基于有限元建模的复杂部位的相控阵柔性探头研究

陈立江，王宏，周建平，傅登伟，蔡庆生，尹璐

（1.新疆油田公司实验检测研究院，新疆 克拉玛依 834000；2.多浦乐电子科技股份有限公司，广东 广州 510000）

在油气田的开发过程中，会大量应用井口装置主要零部件，如SAGD注汽六通两翼反液出口、高压天然气井井口异径接头、承压本体、弯头、阀门等。此类装置中有诸多曲面构件，一旦应用于存在质量问题的井口装置，可能会造成严重的事故。因此，需要对其进行无损检测方法的研究，完善检测工艺，从而有效判断井口装置的质量。

超声波测量具有非介入、设备简单和精度高的优点，在工业上广泛应用于缺陷检测。由于井口装置结构复杂，存在圆角曲面结构，采用常规的线性相控阵超声探头无法满足检测需求，需要采用柔性相控阵检测技术进行检测。

1 相控阵仿真分析

仿真时，选定的超声频率为7.5MHz，焦距设置为10mm，建立有限元超声仿真模型，根据柔性相控阵动态聚焦方法，需要对各个晶元施加延时，达到精准控制声束的偏转和聚焦目的，其延时计算公式如下：

根据相控阵超声的原理，仿真时，依次施加在压电陶瓷的激励信号是由高斯窗函数对正选信号调制而来的，其数学模型如下：

式2中，A为激励脉冲峰值，σ为脉冲标准差，f为激励信号中心频率，各个晶元施加激励信号的波形如图1所示。

图1 激励信号

本文研究井口装置小四通，工件外表面均为曲面结构，主要的研究目标为2个管道交接处凹面的检测方法。工件的凹面为被检测面，凸面为底面，在有限元模型内设置1个直径为2mm的圆孔作为检测缺陷，其中缺陷距离管道内壁底面的长度记为H，分别构建了H=2mm、H=7mm和H=12mm 3个不同深度的有限元仿真模型。

声波在不同的内部结构下会产生不同的传播路径，对于缺陷深度不一的仿真，截取声束在经过缺陷后产生回波回传的云图，如图2所示的有限元仿真声波云图。可以清晰的观察出声束在接触到缺陷时有部分发生了反射，产生的回波按照声波发射的路径回传到相控阵柔性探头里，还有一部分声波按照正常轨迹继续往更深处的底面传播，直至接触底面。

图2 有限元仿真声波云图

相控阵超声设备1次激励8个晶元进行一次发波，在被检测面的凹面设置了8个晶元，8个压电陶瓷按相控阵动态聚焦设定的延时依次发波。在有限元仿真的过程中，各个晶元都作为超声波信号的发射器和接收器，各个阵元接收到空腔回波信号，声压为各阵元辐射声压之和，进行矢量叠加，得到空腔回波的声压，如式3所示。

将各个晶元接收到的回波信号叠加后，得到缺陷回波信号的波形，H=2mm、H=7mm和H=12mm的仿真波形如图3所示，在0.5～1.2us时段的波形为施加的激励信号，在设定不同H下，三者的波形重合，确保了激励信号的一致。声束在经过不同内部结构时，会产生不同的反射情况最终会反映到回波信号上。根据接收超声波回波的特征，可评估试样内部存在缺陷的位置和大小。因为H=12mm的模型缺陷最靠近工件的被检测面，在s=3.4us时，最先接收到了缺陷的回波信号，且回波的幅值最大；在s=5us时，H=7mm的模型也接收到了缺陷的回波信号；H=2mm的模型，在s=6.7us时，接收到缺陷的回波信号，且回波的幅值是最小的。最后3个不同模型的回波在s=7.7us时重合，此刻产生的回波是井口装置试样底面的回波信号，虽接收到的幅值不一致，但是时间位是相同的。可以得出结论，在施加激励信号相同的情况下，预置缺陷的不同深度情况会反映在回波信号的时间位上，随着深度的增加，产生回波信号的时间也随之增加，近乎呈正比关系。

图3 不同H的仿真波形

仿真时设置的缺陷间隔5mm，根据脉冲反射法，如式4所示：

式4，ϕ∆为时间差，c为声速5980m/s，h为深度5mm。通过公式可以计算出设定缺陷间隔h=5mm时，2个缺陷存在ϕ∆ =1.6us的时间差，忽略仿真结果存在的误差，可以认为仿真结果与理论计算结果一致，证明了有限元仿真的正确性和采用柔性相控阵检测技术的方法在凹面处检测井口装置的可行性。

2 超相控阵检测

设置井口装置关键零部件预置缺陷，将工件切割分离，从试样的管道内部往下钻直径为2mm的平底孔，钻孔深度分别为2mm、7mm和12mm，井口装置预置缺陷实物图，如图4所示。

图4 井口装置预置缺陷图

相控阵柔性探头需要紧贴在试样的凹面进行检测，相控阵柔性探头可以根据被检测物体表面的曲率进行变化，配合耦合剂的使用，可以很好的解决井口装置表面粗糙和曲率不匹配的问题。如图5所示，为不同缺陷相控阵超声图谱，每个超声图谱的顶端都有一段不规则的红色斑点，此处的检测结果受表面粗糙度的影响，不涉及工件内部结构，此部分不影响结果。在工件内部产生杂波的影响较小，在超声图谱结果中颜色最深的区域是试样的底面，这3个检测结果底面的深度是相同的，而工件中预置的3个不同深度的缺陷都在图5中用红色圆圈标记，且在检测出缺陷后，能够检测出井口装置的底面。因此，采用相控阵柔性探头进行检测，能够直观地显示缺陷的位置和分布，满足井口装置的检测需求。

图5 不同缺陷相控阵超声图谱

相控阵超声图谱的结果能够与有限元仿真的结果相对应，将计算机模拟晶元在不同时刻接收到的数据结果绘制成数据面图，如图6所示，圆圈位置出现的波纹，是根据晶元接收到预置缺陷的回波信号绘制的，有限元仿真的不同缺陷深度结果能够与预置缺陷的深度不同相对应，与实际的检测结果相吻合。

图6 有限元仿真数据面图

使用柔性相控阵探头对预置好缺陷的井口装置进行缺陷的检测及采集，在耦合良好的情况下，对缺陷的发现能力比较直观，便于检测人员判断缺陷，提高检测结果的准确性。

通过对有限元仿真的结果和相控阵超声检测结果进行对比，经过分析比较，仿真结果与检测结果能够一一对应，在对井口装置的曲面进行缺陷检测时，能够准确地对缺陷进行定位，说明使用相控阵超声技术进行检测可行。

3 结语

通过对试样预置缺陷进行相控阵超声检测实验，结合计算机模拟分析，验证相控阵柔性探头在检测的阀体、弯头等复杂部位的可行性，形成一套完整的井口装置柔性相控阵检测方法，推进在用井口装置检测评价工作的顺利开展，进一步保证油田的安全生产。曲面结构在诸多部件上都存在，广泛运用在各个领域，本文研究了相控阵柔性探头检测井口装置复杂部位内部缺陷检测的难题，同时满足了其他部件的曲面结构检测需求，可推广运用到诸多领域。