无损检测技术在深水井控装备制造中的应用

吴占伟，侯国庆，陈雪鹤，王红杰，屈志明

（河北华北石油荣盛机械制造有限公司，任丘 062552）

深水井控装备是保障深水钻井作业安全最关键的设备［1］。美国石油学会规范API Spec 16A［2］及国家标准GB／T 20174［3］对井控装备制造过程中无损检测及验收标准提出了严格的要求。深水井控装备由于长期在深海高压运行，并不断受到海水的腐蚀，其材料的安全性能大大降低。其中防喷器部件的失效将给平台工作人员的生命造成威胁并会对环境造成严重破坏，故对防喷器的无损检测就显得极其重要了。笔者针对深水井控装备的不同制造阶段，采用多种无损检测方法交替进行检测，保证零件的使用安全，最终使防喷器及其控制系统压力测试合格，达到了设计使用要求。

1 无损检测技术的应用

1.1 射线检测技术应用

射线检测适合于对接焊缝的检验。深水井控装备中所涉及的焊缝，壁厚一般不超过50 mm，如控制系统不锈钢液压管道焊缝和防喷器液压缸的焊缝，采用X 射线进行了检测。射线检测技术不仅能够检测筒体与封头对接环焊缝或者是单管对接环焊缝，还能采用环缝内透（中心法）曝光技术，检测裂纹、未熔合等缺陷，提高了检测效率，底片的相质指数能够得到提高。

图1是在焊接工艺评定过程中，采用丹东市东方仪器厂的XXG－3005X 射线探伤机对液压管路焊缝进行射线探伤。在不同的焊接工艺下，对焊缝探伤结果进行分析比较，确定了成熟可靠的焊接工艺。最终在整机液压管路的射线探伤中，所有焊缝一次性通过检测，检测结果未发现裂纹、未熔合等缺陷，保证了液压管路工作的安全可靠。

图1 液压管路焊缝的射线检测

1.2 超声波检测技术应用

超声波检测适用于金属零件一定深度范围内的体积性缺陷，但不易检测表面较浅的缺陷。深水井控装备的壳体、侧门等零件属于厚大锻件，对于这种零件的检测，由于材料本身晶粒较小，声阻抗小，宜选用指向性好的探头，最终选用探头频率为5MHz，晶片尺寸φ20mm。对大而厚的铸件检测，如环形防喷器的壳体、顶盖、活塞等，由于材料的晶粒粗大，声阻抗大，选用了穿透性好的探头，其频率为2.5MHz，晶片尺寸φ20mm。对于小而薄的工件，如闸板防喷器液缸，为了减小近场区对检测的影响，选用了频率为2.5MHz，晶片尺寸为φ10mm 的探头。

超声波表面波只在固体表面很浅的表层内传播。表面波的能量集中于距工件表面以下2个波长之内，所以可以有效地检查距工件表面两倍波长深度范围内的缺陷，尤其对于检测裂纹灵敏度极高。

对于深水井控装备的密封面和配合面，在粗加工后和半精加工后，应用了超声表面波进行检测。使用了订制的超声表面波探头和试块。探头频率为2.5MHz和5 MHz两种，晶片尺寸8mm×12mm，探头前沿不大于3mm，灵敏度不小于40dB（前沿距棱边20mm）。对于形状较规则的零件如防喷器侧门，其表面是机加工表面，表面粗糙度较好，超声表面波可以很好地耦合，被检表面采用分段步进式的方式进行检测，并且进行纵、横两个方向的扫查。

图2是采用便携式超声波探伤仪对半精加工后的壳体进行的探伤，检测结果未发现裂纹、白点等缺陷。

1.3 磁粉检测技术应用

磁粉检测适用于检测铁磁性材料表面和近表面缺陷，对于表面浅的划伤、埋藏较深的孔洞和与工件表面夹角小于20°的分层和折叠难以发现。对于检测精加工零件的表面缺陷，尤其是裂纹缺陷，检测效果非常好。荧光磁粉相对于黑磁粉等检测方式具有更高的检测灵敏度，已得到了广泛的应用。

深水井控装备的零件在半精加工后和精加工后均进行了磁粉检测。锁紧活塞是防喷器长时间关井操作的重要零件。斜面上的任何微小的裂纹会在关井承载过程中延伸甚至断裂。图3是对锁紧活塞进行磁粉检测，检测结果发现有一件锁紧活塞斜面由于锻造原因有3处微小裂纹。最终重新投料加工了新的锁紧活塞，防止了不合格零件进入装配工序。

图2 防喷器壳体的超声波检测

图3 防喷器锁紧活塞的磁粉检测

在闸板轴，液缸等零件的镀铬处理前，镀铬部位先进行磁粉检测，确保合格后再进行镀铬处理，良好的待镀表面也有利于镀层质量的提高。为了避免微小裂纹对密封的影响，壳体与侧门密封面，壳体闸板腔密封面，闸板体均进行了整体磁粉检测。

1.4 渗透检测技术应用

深水井控装备各密封面的密封质量是至关重要的，任何细微的缺陷都不允许存在。在水下防喷器的侧门密封槽、钢圈槽和堆焊防腐蚀合金的闸板腔等部位的检测中，应用了渗透检测方法。

在自然光线条件下，使用了DPT－8着色渗透探伤剂，这是一种已经成熟应用的产品。DPT－8相对于DPT－5 型渗透剂，显示结果更加清晰且保持性好。在不便于观察和一些磁粉检测无法检测到的复杂结构部位，如水下防喷器壳体侧法兰内孔这样的细长孔结构，使用了荧光水洗法渗透，结合使用工业内窥镜进行渗透后的检测，达到了稳定清晰的渗透显示结果。图4是对防喷器壳体侧法兰内孔进行荧光水洗法渗透检测，未发现内孔有裂纹。

图4 防喷器壳体侧法兰荧光水洗法渗透检测

1.5 磁记忆检测技术应用

水下防喷器壳体内腔堆焊了防腐蚀合金。焊接组织机械性能不均匀、焊接缺陷和焊接残余应力场的不均匀可能导致壳体堆焊层的损坏。由于这种镍合金不导磁，所以无法进行磁粉检测。磁记忆方法可检测防喷器壳体和内腔表面及焊缝部位［4］。因此对防喷器本体和防腐蚀合金焊接融合区进行磁记忆检测。磁记忆检测可以检测出焊层和本体的是否融合好、是否有裂纹等缺陷以及应力集中区。如果被检测部位没有完全融合或有缺陷，磁记忆信号则会发生突变。图5是采用磁记忆方法对防喷器壳体内腔堆焊的防腐蚀合金进行检测，末发现焊接裂纹、未熔合等缺陷。

图5 防喷器壳体内腔堆焊合金磁记忆检测

剪切闸板做完剪切试验后，再次对剪切闸板体进行磁粉检测，确保刃口部位无裂纹显示。同时，为了进一步检测刀体部分内部是否存在着较强应力，还要进行磁记忆检测。选用的EMS－2000智能磁记忆金属诊断仪可以检测出闸板体现有磁场，并以此磁场强度为基准进行调节，从而达到准确地进行磁记忆检测的目的。

1.6 声发射检测技术应用

声发射技术作为一种成熟的无损检测方法，已被广泛应用于防喷器的制造和监测中［5－6］。对一些难以检测到的部位，声发射可以及时准确地发现发展中的缺陷。声发射主要用于水下防喷器整机的无损检测，检测贯穿防喷器整个水压强度试验过程。

使用了进口的DiSP－16声发射检测仪检测，实时同步进行声发射特征参数采集／分析、波形采集／分析，实现线定位、区域定位功能。经过连续的过程监视和精确地分析，水下防喷器组承压件具有优良的承压性能。

图6是在防喷器的水压强度试验中，采用声发射方法对防喷器壳体进行了全程检测。在水压上升至157.5Mpa并稳压过程中，未见异常信号。在水下防喷器的压力试验阶段进行声发射检测，可以提高产品的可靠性。

图6 防喷器水压强度试验过程中声发射检测

2 结论

通过无损检测技术在深水井控装备上的应用，保证了深水井控装备的安全，掌握了深水井控装备制造过程中的无损检测方法的要点：

（1）掌握正确实施无损检测的时间节点。在零件粗加工后，进行一次超声波检测。控制铸造较大的缺陷，防止热处理后缺陷扩大。热处理后，在钻孔、铣槽、精磨等最终机加工序前，再进行一次超声波检测，可以更彻底地发现缺陷。

（2）不同零件及零件状态选用最适当的无损检测方法。具有规则结构的零件，宜选择超声波检测其内部缺陷为主，磁粉或渗透辅助检测表面缺陷；焊接耐腐蚀合金部位，采用了磁记忆检测或渗透检测；油路管件焊接的耐腐蚀合金，使用了射线检测或渗透检测；在防喷器强度试验过程，采用了声发射检测方法。

（3）综合应用各种无损检测方法。在对同一零件同一部位无损检测中，采用几种检测方法，互相取长补短，取得更多的缺陷信息，保证检测结果可靠准确。

［1］ 许亮斌，张红生，周建良，等.深水钻井防喷器选配关键因素分析［J］.石油机械，2012，40（6）：49－53.

［2］ API Spec 16A.Specification for Drill－through Equipment［S］.Third Edition.2004.

［3］ GB／T 20174－2006 石油天然气工业 钻井和采油设备钻通设备［S］.

［4］ 王强，樊建春，张来斌.基于磁记忆方法的防喷器检测试验研究［J］.石油机械，2012，40（3）：16－23.

［5］ 朱祥军，吴怡.声发射检测防喷器泄漏的研究［J］.钻采工艺，2009，32（4）：69－71.

［6］ 朱祥军.声发射技术在防喷器检测中的应用［J］.无损检测，2010，32（12）：987－989.