相控陣換能裝置、石油鉆鋌螺紋檢測裝置及檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明是關(guān)于一種相控陣換能裝置、石油鉆鋌螺紋檢測裝置及檢測方法，屬于石油鉆具檢測領(lǐng)域，所述的相控陣換能器，其中心頻率為2.5-5MHz，其包括：基體；以及至少8個陣元，所述的陣元為矩形壓電晶片，嵌于所述基體內(nèi)，所述的至少8個陣元相互之間具有間隔且呈直線型分布；所述的楔塊，由有機玻璃或聚丙乙烯制成，所述楔塊包括夾角為45-68°的第一面和第二面，所述的第一面與所述相控陣換能器連接，所述的第二面為弧面；所述的弧面，為凹弧面，其與所述第一面的交線所在圓的直徑為60-170mm；或者所述的弧面，為凸弧面，其與所述第一面的交線所在圓的直徑為38-76mm。本發(fā)明實施例提供的相控陣換能裝置，檢測時信號干擾小，分辨力高，不易出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象。
【專利說明】相控陣換能裝置、石油鉆鋌螺紋檢測裝置及檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種相控陣換能裝置、石油鉆鋌螺紋檢測裝置及檢測方法，屬于石油鉆具檢測領(lǐng)域，特別是涉及一種利用超聲相控陣檢測石油鉆鋌螺紋的檢測裝置及檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鉆鋌的疲勞斷裂容易引起嚴重的事故，鉆鋌疲勞斷裂的裂紋多起源于鉆鋌螺紋底部裂紋，為避免鉆鋌疲勞斷裂，應(yīng)定期對鉆鋌螺紋進行檢測。
[0003]目前，本領(lǐng)域使用A型脈沖反射式超聲儀加直探頭或小角度直探頭對石油鉆鋌螺紋進行檢測，二者都利用A型脈沖反射式超聲儀中的同步脈沖電路產(chǎn)生的高頻電脈沖，由直探頭中的壓電晶片把高頻電脈沖轉(zhuǎn)換成聲能，通過耦合劑，超聲波就在工件中傳播，遇到不同的界面就會在界面上產(chǎn)生折射和反射，反射波被探頭接收，由壓電晶片把聲能轉(zhuǎn)換成電信號，電信號被檢波，放大后送到熒光屏的掃描線上產(chǎn)生波形，只要觀察熒光屏上有無反射，就能判斷螺紋是否有缺陷。
[0004]發(fā)明人在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問題:
[0005]直探頭法測試時，直探頭探入鉆鋌的螺紋孔內(nèi)，聲束沿直線傳播，但螺紋有錐度，主聲束不能到達螺紋底部，檢測使用的是次聲束，因此對深度3mm以下裂紋很容易漏檢；
[0006]小角度直探頭產(chǎn)生的超聲波主聲束沿著平行于鉆鋌螺紋錐度的方向傳播，若遇到螺紋底部裂紋，熒光屏上就顯示出反射波形，觀察反射波可判斷裂紋缺陷，但正常螺紋反射信號對缺陷信號的干擾大，小缺陷無法分辨。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明實施例提供了一種相控陣換能裝置、石油鉆鋌螺紋檢測裝置及檢測方法。所述技術(shù)方案如下:
[0008]一方面，提供了一種相控陣換能裝置，其包括相控陣換能器和楔塊，所述的相控陣換能器，其中心頻率為2.5-5MHZ，其包括:基體；以及至少8個陣元，所述的陣元由矩形壓電晶片構(gòu)成，所述的矩形壓電晶片嵌于所述基體內(nèi)，并且相互之間具有間隔，呈直線型分布；所述的楔塊，由有機玻璃或聚丙乙烯制成，所述楔塊包括夾角為45-68°的第一面和第二面，所述的第一面與所述相控陣換能器連接，所述的第二面為弧面；所述的弧面，為凹弧面，其與所述第一面的交線所在圓的直徑為60-170mm;或者所述的弧面，為凸弧面，其與所述第一面的交線所在圓的直徑為38-76mm。
[0009]較佳的，所述陣元的個數(shù)為16-64個，相鄰兩個所述陣元之間的間距為
0.4-0.6mm,所述陣元的長度為8_12mm。
[0010]具體的，所述陣元的個數(shù)為32，相鄰兩個所述陣元之間的間距為0.5mm，所述陣元的長度為10mm。
[0011]具體的，所述第一面和第二面之間的夾角為55°，其內(nèi)部聲速為2337m/s。[0012]另一方面，提供了一種石油鉆鋌螺紋檢測裝置，其包括相控陣檢測主機，所述的相控陣檢測主機具有成像功能，還包括:上述的相控陣換能裝置；所述的相控陣換能裝置，與所述相控陣檢測主機連接。
[0013]又一方面，提供了一種石油鉆鋌螺紋檢測方法，所述方法包括:
[0014]步驟1:在鉆鋌壁的與螺紋相對的一側(cè)涂覆耦合劑；
[0015]步驟2:使用權(quán)利要求5提供的石油鉆鋌螺紋檢測裝置，將所述楔塊的弧面緊貼所述耦合劑所在的一側(cè)，緩慢推行所述楔塊，從而推動所述相控陣換能器對所述螺紋進行扇形掃描；
[0016]步驟3:利用所述的相控陣換能器將采集到的反射聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號，輸送給所述相控陣檢測主機保存成像；
[0017]步驟4:根據(jù)所述相控陣檢測主機顯示的圖像獲得所述石油鉆鋌的螺紋信息。
[0018]進一步的，步驟4之后，還包括:
[0019]步驟5:若發(fā)現(xiàn)所述圖像有異常部分，則表示所述螺紋有缺陷，利用所述相控陣檢測主機計算所述缺陷的位置及尺寸。
[0020]較佳的，步驟2中的所述扇形掃描，起始角度為35-45°，終止角度為65_85°。
[0021]具體的，步驟2中的所述扇形掃描，起始角度為40°，終止角度為70°。
[0022]步驟5中，所述的利用所述相控陣檢測主機計算所述缺陷的位置及尺寸，具體包括:
[0023]調(diào)取所述相控陣檢測主機內(nèi)的所述石油鉆鋌螺紋的輪廓圖；
[0024]將所述反射波位置對應(yīng)到所述輪廓圖的相應(yīng)位置，確定所述缺陷的位置及尺寸。
[0025]本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是:
[0026]本發(fā)明實施例提供的相控陣換能裝置，其相控陣換能器發(fā)射出可達性良好的超聲聲束，通過使用楔塊，改變所述超聲聲束，使其能夠入射到待檢測石油鉆鋌螺紋的各個方位，從而對石油鉆鋌螺紋進行全方位的檢測，由于螺紋裂紋等缺陷產(chǎn)生的反射聲波信號單獨出現(xiàn)，且與正常螺紋反射聲波信號出現(xiàn)位置不同，所以檢測時信號干擾小，分辨力高，不易出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象。
[0027]上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本發(fā)明的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明實施例1提供的換能裝置的陣元分布圖；
[0029]圖2為本發(fā)明實施例1提供的換能裝置的楔塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖3為本發(fā)明實施例1提供的換能裝置用于測量石油鉆鋌內(nèi)螺紋的工作狀態(tài)示意圖；
[0031]圖4外螺紋石油鉆鋌缺陷常見位置；
[0032]圖5內(nèi)螺紋石油鉆鋌缺陷常見位置；
[0033]圖6為用本發(fā)明實施例3提供的方法測試時正常螺紋區(qū)域產(chǎn)生的反射信號圖；
[0034]圖7為用本發(fā)明實施例3提供的方法測試時一非正常螺紋產(chǎn)生的反射信號圖；
[0035]圖8為用本發(fā)明實施例3提供的方法測試時同一非正常螺紋產(chǎn)生的反射信號圖；【具體實施方式】
[0036]下面結(jié)合具體實施例及附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不作為對本發(fā)明的限定。
[0037]實施例1
[0038]本發(fā)明實施例提供了一種相控陣換能裝置，用于測試石油鉆鋌螺紋，其包括相控陣換能器和楔塊，所述的相控陣換能器，其中心頻率為2.5-5MHz，其包括基體以及至少8個陣元，所述的陣元由矩形壓電晶片構(gòu)成，本實施例中優(yōu)選矩形陶瓷壓電晶片，所述的矩形壓電晶片沿平行于所述基體寬度的方向布局，嵌于所述基體內(nèi)，如圖1所示，以包括16個陣元為例，16個壓電晶體相互之間具有間隔且呈直線型分布，通過控制每個壓電晶片激發(fā)時間，控制產(chǎn)生波束角度；如圖2所示，所述的楔塊由有機玻璃或聚丙乙烯制成，所述楔塊包括第一面11和第二面12，第一面11和第二面12的夾角α為45_68°，第一面11為平面與所述相控陣換能器連接，第二面12為弧面，所述弧面的弧度與待測石油鉆鋌的測量面，即與螺紋相背的一面一致，以使其與石油鉆鋌的測量面緊貼，檢測內(nèi)螺紋的楔塊，其第二面12為凹弧面，其與第一面11交線所在圓的直徑與所述石油鉆鋌外徑相等，石油鉆鋌的外徑一般為60-170mm，因此所述交線所在圓的直徑為60_170mm，檢測外螺紋的楔塊，其第二面12為凸弧面，其與第一面11交線所在圓的直徑與所述石油鉆桿內(nèi)徑相等，石油鉆鋌的內(nèi)徑一般為38-76mm，因此所述交線所在圓的直徑為38_76mm，本實施例中，所述的楔塊用于測量外徑為168_的石油鉆鋌的內(nèi)螺紋，其第二面12為凹弧面，第一面11與第二面12交線所在圓的直徑為168mm。
[0039]參見圖3，本發(fā)明實施例提供的相控陣換能裝置與常規(guī)相控陣測量儀連接后，即可對石油鉆鋌2的內(nèi)螺紋21進行檢測，測量時，在石油鉆鋌2的外壁涂覆一層如機油、漿糊等透聲性好的耦合劑，楔塊I的凹弧面緊貼石油鉆鋌2涂覆耦合劑的一面，推動楔塊I，與楔塊I連接的相控陣換能器3隨著楔塊I移動，對石油鉆鋌I進行扇形掃描，相控陣換能器3將采集到的反射聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號，輸送給所述相控陣檢測儀保存成像；根據(jù)所述相控陣檢測儀顯示的圖像獲得所述石油鉆鋌的螺紋信息。當針對石油鉆鋌2的螺紋裂紋進行檢測時，參見圖4和圖5，由于石油鉆鋌2的螺紋裂紋等缺陷22 —般產(chǎn)生在末三扣的根部，因此檢測時可重點檢測該區(qū)域。
[0040]本發(fā)明實施例提供的相控陣換能裝置，其相控陣換能器發(fā)射出可達性良好的超聲聲束，通過使用楔塊，改變所述超聲聲束，使其能夠入射到待檢測石油鉆鋌螺紋的各個方位，從而對石油鉆鋌螺紋進行全方位的檢測，由于螺紋裂紋等缺陷產(chǎn)生的反射聲波信號單獨出現(xiàn)，且與正常螺紋反射聲波信號出現(xiàn)位置不同，所以檢測時信號干擾小，分辨力高，不易出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象。
[0041]較佳的，所述相控陣換能器的陣元個數(shù)為16-64個，相鄰兩個所述陣元之間的間距為0.4-0.6mm，所述陣元的長度為8_12mm，增加陣元個數(shù)有利于提高波速指向性，提高檢測精度及檢測效率，但是會增加檢測成本，按照該參數(shù)設(shè)置陣元，其波速指向性能夠保證獲得較高的測量精度，并有利于降低成本，優(yōu)選，陣元個數(shù)為32個，陣元之間的間距為0.5mm,所述陣元的長度為10mm。
[0042]較佳的，所述第一面和第二面之間的夾角為55°，其內(nèi)部聲速為2337m/s。由于鉆鋌螺紋缺陷多出現(xiàn)在螺紋尾部，而鉆鋌螺紋尾部所在鉆鋌厚度為20-50_，所述第一面和第二面之間的夾角優(yōu)選45-68° ,55°時效果最好。
[0043]實施例2
[0044]本發(fā)明實施例提供了一種石油鉆鋌螺紋檢測裝置，其包括相控陣檢測主機及上述實施例提供的相控陣換能裝置，所述的相控陣檢測主機可以為任意具有成像功能的相控陣檢測儀，所述的相控陣換能裝置與所述相控陣檢測主機連接。
[0045]本發(fā)明實施例提供的石油鉆鋌螺紋檢測裝置，通過使用上述相控陣換能裝置，能夠?qū)κ豌@鋌螺紋進行全方位的檢測，由于螺紋裂紋等缺陷產(chǎn)生的反射聲波信號單獨出現(xiàn)，且與正常螺紋反射聲波信號出現(xiàn)位置不同，所以檢測時信號干擾小，分辨力高，不易出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象。
[0046]實施例3
[0047]本發(fā)明實施例提供了一種石油鉆鋌螺紋檢測方法，所述方法包括:
[0048]步驟1:在鉆鋌壁的與螺紋相對的一側(cè)涂覆耦合劑，本實施例中所用耦合劑為機油；
[0049]步驟2:使用上述實施例提供的石油鉆鋌螺紋檢測裝置，將所述楔塊的弧面緊貼所述耦合劑所在的一側(cè)，緩慢推行所述楔塊，從而推動所述相控陣換能器對所述螺紋進行扇形掃描；
[0050]使用前，在所述檢測儀內(nèi)輸入:石油鉆鋌的材質(zhì)、待測量的螺紋所在處厚度；相控陣換能器的中心頻率、陣元個數(shù)、陣元間距、陣元長度；楔塊的第一面和第二面的夾角、聲速及第二面的弧度；聚焦法則；聚焦方式；最小掃描角度、最大掃描角度。
[0051]采用標準試塊進行聲速校準，采用標準橫通孔試塊進行延遲校準及靈敏度校準，采用對比試塊進行靈敏度調(diào)節(jié)。
[0052]較佳的，所述扇形掃描，起始角度為35-45°，終止角度為65_85°。因換能器主聲束入射角度優(yōu)選55° ,形成扇形掃描一般選擇55土(10 w 20) ° ,若掃描范圍太小,貝丨J檢測效率低，若掃描范圍太大，則圖像失真較嚴重，優(yōu)選起始角度為40°，終止角度為70°。
[0053]步驟3:利用所述的相控陣換能器將采集到的反射聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號，輸送給所述相控陣檢測主機保存成像；
[0054]步驟4:根據(jù)所述相控陣檢測主機顯示的圖像獲得所述石油鉆鋌的螺紋信息。
[0055]本發(fā)明實施例提供的石油鉆鋌螺紋檢測方法，利用相控陣換能器發(fā)射出可達性良好的超聲聲束，通過使用楔塊，改變所述超聲聲束，使其能夠入射到待檢測石油鉆鋌螺紋的各個方位，從而對石油鉆鋌螺紋進行全方位的檢測，由于螺紋裂紋等缺陷產(chǎn)生的反射聲波信號單獨出現(xiàn)，且與正常螺紋反射聲波信號出現(xiàn)位置不同，所以檢測時信號干擾小，分辨力高，不易出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象；從鉆鋌外圓面檢內(nèi)螺紋，內(nèi)圓面檢外螺紋，不受鉆鋌密封面大小影響，可以檢測所有尺寸鉆鋌。
[0056]較佳的，步驟4之后，還包括:
[0057]步驟5:若發(fā)現(xiàn)所述圖像有異常部分，則表示該異常部分所對應(yīng)的螺紋有缺陷，利用所述相控陣檢測主機計算所述缺陷的位置及尺寸:
[0058]由于扇形掃描聲束遇到裂紋等缺陷時發(fā)生反射，反射信號的幅值和相位包含了反射區(qū)域的大小、形狀、性質(zhì)等信息，因此能給出對裂紋等缺陷具體位置及尺寸。本實施例中，通過調(diào)取所述石油鉆鋌螺紋的輪廓圖；將所述反射波位置對應(yīng)到所述輪廓圖的相應(yīng)位置，可以更直觀形象的觀察螺紋缺陷位置及大小。
[0059]實施例3提供的檢測方法用于檢測帶有內(nèi)螺紋、外徑為168mm的碳鋼和奧氏體不銹鋼石油鉆鋌:
[0060]所述相控陣檢測主機:選用廣州多普勒電子科技有限公司PHASCAN便攜式超聲相控陣探傷儀；
[0061]所述相控陣換能器:根據(jù)鉆鋌螺紋形狀NC23-NC70扣型設(shè)計，陣元個數(shù)為32個，相鄰兩個所述陣元之間的間距為0.5mm，所述陣元的長度為IOmm ；
[0062]所述楔塊,其第一面寬20mm、長20mm、第一面與第二面夾角55° ,第二面對應(yīng)圓的直徑為168mm、內(nèi)部聲速為2337m/s ；
[0063]聚焦法則:扇形；
[0064]聚焦方式:真實深度；
[0065]起始角度:40°，終止角度:70° ；
[0066]采用SGB-3標準試塊進行聲速校準、延遲校準、靈敏度校準；
[0067]采用對比試塊進行靈敏度調(diào)節(jié)，所述對比試塊為采用同規(guī)格、同扣型、同材質(zhì)的螺紋制成的人工缺陷反射體，所述人工缺陷反射體深度1mm，長度20mm，寬度小于1mm，刻槽在其尾部2-3扣處，刻槽深1mm。
[0068]圖6-圖8，為測試結(jié)果圖。
[0069]其中，圖6顯示的為螺紋正常部位在扇形掃描圖形中的情形，圖7顯示的為螺紋出現(xiàn)的缺陷部位在扇形掃描圖形中的60°左右時的情形，圖8為同一缺陷部位在扇形掃描圖形中的45°左右時的情形。
[0070]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種相控陣換能裝置，其包括相控陣換能器和楔塊，其特征在于: 所述的相控陣換能器，其中心頻率為2.5-5MHZ，其包括: 基體；以及 至少8個陣元，所述的陣元由矩形壓電晶片構(gòu)成，所述的矩形壓電晶片嵌于所述基體內(nèi)，并且相互之間具有間隔，呈直線型分布； 所述的楔塊，由有機玻璃或聚丙乙烯制成，所述楔塊包括夾角為45-68°的第一面和第二面，所述的第一面與所述相控陣換能器連接，所述的第二面為弧面； 所述的弧面，為凹弧面，其與所述第一面的交線所在圓的直徑為60-170mm;或者 所述的弧面，為凸弧面，其與所述第一面的交線所在圓的直徑為38-76mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相控陣換能裝置，其特征在于: 所述陣元的個數(shù)為16-64個，相鄰兩個所述陣元之間的間距為0.4-0.6mm，所述陣元的長度為8_12mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的相控陣換能裝置，其特征在于: 所述陣元的個數(shù)為32，相鄰兩個所述陣元之間的間距為0.5mm，所述陣元的長度為10mnin
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任 一項所述的相控陣換能裝置，其特征在于: 所述第一面和第二面之間的夾角為55°，其內(nèi)部聲速為2337m/s。
5.一種石油鉆鋌螺紋檢測裝置，其包括相控陣檢測主機，所述的相控陣檢測主機具有成像功能，其特征在于，還包括: 如權(quán)利要求1-4任一項所述的相控陣換能裝置； 所述的相控陣換能裝置，與所述相控陣檢測主機連接。
6.一種石油鉆鋌螺紋檢測方法，其特征在于，所述方法包括: 步驟1:在鉆鋌壁的與螺紋相對的一側(cè)涂覆耦合劑； 步驟2:使用權(quán)利要求5提供的石油鉆鋌螺紋檢測裝置，將所述楔塊的弧面緊貼所述耦合劑所在的一側(cè)，緩慢推行所述楔塊，從而推動所述相控陣換能器對所述螺紋進行扇形掃描; 步驟3:利用所述的相控陣換能器將采集到的反射聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號，輸送給所述相控陣檢測主機保存成像； 步驟4:根據(jù)所述相控陣檢測主機顯示的圖像獲得所述石油鉆鋌的螺紋信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的石油鉆鋌螺紋檢測方法，其特征在于，步驟4之后，還包括: 步驟5:若發(fā)現(xiàn)所述圖像有異常部分，則表示所述螺紋有缺陷，利用所述相控陣檢測主機計算所述缺陷的位置及尺寸。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的石油鉆鋌螺紋檢測方法，其特征在于，步驟2中的所述扇形掃描，起始角度為35-45°，終止角度為65-85°。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的石油鉆鋌螺紋檢測方法，其特征在于，步驟2中的所述扇形掃描，起始角度為40°，終止角度為70°。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的石油鉆鋌螺紋檢測方法，其特征在于，步驟5中，所述的利用所述相控陣檢測主機計算所述缺陷的位置及尺寸，具體包括: 調(diào)取所述相控陣檢測主機內(nèi)的所述石油鉆鋌螺紋的輪廓圖；將 所述反射波位置對應(yīng)到所述輪廓圖的相應(yīng)位置，確定所述缺陷的位置及尺寸。
【文檔編號】G01N29/06GK103537423SQ201310474379
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月11日
【發(fā)明者】趙峰, 陳先富, 李攀登 申請人:新疆通奧油田技術(shù)服務(wù)有限公司