CN103537423B - 相控阵换能装置、石油钻铤螺纹检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种相控阵换能装置、石油钻铤螺纹检测装置及检测方法，属于石油钻具检测领域，所述的相控阵换能器，其中心频率为2.5-5MHz，其包括：基体；以及至少8个阵元，所述的阵元为矩形压电晶片，嵌于所述基体内，所述的至少8个阵元相互之间具有间隔且呈直线型分布；所述的楔块，由有机玻璃或聚丙乙烯制成，所述楔块包括夹角为45-68°的第一面和第二面，所述的第一面与所述相控阵换能器连接，所述的第二面为弧面；所述的弧面，为凹弧面，其与所述第一面的交线所在圆的直径为60-170mm；或者所述的弧面，为凸弧面，其与所述第一面的交线所在圆的直径为38-76mm。本发明实施例提供的相控阵换能装置，检测时信号干扰小，分辨力高，不易出现漏检现象。

Description

相控阵换能装置、石油钻铤螺纹检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种相控阵换能装置、石油钻铤螺纹检测装置及检测方法，属于石油钻具检测领域，特别是涉及一种利用超声相控阵检测石油钻铤螺纹的检测装置及检测方法。

背景技术

钻铤的疲劳断裂容易引起严重的事故，钻铤疲劳断裂的裂纹多起源于钻铤螺纹底部裂纹，为避免钻铤疲劳断裂，应定期对钻铤螺纹进行检测。

目前，本领域使用A型脉冲反射式超声仪加直探头或小角度直探头对石油钻铤螺纹进行检测，二者都利用A型脉冲反射式超声仪中的同步脉冲电路产生的高频电脉冲，由直探头中的压电晶片把高频电脉冲转换成声能，通过耦合剂，超声波就在工件中传播，遇到不同的界面就会在界面上产生折射和反射，反射波被探头接收，由压电晶片把声能转换成电信号，电信号被检波，放大后送到荧光屏的扫描线上产生波形，只要观察荧光屏上有无反射，就能判断螺纹是否有缺陷。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术至少存在以下问题：

直探头法测试时，直探头探入钻铤的螺纹孔内，声束沿直线传播，但螺纹有锥度，主声束不能到达螺纹底部，检测使用的是次声束，因此对深度3mm以下裂纹很容易漏检；

小角度直探头产生的超声波主声束沿着平行于钻铤螺纹锥度的方向传播，若遇到螺纹底部裂纹，荧光屏上就显示出反射波形，观察反射波可判断裂纹缺陷，但正常螺纹反射信号对缺陷信号的干扰大，小缺陷无法分辨。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种相控阵换能装置、石油钻铤螺纹检测装置及检测方法。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种相控阵换能装置，其包括相控阵换能器和楔块，所述的相控阵换能器，其中心频率为2.5-5MHz，其包括：基体；以及至少8个阵元，所述的阵元由矩形压电晶片构成，所述的矩形压电晶片嵌于所述基体内，并且相互之间具有间隔，呈直线型分布；所述的楔块，由有机玻璃或聚丙乙烯制成，所述楔块包括夹角为45-68°的第一面和第二面，所述的第一面与所述相控阵换能器连接，所述的第二面为弧面；所述的弧面，为凹弧面，其与所述第一面的交线所在圆的直径为60-170mm；或者所述的弧面，为凸弧面，其与所述第一面的交线所在圆的直径为38-76mm。

较佳的，所述阵元的个数为16-64个，相邻两个所述阵元之间的间距为0.4-0.6mm，所述阵元的长度为8-12mm。

具体的，所述阵元的个数为32，相邻两个所述阵元之间的间距为0.5mm，所述阵元的长度为10mm。

具体的，所述第一面和第二面之间的夹角为55°，其内部声速为2337m/s。

另一方面，提供了一种石油钻铤螺纹检测装置，其包括相控阵检测主机，所述的相控阵检测主机具有成像功能，还包括：上述的相控阵换能装置；所述的相控阵换能装置，与所述相控阵检测主机连接。

又一方面，提供了一种石油钻铤螺纹检测方法，所述方法包括：

步骤1：在钻铤壁的与螺纹相对的一侧涂覆耦合剂；

步骤2：使用权利要求5提供的石油钻铤螺纹检测装置，将所述楔块的弧面紧贴所述耦合剂所在的一侧，缓慢推行所述楔块，从而推动所述相控阵换能器对所述螺纹进行扇形扫描；

步骤3：利用所述的相控阵换能器将采集到的反射声波信号转换成电信号，输送给所述相控阵检测主机保存成像；

步骤4：根据所述相控阵检测主机显示的图像获得所述石油钻铤的螺纹信息。

进一步的，步骤4之后，还包括：

步骤5：若发现所述图像有异常部分，则表示所述螺纹有缺陷，利用所述相控阵检测主机计算所述缺陷的位置及尺寸。

较佳的，步骤2中的所述扇形扫描，起始角度为35-45°，终止角度为65-85°。

具体的，步骤2中的所述扇形扫描，起始角度为40°，终止角度为70°。

步骤5中，所述的利用所述相控阵检测主机计算所述缺陷的位置及尺寸，具体包括：

调取所述相控阵检测主机内的所述石油钻铤螺纹的轮廓图；

将所述反射波位置对应到所述轮廓图的相应位置，确定所述缺陷的位置及尺寸。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明实施例提供的相控阵换能装置，其相控阵换能器发射出可达性良好的超声声束，通过使用楔块，改变所述超声声束，使其能够入射到待检测石油钻铤螺纹的各个方位，从而对石油钻铤螺纹进行全方位的检测，由于螺纹裂纹等缺陷产生的反射声波信号单独出现，且与正常螺纹反射声波信号出现位置不同，所以检测时信号干扰小，分辨力高，不易出现漏检现象。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的换能装置的阵元分布图；

图2为本发明实施例1提供的换能装置的楔块结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的换能装置用于测量石油钻铤内螺纹的工作状态示意图；

图4外螺纹石油钻铤缺陷常见位置；

图5内螺纹石油钻铤缺陷常见位置；

图6为用本发明实施例3提供的方法测试时正常螺纹区域产生的反射信号图；

图7为用本发明实施例3提供的方法测试时一非正常螺纹产生的反射信号图；

图8为用本发明实施例3提供的方法测试时同一非正常螺纹产生的反射信号图；

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

实施例1

本发明实施例提供了一种相控阵换能装置，用于测试石油钻铤螺纹，其包括相控阵换能器和楔块，所述的相控阵换能器，其中心频率为2.5-5MHz，其包括基体以及至少8个阵元，所述的阵元由矩形压电晶片构成，本实施例中优选矩形陶瓷压电晶片，所述的矩形压电晶片沿平行于所述基体宽度的方向布局，嵌于所述基体内，如图1所示，以包括16个阵元为例，16个压电晶体相互之间具有间隔且呈直线型分布，通过控制每个压电晶片激发时间，控制产生波束角度；如图2所示，所述的楔块由有机玻璃或聚丙乙烯制成，所述楔块包括第一面11和第二面12，第一面11和第二面12的夹角α为45-68°，第一面11为平面与所述相控阵换能器连接，第二面12为弧面，所述弧面的弧度与待测石油钻铤的测量面，即与螺纹相背的一面一致，以使其与石油钻铤的测量面紧贴，检测内螺纹的楔块，其第二面12为凹弧面，其与第一面11交线所在圆的直径与所述石油钻铤外径相等，石油钻铤的外径一般为60-170mm，因此所述交线所在圆的直径为60-170mm，检测外螺纹的楔块，其第二面12为凸弧面，其与第一面11交线所在圆的直径与所述石油钻杆内径相等，石油钻铤的内径一般为38-76mm，因此所述交线所在圆的直径为38-76mm，本实施例中，所述的楔块用于测量外径为168mm的石油钻铤的内螺纹，其第二面12为凹弧面，第一面11与第二面12交线所在圆的直径为168mm。

参见图3，本发明实施例提供的相控阵换能装置与常规相控阵测量仪连接后，即可对石油钻铤2的内螺纹21进行检测，测量时，在石油钻铤2的外壁涂覆一层如机油、浆糊等透声性好的耦合剂，楔块1的凹弧面紧贴石油钻铤2涂覆耦合剂的一面，推动楔块1，与楔块1连接的相控阵换能器3随着楔块1移动，对石油钻铤1进行扇形扫描，相控阵换能器3将采集到的反射声波信号转换成电信号，输送给所述相控阵检测仪保存成像；根据所述相控阵检测仪显示的图像获得所述石油钻铤的螺纹信息。当针对石油钻铤2的螺纹裂纹进行检测时，参见图4和图5，由于石油钻铤2的螺纹裂纹等缺陷22一般产生在末三扣的根部，因此检测时可重点检测该区域。

本发明实施例提供的相控阵换能装置，其相控阵换能器发射出可达性良好的超声声束，通过使用楔块，改变所述超声声束，使其能够入射到待检测石油钻铤螺纹的各个方位，从而对石油钻铤螺纹进行全方位的检测，由于螺纹裂纹等缺陷产生的反射声波信号单独出现，且与正常螺纹反射声波信号出现位置不同，所以检测时信号干扰小，分辨力高，不易出现漏检现象。

较佳的，所述相控阵换能器的阵元个数为16-64个，相邻两个所述阵元之间的间距为0.4-0.6mm，所述阵元的长度为8-12mm，增加阵元个数有利于提高波速指向性，提高检测精度及检测效率，但是会增加检测成本，按照该参数设置阵元，其波速指向性能够保证获得较高的测量精度，并有利于降低成本，优选，阵元个数为32个，阵元之间的间距为0.5mm，所述阵元的长度为10mm。

较佳的，所述第一面和第二面之间的夹角为55°，其内部声速为2337m/s。由于钻铤螺纹缺陷多出现在螺纹尾部，而钻铤螺纹尾部所在钻铤厚度为20-50mm，所述第一面和第二面之间的夹角优选45-68°，55°时效果最好。

实施例2

本发明实施例提供了一种石油钻铤螺纹检测装置，其包括相控阵检测主机及上述实施例提供的相控阵换能装置，所述的相控阵检测主机可以为任意具有成像功能的相控阵检测仪，所述的相控阵换能装置与所述相控阵检测主机连接。

本发明实施例提供的石油钻铤螺纹检测装置，通过使用上述相控阵换能装置，能够对石油钻铤螺纹进行全方位的检测，由于螺纹裂纹等缺陷产生的反射声波信号单独出现，且与正常螺纹反射声波信号出现位置不同，所以检测时信号干扰小，分辨力高，不易出现漏检现象。

实施例3

本发明实施例提供了一种石油钻铤螺纹检测方法，所述方法包括：

步骤1：在钻铤壁的与螺纹相对的一侧涂覆耦合剂，本实施例中所用耦合剂为机油；

步骤2：使用上述实施例提供的石油钻铤螺纹检测装置，将所述楔块的弧面紧贴所述耦合剂所在的一侧，缓慢推行所述楔块，从而推动所述相控阵换能器对所述螺纹进行扇形扫描；

使用前，在所述检测仪内输入：石油钻铤的材质、待测量的螺纹所在处厚度；相控阵换能器的中心频率、阵元个数、阵元间距、阵元长度；楔块的第一面和第二面的夹角、声速及第二面的弧度；聚焦法则；聚焦方式；最小扫描角度、最大扫描角度。

采用标准试块进行声速校准，采用标准横通孔试块进行延迟校准及灵敏度校准，采用对比试块进行灵敏度调节。

较佳的，所述扇形扫描，起始角度为35-45°，终止角度为65-85°。因换能器主声束入射角度优选55°，形成扇形扫描一般选择55±（10∽20）°，若扫描范围太小，则检测效率低，若扫描范围太大，则图像失真较严重，优选起始角度为40°，终止角度为70°。

步骤3：利用所述的相控阵换能器将采集到的反射声波信号转换成电信号，输送给所述相控阵检测主机保存成像；

步骤4：根据所述相控阵检测主机显示的图像获得所述石油钻铤的螺纹信息。

本发明实施例提供的石油钻铤螺纹检测方法，利用相控阵换能器发射出可达性良好的超声声束，通过使用楔块，改变所述超声声束，使其能够入射到待检测石油钻铤螺纹的各个方位，从而对石油钻铤螺纹进行全方位的检测，由于螺纹裂纹等缺陷产生的反射声波信号单独出现，且与正常螺纹反射声波信号出现位置不同，所以检测时信号干扰小，分辨力高，不易出现漏检现象；从钻铤外圆面检内螺纹，内圆面检外螺纹，不受钻铤密封面大小影响，可以检测所有尺寸钻铤。

较佳的，步骤4之后，还包括：

步骤5：若发现所述图像有异常部分，则表示该异常部分所对应的螺纹有缺陷，利用所述相控阵检测主机计算所述缺陷的位置及尺寸：

由于扇形扫描声束遇到裂纹等缺陷时发生反射，反射信号的幅值和相位包含了反射区域的大小、形状、性质等信息，因此能给出对裂纹等缺陷具体位置及尺寸。本实施例中，通过调取所述石油钻铤螺纹的轮廓图；将所述反射波位置对应到所述轮廓图的相应位置，可以更直观形象的观察螺纹缺陷位置及大小。

实施例3提供的检测方法用于检测带有内螺纹、外径为168mm的碳钢和奥氏体不锈钢石油钻铤：

所述相控阵检测主机：选用广州多普勒电子科技有限公司PHASCAN便携式超声相控阵探伤仪；

所述相控阵换能器：根据钻铤螺纹形状NC23-NC70扣型设计，阵元个数为32个，相邻两个所述阵元之间的间距为0.5mm，所述阵元的长度为10mm；

所述楔块，其第一面宽20mm、长20mm、第一面与第二面夹角55°，第二面对应圆的直径为168mm、内部声速为2337m/s；

聚焦法则：扇形；

聚焦方式：真实深度；

起始角度：40°，终止角度：70°；

采用SGB-3标准试块进行声速校准、延迟校准、灵敏度校准；

采用对比试块进行灵敏度调节，所述对比试块为采用同规格、同扣型、同材质的螺纹制成的人工缺陷反射体，所述人工缺陷反射体深度1mm，长度20mm，宽度小于1mm，刻槽在其尾部2-3扣处，刻槽深1mm。

图6-图8，为测试结果图。

其中，图6显示的为螺纹正常部位在扇形扫描图形中的情形，图7显示的为螺纹出现的缺陷部位在扇形扫描图形中的60°左右时的情形，图8为同一缺陷部位在扇形扫描图形中的45°左右时的情形。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种相控阵换能装置，其包括相控阵换能器和楔块，其特征在于：

所述的相控阵换能器，其中心频率为2.5-5MHz，其包括：

基体；以及

阵元，所述的阵元由矩形压电晶片构成，所述的矩形压电晶片嵌于所述基体内，并且相互之间具有间隔，呈直线型分布；

所述的楔块，由有机玻璃或聚丙乙烯制成，所述楔块包括第一面和第二面，所述的第一面与所述相控阵换能器连接，所述的第二面为弧面；

所述的弧面，为凹弧面，其与所述第一面的交线所在圆的直径为60-170mm；或者，所述的弧面，为凸弧面，其与所述第一面的交线所在圆的直径为38-76mm；

所述阵元的个数为32，相邻两个所述阵元之间的间距为0.5mm，所述阵元的长度为10mm；

所述第一面和第二面之间的夹角为55°，其内部声速为2337m/s；

所述相控阵换能装置还包括：用于对所述楔块和所述阵元进行声速校准的标准试块，用于对所述楔块和所述阵元进行延迟校准及灵敏度校准的标准横通孔试块，以及用于对所述楔块和所述阵元进行灵敏度调节的对比试块。

2.一种石油钻铤螺纹检测装置，其包括相控阵检测主机，所述的相控阵检测主机具有成像功能，其特征在于，还包括：

如权利要求1所述的相控阵换能装置；

所述的相控阵换能装置，与所述相控阵检测主机连接。

3.一种石油钻铤螺纹检测方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：在钻铤壁的与螺纹相对的一侧涂覆耦合剂；

步骤2：使用权利要求2提供的石油钻铤螺纹检测装置，采用标准试块对所述楔块和所述阵元进行声速校准，采用标准横通孔试块对所述楔块和所述阵元进行延迟校准及灵敏度校准，采用对比试块对所述楔块和所述阵元进行灵敏度调节；

步骤3：将所述楔块的弧面紧贴所述耦合剂所在的一侧，缓慢推行所述楔块，从而推动所述相控阵换能器对所述螺纹进行扇形扫描；

步骤4：利用所述的相控阵换能器将采集到的反射声波信号转换成电信号，输送给所述相控阵检测主机保存成像；

步骤5：根据所述相控阵检测主机显示的图像获得所述石油钻铤的螺纹信息。

4.根据权利要求3所述的石油钻铤螺纹检测方法，其特征在于，步骤5之后，还包括：

步骤6：若发现所述图像有异常部分，则表示所述螺纹有缺陷，利用所述相控阵检测主机计算所述缺陷的位置及尺寸。

5.根据权利要求3或4所述的石油钻铤螺纹检测方法，其特征在于，步骤2中的所述扇形扫描，起始角度为35-45°，终止角度为65-85°。

6.根据权利要求5所述的石油钻铤螺纹检测方法，其特征在于，步骤2中的所述扇形扫描，起始角度为40°，终止角度为70°。

7.根据权利要求4所述的石油钻铤螺纹检测方法，其特征在于，步骤6中，所述的利用所述相控阵检测主机计算所述缺陷的位置及尺寸，具体包括：

调取所述相控阵检测主机内的所述石油钻铤螺纹的轮廓图；

将所述反射波位置对应到所述轮廓图的相应位置，确定所述缺陷的位置及尺寸。