水浸法儲(chǔ)氣井超聲測(cè)厚儀開發(fā)

簡(jiǎn)翰鳴，徐 巖，葉柏恒

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.南京駿博特信息科技有限公司，江蘇 南京 210007）

水浸法儲(chǔ)氣井超聲測(cè)厚儀開發(fā)

簡(jiǎn)翰鳴1，徐 巖1，葉柏恒2

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.南京駿博特信息科技有限公司，江蘇 南京 210007）

壓縮天然氣（CNG）儲(chǔ)氣井是目前我國(guó)主要的天然氣存儲(chǔ)裝置，國(guó)家監(jiān)督與檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)氣井存在的泄露、腐蝕等不安全因素需進(jìn)行定期檢查與評(píng)估。目前，國(guó)內(nèi)CNG儲(chǔ)氣井缺少高效可靠的專用檢測(cè)儀器，在參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)儀器的基礎(chǔ)上，利用水浸法超聲波測(cè)厚原理，研發(fā)一種便攜式儲(chǔ)氣井超聲測(cè)厚儀，該儀器在檢驗(yàn)精度達(dá)到儲(chǔ)氣井安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，具有價(jià)格低、體積小、耐腐蝕、重量輕、操作簡(jiǎn)便、測(cè)厚效率高等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，還開發(fā)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件，能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氣井安全與否的快速評(píng)估、危險(xiǎn)部位提醒及腐蝕預(yù)判等功能，為儲(chǔ)氣井安全檢測(cè)提供有效手段，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)此類儀器的空白。

壓縮天然氣；儲(chǔ)氣井；便攜；超聲測(cè)厚儀

0 引 言

壓縮天然氣（CNG）儲(chǔ)氣井與傳統(tǒng)地面儲(chǔ)氣容器（氣瓶和球罐）相比具有安全、高效、占地面積小、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于CNG加氣站等場(chǎng)所。目前我國(guó)儲(chǔ)氣井約有8000口，而且數(shù)量保持著快速的增長(zhǎng)。由于多種原因，大量?jī)?chǔ)氣井存在著失效的安全隱患。自建成至今，已有許多儲(chǔ)氣井出現(xiàn)了井筒上冒、下沉、排液管管口斷裂、氣體泄漏、爆炸等失效形式。造成儲(chǔ)氣井失效的主要原因有：井筒受外部環(huán)境腐蝕，筒壁變??；井筒受內(nèi)部氣體雜質(zhì)H2S，水蒸氣等腐蝕，造成筒壁變??；螺紋連接強(qiáng)度減弱，螺紋密封面漏氣等[1-5]。

目前我國(guó)比較缺少成熟的CNG儲(chǔ)氣井檢測(cè)裝置，長(zhǎng)期以來依靠“聽、摸、看、聞”判斷儲(chǔ)氣井運(yùn)行情況，檢測(cè)可靠性較低[6]。國(guó)外對(duì)于CNG儲(chǔ)氣井的檢測(cè)也沒有成熟的研究報(bào)告，基本是借用石油行業(yè)的管路檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及方法。對(duì)于輸油氣管的檢測(cè)，德國(guó)的智能爬機(jī)（smart pig）的檢測(cè)方法主要是使用漏磁、超聲波等陣列傳感器自動(dòng)檢測(cè)出管道的內(nèi)外壁腐燭情況，檢測(cè)結(jié)束之后再對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；日本的智能爬機(jī)的檢測(cè)方法主要是采用直流磁化的方法[7-9]。但經(jīng)過野外檢測(cè)的實(shí)踐表明:日本NKK公司的超聲管道智能爬機(jī)的檢測(cè)效率只有73%，德國(guó)ROTOMAT和FOTOMAT智能爬機(jī)對(duì)地下管道的檢測(cè)效率更低，只有61%[10]；且國(guó)外的智能爬機(jī)主要用于水平管道的腐蝕檢測(cè)，并不適宜檢測(cè)我國(guó)的垂直結(jié)構(gòu)CNG儲(chǔ)氣井。

本文根據(jù)國(guó)內(nèi)最大儲(chǔ)氣井生產(chǎn)安裝企業(yè)，根據(jù)單位與質(zhì)量檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)提出的檢測(cè)需求，在廣泛調(diào)研國(guó)內(nèi)外檢測(cè)裝置的基礎(chǔ)上，提出利用超聲測(cè)厚的原理開發(fā)專用的儲(chǔ)氣井超聲測(cè)厚儀。檢測(cè)精度達(dá)0.1mm，在標(biāo)定管內(nèi)測(cè)得的結(jié)果準(zhǔn)確可靠，達(dá)到相關(guān)規(guī)定的檢測(cè)要求。較之現(xiàn)有的儀器，機(jī)身輕便小巧，方便操作與攜帶，儀器成本較低，檢測(cè)速度較快，檢測(cè)一口100m深的儲(chǔ)氣井時(shí)間約為40～50min。

1 超聲檢測(cè)基本原理

超聲波測(cè)厚是目前國(guó)內(nèi)外檢測(cè)管道壁厚的主流手段，儲(chǔ)氣井壁的腐蝕主要以厚度均勻減薄為主，其他手段如漏磁檢測(cè)、視頻檢測(cè)、渦流檢測(cè)對(duì)管壁的均勻減薄均不敏感，射線檢測(cè)成本較高，易對(duì)人體造成傷害[10-11]，這是采用超聲波水浸測(cè)厚方式的基本依據(jù)。儲(chǔ)氣井是埋在地下各套管用接箍連接的高壓容器，設(shè)計(jì)壓力為27.5 MPa，外部用水泥澆灌固定，其具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 壓縮天然氣儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

超聲波水浸測(cè)厚方法為先在儲(chǔ)氣井內(nèi)灌滿水，然后放下探測(cè)儀器。超聲波發(fā)射后，在水/鋼分界面上，一部分超聲波反射回探頭，在探頭處被探頭接收和繼續(xù)反射，另一部分超聲波在水/鋼界面進(jìn)入管壁并在鋼/水泥界面被反射回水/鋼界面，其中一部分超聲波穿過水/鋼界面回到探頭，另一部分又被反射回鋼/水泥界面，如此往復(fù)循環(huán)下去。根據(jù)超聲波在管壁中反射不同次數(shù)的聲程差，即可求得管壁厚度[12]。

2 檢測(cè)要求與外部條件

我國(guó)的儲(chǔ)氣井分為兩種規(guī)格：

1）7″儲(chǔ)氣井（井筒直徑177.8mm，壁厚10.36mm）系列產(chǎn)品（法蘭式、旋塞式）。

2）9-5/8″儲(chǔ)氣井（井筒直徑 244.5 mm，壁厚11.05mm）系列產(chǎn)品（法蘭式、旋塞式）。

根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，儲(chǔ)氣井檢測(cè)儀器的檢測(cè)精度應(yīng)不低于0.1mm。除井口裝置、井底裝置和接箍部位外，壁厚檢測(cè)應(yīng)無檢測(cè)盲區(qū)。自動(dòng)記錄壁厚檢測(cè)全部超聲波形和對(duì)應(yīng)的位置數(shù)據(jù)，可離線復(fù)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)[13]。

常見7″（1 in=25.44 mm）儲(chǔ)氣井最深為200 m，9-5/8″儲(chǔ)氣井儲(chǔ)氣井最深為155 m，由于探測(cè)時(shí)儲(chǔ)氣井筒需灌滿水，水下每100m，壓強(qiáng)增加約1MPa，因此儀器按承壓2.5 MPa的強(qiáng)度及密封條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)與密封設(shè)計(jì)。

3 儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)

探測(cè)儀器主要由探頭組、上下扶正器、控制面板、存儲(chǔ)介質(zhì)、電池、升降機(jī)構(gòu)組成，儀器探測(cè)的數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)在U盤中，探測(cè)后取出導(dǎo)入電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。探頭連接的電池和電路板放置在鈦合金的圓筒中。面板上設(shè)有USB接口，并可記錄儀器的使用次數(shù)，便于定期維護(hù)保養(yǎng)。儀器底部裝有橡膠墊，以緩沖下降到井底時(shí)的撞擊。圖2為探測(cè)儀樣機(jī)的結(jié)構(gòu)。

3.2 探頭排列

由于儲(chǔ)氣井壁腐蝕的主要方式為壁厚均勻減薄，儀器選用了16個(gè)超聲探頭，延周向均勻分布在儀器底部。每個(gè)探頭可測(cè)得直徑約6mm的圓形范圍。

圖2 探測(cè)儀樣機(jī)結(jié)構(gòu)圖

檢測(cè)時(shí)將儀器豎直放下直至井底，提升過程中即可測(cè)量。

3.3 扶正結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)氣井壁上往往粘有凝固的油塊，兩段井筒連接處有接縫，這為儀器在儲(chǔ)氣井中平穩(wěn)移動(dòng)帶來了困難。為了提高測(cè)厚儀在井中的通過性，并具有良好的扶正效果，扶正器采用彈性加滾動(dòng)的方式，儀器上下兩組扶正器，每組4個(gè)滾輪，輪下安裝彈簧。給彈簧提供導(dǎo)向的軸直徑較小，以防萬一探測(cè)時(shí)儀器被卡在井內(nèi)，可拉斷扶正器中彈簧內(nèi)的導(dǎo)向軸，將儀器拉出。

3.4 儀器強(qiáng)度

測(cè)厚儀在水下工作，最大要承受約2MPa的壓強(qiáng)，本文按照2.5MPa的對(duì)儀器進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)。整個(gè)儀器最薄弱的地方在儀器中間用于放置電路板及電池的主筒體，兼顧強(qiáng)度與重量的因素，中間的圓筒選用鈦合金制造，其厚度為8mm。其他部分用不銹鋼制造，最薄部分為在上下扶正器筒處，為7.5mm。本文對(duì)儀器結(jié)構(gòu)中最薄弱幾處進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，經(jīng)強(qiáng)度校核完全能滿足使用環(huán)境的要求。

3.5 密封結(jié)構(gòu)

儀器的主筒體和上下扶正器使用螺紋連接，螺紋連接長(zhǎng)度為25mm，另在螺紋中加入生膠帶，達(dá)到密封效果；下扶正器和探頭座之間的連接也為螺紋密封，長(zhǎng)度為20 mm，并加入生膠帶；上扶正器和上端蓋之間也為螺紋連接，長(zhǎng)度為45mm，因?yàn)槊姘逍杞?jīng)常打開，增加螺紋長(zhǎng)度以保障其密封性。另外，在各螺紋連接的端面都加有密封圈。探頭和探頭座之間放入一片硅膠墊片，并將探頭和探頭座的連接處涂膠密封。

4 儀器軟硬件開發(fā)

4.1 硬件系統(tǒng)開發(fā)

硬件系統(tǒng)由探頭組，兩塊超聲波發(fā)射與接收電路板，一塊檢測(cè)數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)存電路板，一塊面板及電池組成。在目前的試驗(yàn)機(jī)型上，安裝有16個(gè)探頭，頻率為5 MHz，由兩塊聲波發(fā)射與接收電路板連接16個(gè)探頭，每塊電路板連接8個(gè)探頭。連接探頭的這兩塊電路板負(fù)責(zé)調(diào)整超聲波發(fā)射參數(shù)，并接收探頭檢測(cè)的數(shù)據(jù)，第3塊電路板通過處理器賦予數(shù)據(jù)時(shí)間屬性以便計(jì)算所探測(cè)點(diǎn)的深度，然后將其中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到面板上的U盤中。面板由USB接口、電源開關(guān)、工作開關(guān)、電源指示燈、工作指示燈、充電接口等組成。其中電源開關(guān)用于儀器接通電源，接通時(shí)電源指示燈亮起，當(dāng)按下工作開關(guān)時(shí)，工作開關(guān)亮起，探頭組開始發(fā)射超聲波，U盤開始記錄數(shù)據(jù)。儀器設(shè)置為每秒從16個(gè)探頭獲取1000次數(shù)據(jù)，每次數(shù)據(jù)傳輸一個(gè)探頭的波形圖。電池容量為20Ah，可供儀器使用至少4～5 h。目前儀器的探測(cè)速度為5 m/min，按井深150～200 m計(jì)算，檢測(cè)每口井約需60～80min，則一次充電可以測(cè)量約4口井。硬件系統(tǒng)工作的流程圖如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)工作流程圖

4.2 應(yīng)用軟件功能開發(fā)

將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在U盤中，在電腦端軟件可分析探測(cè)結(jié)果。如圖4、圖5所示。

儀器共連接了16個(gè)探頭，即為16個(gè)通道，客戶端中可查看每個(gè)通道在儲(chǔ)氣井中任意位置的波形圖。圖4為通道1的波形圖，其中橫軸顯示了采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)，縱軸顯示了超聲波信號(hào)經(jīng)處理后的強(qiáng)弱。儀器可以調(diào)整數(shù)據(jù)點(diǎn)的聲程，現(xiàn)設(shè)置為100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)聲程10mm。計(jì)算壁厚時(shí)通過數(shù)據(jù)分析找出波形圖中的每個(gè)波峰，計(jì)算波峰間的平均數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，對(duì)應(yīng)的聲程即為所測(cè)壁厚，在波形圖的左上角顯示。由于儲(chǔ)氣井內(nèi)壁表面復(fù)雜，有時(shí)會(huì)接收到雜波，因此還需先進(jìn)行濾波，將雜波過濾。

圖4 通道1波形圖

圖5為每個(gè)探頭測(cè)得儲(chǔ)氣井壁厚的情況，顏色由綠到紅的變化表示儲(chǔ)氣井壁厚度由厚變薄，灰色為異常（探測(cè)器已拿出管道）?？蛻舳塑浖砜缮蓹z測(cè)結(jié)果餅狀圖，不同范圍的壁厚數(shù)據(jù)所占百分比可從圖中直觀看出，以了解儲(chǔ)氣井腐蝕的整體情況。

圖5 探頭檢測(cè)結(jié)果

5 樣機(jī)測(cè)試

5.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

為測(cè)量?jī)x器使用情況，制作了一段厚度不均勻的9-5/8″儲(chǔ)氣井井筒樣件；由于儲(chǔ)氣井井口比井筒略小，為測(cè)試儀器是否能順利通過井口，制作了7″與9-5/8″井口模擬件，即在一段井筒上放置與井口內(nèi)徑相同的套筒。測(cè)量時(shí)將井筒放入水箱，將水箱加滿水后進(jìn)行測(cè)試（如圖6所示）。

為測(cè)量?jī)x器性能，設(shè)計(jì)了兩種缺陷：1）沿筒壁圓周方向厚度不等的缺陷；2）沿筒壁豎直方向厚度不等的缺陷。

圖6 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試裝置

第1種缺陷，筒壁一周的厚度分別為9.05，8.5，8.0，7.5，6.95，6.48mm，表1為實(shí)際數(shù)據(jù)與測(cè)得數(shù)據(jù)的對(duì)比，測(cè)得數(shù)據(jù)取16個(gè)通道所測(cè)數(shù)據(jù)的眾數(shù)。

表1 第1種缺陷測(cè)量結(jié)果

第2種缺陷，筒壁從上到下的厚度依次為8.95～9.00 mm，8.45～8.50 mm，7.95～8.00 mm，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 第2種缺陷測(cè)量結(jié)果

試驗(yàn)表明，儀器所測(cè)結(jié)果比較接近真實(shí)值，誤差≤0.1mm。

5.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

儀器分別在四川自貢、安徽全椒、安徽蚌埠針對(duì)7″儲(chǔ)氣井和9-5/8″儲(chǔ)氣井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試時(shí)通過替換上下扶正器上直徑不同的輪子及長(zhǎng)度不同的彈簧、螺桿以適應(yīng)7″儲(chǔ)氣井和9-5/8″儲(chǔ)氣井的內(nèi)壁尺寸。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，增加了扶正器螺桿的直徑，并選用了更合適的輪子，優(yōu)化了軟件界面，使檢測(cè)結(jié)果更為直觀。

測(cè)試總結(jié)如下：

1）測(cè)試50～200 m深度，設(shè)備可順利進(jìn)出井口，在井中下放、上拉順暢，密封效果良好；

2）測(cè)試速度為3～7.5 m/min，獲取檢測(cè)數(shù)據(jù)為1000次/s，發(fā)現(xiàn)速度≤5m/min時(shí)檢測(cè)效果較好；

3）讀取數(shù)據(jù)正常；

4）分析數(shù)據(jù)正常；

5）達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的要求。

6 結(jié)束語

本文基于水浸法超聲測(cè)厚的原理，開發(fā)了高效可靠的便攜式超聲波測(cè)厚儀。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，儀器性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以完成對(duì)儲(chǔ)氣井壁厚度的檢測(cè)情況，較之現(xiàn)有儀器重量較輕、體積較小，便于攜帶與操作，具有良好的工程實(shí)用價(jià)值。下面根據(jù)實(shí)際情況提出改進(jìn)思路：

1）設(shè)置打撈接口，防止跌落井中沒法救出；

2）現(xiàn)在檢測(cè)數(shù)據(jù)是存在U盤上的，探測(cè)完成后取出存入電腦分析。考慮改為通過電纜實(shí)時(shí)傳送到電腦分析探測(cè)情況，這樣可以實(shí)時(shí)掌握探測(cè)結(jié)果，對(duì)有腐蝕的地方可反復(fù)測(cè)量；

3）扶正器結(jié)構(gòu)改為更容易更換的形式。

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（編輯：劉楊）

Development of gas storage well thickness ultrasonic measuring device by water immersion method

JIAN Hanming1，XU Yan1，YE Baiheng2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics&Astronautics，Nanjing 210016，China；2.Nanjing Jumpbyte Information Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210007，China）

Compressed natural gas（CNG）storage wells are currently the mostly applied equipment for storage of natural gas in China.National monitoring and inspection agency will conduct regular inspections and assessments on leaks，corrosion and other unsafe factors of gas storage wells.At present，domestic CNG storage wells lack efficient and reliable detective devices.Based on the reference to related devices in China and abroad，a portable ultrasonic thickness measuring device forgas storage wells is developed byusingwaterimmersion ultrasonicthicknessmeasuring method.Thedevice hasthe precision meeting the detection safety standardsand hasthe advantages oflow price，smallsize，corrosion resistance，lightweight，simple operation，efficiency in detection，etc.At the same time，a data-processing software is developed which can realize quick safety assessments of storage wells， hazardous location warning， corrosion prejudgment，etc.It provides an effective means for gas storage well safety check and fills the blank of such domestic instruments in China.

compressed natural gas（CNG）；gas storage well；portable；ultrasonic thickness measuring device

A

：1674-5124（2016）12-0082-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.12.017

2016-03-28；

：2016-05-05

簡(jiǎn)翰鳴（1992-），男，江蘇徐州市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)椴牧霞庸すこ獭?/p>