钻杆超声波探伤的自动化研究

张国杰,孙洪大,侯培勇

（渤海能克钻杆有限公司,河北 青县 062658）

钻杆超声波探伤的自动化研究

张国杰,孙洪大,侯培勇

（渤海能克钻杆有限公司,河北 青县 062658）

简述超声波检测原理及国内钻杆行业的应用现状，列举相控阵技术在钻杆探伤的应用，针对石油钻杆超声波探伤自动化程度、控制精度、探伤效果等问题系统分析并完成了一种自动化探伤设备的设计。

钻杆;超声波;探伤;自动化;研究

0　 前言

石油钻杆是钻井时用于传递动力、输送泥浆的主要工具，需要承受各种复杂交变的载荷，如拉、压、扭、弯曲等应力，因此要求钻杆具有良好的力学性能以承载钻井过程中的各种内外应力，而其中工具接头与管体对焊的质量更是其中的重中之重。目前国内钻杆厂家多采用摩擦焊接的方式完成工具接头与管体的对焊，后经过热处理来满足焊区的机械性能。通过磁粉探伤及超声波探伤完成焊区及其热影响区的质量检验，其中超声波探伤更是焊区内部焊接质量的重要检测手段，对整个石油钻杆的生产加工具有重要意义。

1　 超声波检测原理及国内钻杆行业的应用现状

目前国内主要钻杆生产厂家均采用摩擦焊接的方式完成工具接头和管体的焊接，焊接面高速摩擦并在压力的作用下与待焊接面接触，其界面及附近温度升高，界面的氧化膜破裂，材料呈塑性状态，通过界面的扩散和再结晶反应而实现固态焊接。焊接后通过内外飞边的去除及焊区热处理完成钻杆的生产过程。而在这一过程中产生的钻杆焊区缺陷主要由以下几种类型：

（1）摩擦焊形成的“灰斑”缺陷，主要是因两个摩擦焊接表面间异常区域存在很薄的平面夹馍，其存在会导致焊接表面金属结合不良所产生。

（2）冲切内飞边所导致的工艺缺口，主要是由于冲切内飞边技术及工装的缺陷导致对管体内表面的划伤，可视作内表面裂纹。

（3）热处理所致裂纹，钻杆热处理过程由于退火和回火温度较低，很少出现缺陷，而淬火调质过程中温度高，出现淬火裂纹的可能性较大，且主要在焊缝及热影响区出现。

在上述缺陷的检测及解剖验证中，发现这些缺陷多属于面状、片状，多与钻杆表面相垂直，适合采用超声波探伤完成其焊区及热影响区的探伤检测。

超声波探伤是无损检验的一种，其中脉冲反射式超声波探伤仪应用的最为广泛。在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不一致，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，可以通过反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异进行缺陷大小位置的判定。探伤仪在主电路接通后，发射电路受触发产生高频电脉冲加至探头，通过探头中压电晶片的逆压电效应，激励压电晶片振动，发射超声波。超声波在管材中传播，遇缺陷发生反射，返回探头时，又被压电晶片的正压电效应转变为电信号，经接收电路放大和调理并显示出来。

目前国内大部分钻杆生产厂家主要采用人工手探的方式进行钻杆焊区及其热影响区的超声波探伤。在探伤过程中钻杆进行匀速的轴向旋转，人工手持探伤仪探头完成钻杆焊区的探伤作业。首先人工探伤无法保证探伤区域可以覆盖整个焊区，其次人工探伤的效果必然受到探伤工的影响，从而导致探伤效果的不确定性，进而影响到钻杆的整体质量检验效果，对钻杆井上作业也产生了不良影响。

2　相控阵技术在钻杆探伤的应用

自20世纪90年代中期起，超声波相控阵技术就开始在欧、美、日用于压力容器和压力管道熔化焊缝的质量检测，也用于一些重要机电设备如汽轮机叶片（根部）和涡轮圆盘等内部缺陷的检测。

相控阵超声波探伤法有四大特点：（1）可用计算机软件控制声束角度、聚焦距离和焦点尺寸；（2）可用单个小型的电控多元探头在同一位置作多角度检测；（3）可对复杂的几何形状进行检测，其机动、灵活性较大；（4）配置机械夹具，可对整个试件作高速、全面扫查。相控阵靠相控阵探头的电子扫描，可使超声波束任意设定偏向角和聚焦深度，能使探伤条件最佳化，而且由于探伤图像可视化，有实时检出缺陷、评定缺陷的优点。

用相控阵探头对焊缝作横波斜探伤时，无需像普通单探头那样在焊缝两侧频繁地来回前后移动，而是进行焊缝长度方向的全体积扫查。其探伤范围可以根据产品需要进行调整，以达到完美覆盖探伤区域的目的。但相控阵技术在国内钻杆行业使用较少，设备价格及维护费用较高，目前仅上海宝钢的钻杆厂家使用该种方式进行焊区超声波探伤。

3　伺服系统在超声波探伤中的应用

随着电机理论、永磁材料、电力电子技术、控制理论和计算机技术的惊人发展，交流伺服系统的研究和应用，自20世纪70年代末以来，取得了举世瞩目的进展，已具备有宽调速范围、高稳速精度、快动态响应及四象限运行等良好的技术性能。通过螺旋、曲柄连杆、肘杆或其它机构将电机的旋转运动转化为滑块所需的直线运动。不但可以保持机械驱动的种种优点，而且改变了其工作特性不可调的缺点，使机械驱动的成形装备也具有了柔性化、智能化的特点，工作性能和工艺适应性大大提高。

利用伺服系统完成超声波探伤探头行走的控制，可以完成探头行走的速度、距离控制，以达到完成整个探伤过程的全控制。同时利用伺服系统的柔性化特点，可以使得探头行走更加平稳，大大提高了探伤效果。

4　基于伺服系统的超声波探伤设备优点及发展前景

4.1 探伤全面覆盖焊区

通过伺服系统的控制，可以实现探头在探伤过程中匀速行走，同时具备调整探头行走速度的功能，通过速度调整结合钻杆自身轴向旋转速度，计算出探头行驶的最佳速度，保证探伤区域的全覆盖。同时利用伺服系统可以完美控制探伤行走距离，适应各种规格钻杆的焊区超声波探伤。

4.2 生产流程自动化

利用伺服系统，可以完成钻杆超声波探伤的自动化设计，大大提高了生产效率，大幅降低了因人为因素导致的漏检、误判等情况。

4.3 提高探伤效果

利用伺服系统控制柔性化的特点，使探头行走匀速平稳，同时利用外围辅助的减震系统，大大降低了钻杆旋转过程中产生的震动对探伤检测的影响。提高了探伤效果，

4.4 超声波检测的数字化发展

结合钻杆超声波探伤的自动化发展，采用新型的数字化探测设备，开发上位机软件形成每根钻杆的探伤记录，结合MES（制造企业生产过程执行管理系统）的推广普及，形成钻杆生产加工检验的打包记录，使得每一根钻杆的入厂信息、生产过程、检验结果有据可查，完善钻杆生产流程，提高产品追溯性。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.192