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空心抽油杆的超声导波检测

2014/11/13 22:45:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  摘 要:利用超声纵向导波对抽油杆缺陷进行检测。将空心抽油杆简化为一管状波导,利用管道中的导波频散曲线,并结合抽油杆的缺陷检测要求,设计出适合抽油杆缺陷检测的传感器,选择合适的导波模态对抽油杆表面上宽1 mm、深1 mm的周向槽进行检测,试验结果表明将抽油杆简化为管状波导是可行的,利用设计的环状传感器激发出纵向轴对称L(0,2)导波模态,有效检出了抽油杆表面的缺陷。

  抽油杆是有杆泵采油井中必不可少的器件,我国的原油大部分都是依靠有杆深井泵抽油系统生产的。尤其是20世纪80年代开始,随着我国主要油田进入中后期开采,投入开发的油藏类型越来越复杂,空心抽油杆的需求量剧增。新旧抽油杆投入使用前都需要检测。目前,用于抽油杆检测的方法主要有涡流检测和荧光磁粉检测[1,2]。但由于它们对被检测抽油杆的材料均有要求,且检测步骤复杂,费时费力,效率较低,尚待完善。因此,希望有一种省时高效的检测技术弥补已有检测技术的不足。笔者将超声导波技术用于抽油杆检测,以实现抽油杆缺陷的快捷识别和定位。

  导波检测的最大优点是检测的全面性和低耗费。超声导波在整个试件内都有质点的振动,声场遍及试件的整个壁厚,因此可探测试件壁的整个厚度。另外由于导波本身的特性(沿传播路径衰减很小),其可以沿试件传播非常远的距离,在较短时间内就能完成基于时域信号接收的整个试件的检测。

  1 管道中的柱面超声导波

  在圆柱和圆柱壳中传播的超声导波称为柱面导波。超声波在板、棒及空心圆柱壳等波导中传播时,由于结构厚度这种特征几何尺寸的影响,结构中传播的超声波的速度依赖于波的频率,从而导致超声波的几何弥散[3,4]。即导波中相速度Vph随频率的不同而改变。这种现象就是导波的频散。另外,对于任何给定的频率,至少存在两种模态,它们以不同的群速度Vgr传播,这就导致了导波的复杂性[5~8]由导波在波导中的传播特性可知,导波在管中的传播要比在板中复杂得多,在空心圆柱管中沿轴向传播的超声波存在三种不同的模态,即纵向、扭转和弯曲模态[9~11]。图1为利用Disperse软件[12]得到的钢管中导波的频散曲线,由于管道中超声导波的复杂性,此处仅给出纵向导波模态。

  

  钢管密度7.932 g/cm3,内半径31.43 mm,壁厚5. 5 mm,纵波速度5. 96 m/ms,横波速度3.26 m/ms。从图1可以看出导波在钢管中的传播非常复杂,其速度随频率变化而改变,且对应一个频率点上,存在多种模式的导波。导波的这种频散特性和多模态特性使得对接收信号的分析和处理变得困难,故选择合适的导波模式和激励频率就显得尤为重要。由图1可见,在较低频率,如0. 1 ~0.3 MHz时,L(0,2)模态的群速度较大,而频散特性不明显,这对于缺陷信号的识别是有利的。同时考虑到导波的波长对缺陷检测能力的影响,由于L(0,2)模态在该频率范围内轴向位移沿管道壁厚方向分布均匀,有利于管道表面缺陷的检测[5],因此试验中采用了L(0,2)模态的导波。

  由于所要检测的空心抽油杆具有管道的外形,且与上述钢管的材质和内外半径均相同,唯一不同的就在于它有一尾部阶梯,但从理论上讲并不会太多改变导波在其中传播的频散曲线。只是在缺陷信号的识别上会比普通管道复杂一些。故将空心抽油杆简化为一管状波导进行研究。

  2 空心抽油杆检测的试验研究

  2.1 试验装置

  基于超声导波的抽油杆检测装置如图2所示。用该装置检测抽油杆首先要对激励信号进行优化,理论上选单频激励信号效果最好,但严格的单频信号很难产生,在试验中只能选择频带较窄的信号,在此选择经汉宁窗调制的10周期的正弦信号作为激励信号。将该信号通过RS232串口通信从任意波形发生器输入到功率放大器进行信号放大后,峰峰值可达150V。这种窄带激励既可提高信号强度,又增加了导波的传播距离。放大后的信号经转换开关就可作用在传感器上激励超声导波。导波在传播过程中若遇到缺陷或端面将会发生反射,反射回波及端面回波将被传感器接收,所接收到的信号包含了有关管道整体性的信息[4]。结合抽油杆中的导波频散曲线(图1)自行设计了收发两用压电陶瓷环状传感器,其同时作为激励传感器和接收传感器。传感器接收的信号经前置放大器放大后被采集到数字示波器,利用示波器可对采集信号进行时域和频域分析。

  

  

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