第一只刮蜡器后80mm的杆体。

本发明还提供了一种专用于上述探伤方法的用于抽油杆裂纹检测的非接触式水浸超声检测装置，其特征在于：该装置由探头行走机构、抽油杆支撑机构、探伤操作平台、裂纹监测报警及数据记录仪四个部分构成；

所述探伤操作平台包括一长水箱(1)和一支撑用底座(6)；

所述抽油杆支撑机构包括6～20套油杆支架(9)，至少两套油杆支架(9)固定于水箱(1)内，水箱(1)内一端设置一与传动机构相连的油杆夹具(2)；

所述探头行走机构由探头(8)、U型探头支架(3)、行走导轨(7)构成；行走导轨(7)平行于抽油杆轴向设置；探头支架(3)开口向下，一端安装探头(8)和水平角度调节机构，另一端在行走导轨(7)上沿水箱(1)长度方向滑动，探头支架(3)上带有上下调节机构(4)、焦距调节机构(5)。

本发明用于抽油杆裂纹检测的非接触式水浸超声检测装置中，所述两套水箱内的油杆支架(9)之一，设置于固定于水箱(1)上的支架导轨(10)上。

首先，根据抽油杆断杆样品电镜实验结果得知，抽油杆断裂原因主要是起源于表面夹杂和腐蚀坑的疲劳裂纹，而疲劳裂纹均垂直于杆轴，并且断口扩展区非常平滑；其次，超声波方法只需要在探头与工件之间需要填充传播介质而无须探头与工件紧密接触。因此，超声波方法对抽油杆疲劳裂纹的探测比其它方法更为适合，探头不直接与工件接触为避让刮蜡器提供了可能，而且也适宜检测表面粗糙的工件。

由于水中声速是钢中纵波声速的1/4，声波从水中入射钢制工件时，产生折射后波束变宽，为了提高检测灵敏度，常使用聚焦探头。另外，为了对抽油杆各部位进行裂纹检测，探伤探头必须沿抽油杆轴向行进，而且在同一部位的裂纹有可能分布于周向任意位置，则探伤探头相对受检抽油杆必须有切向运动，为了减小抽油杆与探头相对运动时所造成的探测盲区，本发明采用线聚焦探头，并且根据焦线长度调整探头架和油杆的相对运动速度。

由于超声波方法对平面裂纹有较好的探测效果，同时也因为抽油杆疲劳裂纹垂直于油杆轴线的分布特征，本发明设计了可以调节角度的探头架，使得探头与抽油杆轴线方向成一夹角，从而利用疲劳裂纹面对超声横波的端角反射探测裂纹。此外，为了避免斜裂纹漏检，本发明还设计了多通道组合方式，即超声波探头成对出现，并且指向相反。探头双向斜置的另一个目的是完成刮蜡器根部及其附近区域的探伤扫描，该技术与传统的漏磁法和涡流法相比具有绝对的优势。

为了对抽油杆各部位进行裂纹检测，探伤探头必须沿抽油杆轴向行进；其次，在同一部位的裂纹有可能分布于周向任意位置，则探伤探头相对受检抽油杆必须有切向运动。为此，工件与探头的相对运动可以有三种方式，即探头固定工件运动、探头运动而工件固定、探头与工件同时运动。现有的抽油杆探伤设备通常采用固定探头方式，为了达到上述轴向和周向运动的要求，现有设备只有让受检抽油杆一边自转、一边沿轴线方向推进。在这样传统的运动方式下，如果工件在长度范围内有截面的突然变化(例如带有附件)，就必然引入避让装置，而避让装置在完成展开和闭合动作期间必然造成漏检，所以，本发明采用探头和工件同时运动的方式，即轴向和切向运动分离技术：抽油杆被固定在支架上并绕轴线旋转，而探头固定在探头架上以平行于抽油杆轴线的导轨为准作直线运动。轴向和切向运动分离技术是实现刮蜡器避让的必要手段。

本发明的发明人通过对断裂抽油杆的大量研究发现，抽油杆在工作状态下的载荷主要是轴线方向的交变拉力，在此载荷作用下所产生的疲劳裂纹均为垂直于抽油杆轴线的横向裂纹，并且多集中在从两端开始的第一只刮蜡器附近以及之前的杆体。因此，本发明提出无须对抽油杆整体进行探伤，而仅仅将探测重点放在两端第一只刮蜡器附近以及之前的杆体，从而大大降低了抽油杆疲劳裂纹探伤装置的整体长度，使抽油杆的现场检测具备了可行性。

附图说明：

图1抽油杆疲劳裂纹水浸超声探伤实验装置结构图；

具体实施方式：

实验装置

如图1所示，当然该装置并不限制本发明；该实验装置主要由探头行走机构、抽油杆支撑机构、探伤操作平台、裂纹监测报警及数据记录仪四个部分构成。此外，为了适应不同长度范围的探伤要求，实验装置中还配备了两个行程开关，其中之一的作用是改变探头扫描方向，另一个的作用是停机复位。

探头行走机构由线聚焦超声波探头(8)、探头支架(3)、上下调节机构(4)、焦距调节机构(5)、行走导轨(7)构成；线聚焦探头采用7.5MHz、30mm焦距、焦线长6mm探头，探头(8)固定在位于水箱(1)上方的探头支架(3)上，探头支架(3)上有调节旋扭用于调整探头水平方向的角度，探头支架(3)另外一端位于水箱外边，其上装有两个旋扭分别用以调整探头高度和聚焦位置。探头支架(3)安装在平行于抽油杆轴线的行走导轨(7)上，并由直流电机驱动沿行走导轨(7)行走，以完成对抽油杆的整体裂纹探伤。

油杆支撑机构由油杆支架(9)和油杆支架导轨(10)构成；为保持抽油杆(11)轴线位置的相对固定，在实验装置的水箱内设置了一个油杆支架导轨(10)，其上安置了一个能够沿导轨运动的油杆支架(9)，该油杆支架(9)在抽油杆(11)位置确定之后能够自动闭锁。在水箱(1)的另一端设置了另一个固定的油杆支架(9)，其作用是支撑抽油杆(11)头部，水箱(1)内一端设置一与传动机构相连的油杆夹具(2)，其作用是使抽油杆(11)转动。

操作平台由有机玻璃水箱(1)和装置底座(6)构成；由于采用水浸超声波探伤方法，所有探伤操作过程均在水箱(1)中完成，水箱(1)中水位必须高于探头(8)位置，并且完全淹没抽油杆(11)。

裂纹报警装置和数据记录仪作用是挑选疲劳裂纹超过判废标准允许范围的抽油杆，并记录探伤数据。

检测样本

限于实验装置长度限制，实验中所使用的检测样本为两段废油杆，为了模拟实际抽油杆刮蜡器对探伤带来的影响，这里特别选取了一段带有刮蜡器的废杆，并在刮蜡器根部用线切割方法加工了一条深度为1mm的人工裂纹。在另一段样杆上采用线切割方法进行人工刻伤，8条人工裂纹深度分别为0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm。

实验方法及步骤

本实验分别进行了动态裂纹扫描实验和静态裂纹标定实验，前者的目的在于验证抽油杆疲劳裂纹水浸超声探伤方法各项关键技术的可行性，后者的目的是取得不同深度裂纹探伤信号数据，以确定制作的抽油杆疲劳裂纹水浸超声探伤实验装置的使用范围。

(1)动态裂纹扫描

a人工裂纹标记

b探伤仪焦距调整

c扫描方位确定

d探伤仪闸门设定

e扫描裂纹数目记录及核对

实验开始之前，首先在受检样本上用鲜明颜料标明人工裂纹位置，并记录裂纹总数(本实验为0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm以及刮蜡器根部1mm共9条裂纹)；根据探伤仪表头一次界面波声程数据和聚焦探头焦距数值，通过实验装置上的焦距调节机构调整探头与油杆之间的距离，使得探头焦点位于杆体内部；为了使所有人工裂纹的伤信号都能够显示出来，以0.5mm裂纹为准调整探伤仪报警闸门；启动探伤仪并记录表头显示的伤信号数目，并核对所检测到的裂纹数目是否与实际裂纹数目相同。

分别对点聚焦探头和线聚焦探头进行上述实验。

(2)静态裂纹标定

a探伤仪焦距调整

b抽油杆扫描位置确定

c裂纹伤信号峰值位置确定

d裂纹伤信号采集和记录

为了对裂纹尺寸与探伤仪信号之间的关系有一个量化的了解，同时也为了确定所使用的实验装置的适用范围，必须对每一条人工裂纹的探伤信号进行分析。首先，通过探头焦距调节机构确定最佳测试位置，以探伤仪表头伤信号最大为准；然后固定焦距，手动旋转抽油杆，以探伤仪表头伤信号最大为准确定超声波入射位置；接下来手动操作使探头架沿探头行走导轨作小幅度移动，在探伤仪表头伤信号最大处固定；利用探伤仪表头采集当前伤信号并用计算机记录。  

对9条裂纹分别进行上述步骤。

实验结果

(1)动态裂纹扫描

裂纹数目：9条线切割人工裂纹

实验次数：＞20次

实验结果：所有实验均成功检测到9条裂纹。

(2)静态裂纹标定

检测裂纹：9条线切割人工裂纹

实验结果：9条裂纹被2种聚焦探头扫描得到的数据见表1；

表1静态裂纹探伤实验数据

  1mm^*  0.5mm  1mm  2mm  3mm  4mm  5mm  6mm  7mm  (1)  40.6  40.3  52.3  60.7  59.7  60.7  57.1  58.7  57.5  (2)  57.9  41.6  56.5  64.9  66.9  65.9  64.8  61.7  63.7  注：单位：dB      ^*：位于刮蜡器根部      (1)：点聚焦探头数据      (2)：线聚焦探头数据