基于超聲相控陣技術(shù)的儲氣井井筒檢測系統(tǒng)及其檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于無損探傷設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及針對天然氣加氣站、調(diào)峰站及儲氣站等設(shè)施的壓縮儲氣井的壁厚測量和井壁蝕坑、裂紋等檢測的無損探傷技術(shù)，尤其是涉及一種基于超聲相控陣技術(shù)的儲氣井井筒檢測系統(tǒng)及其檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]壓縮天然氣(CNG)儲氣井由于安全性能高、占地面積小和建造成本低等優(yōu)勢，成為目前國內(nèi)CNG加氣站的基本儲氣方式。自1997年中國石油川西南礦區(qū)在四川建成第一座地下儲氣井組，中國至今已有8000口儲氣井，其中部分已進(jìn)入老年期，因地層水的存在和天然氣本身的低量含硫特性導(dǎo)致井壁腐蝕，存在著爆炸、泄露及井竄等事故隱患。為了保障儲氣井的安全運行，保護(hù)人民的生命財產(chǎn)安全，中國國家質(zhì)監(jiān)部門已將儲氣井納入特種設(shè)備范疇，對其設(shè)計、制造、使用、檢驗以及維修改造實行全過程的安全監(jiān)察。
[0003]目前，儲氣井壁檢測主要有兩種方式，一種是人工檢測，即手持測厚儀進(jìn)行逐點檢測；另一種是自動檢測，即依靠機(jī)械裝置和控制系統(tǒng)自動完成。對于深度可達(dá)300米的儲氣井，人工檢測無疑是一件繁重的勞動作業(yè);同時，檢測數(shù)據(jù)需先存儲，待檢測結(jié)束后再處理，所以，人工檢測不具有實時性。自動檢測又多分為井上設(shè)備和井下設(shè)備，井下設(shè)備是檢測的直接執(zhí)行者，井上設(shè)備則控制著井下設(shè)備的工作方式;兩部分設(shè)備間通訊和井下部分的精確定位要求檢測設(shè)備在檢測過程中盡可能地保持靜止，需固定整套檢測裝置，致使此檢測方式相對復(fù)雜。
[0004]諸多自動檢測方法中，超聲波檢測因穿透性強(qiáng)、方向性好及靈敏度高等特點逐漸代替電阻檢測法、電容檢測法、射線檢測法、渦流檢測法等方法?，F(xiàn)有的超聲波檢測技術(shù)主要采用是內(nèi)旋轉(zhuǎn)檢測系統(tǒng)(IRIS)，分為單探頭旋轉(zhuǎn)、單探頭聲束旋轉(zhuǎn)及多層單探頭環(huán)形陣列等三種檢測方式。單探頭旋轉(zhuǎn)檢測是指探頭軸向垂直于井壁360°旋轉(zhuǎn)掃描;單探頭聲束旋轉(zhuǎn)檢測是指探頭軸向平行于井壁，傾斜45°反射鏡360°旋轉(zhuǎn)完成掃描;這兩種檢測方式對井筒的內(nèi)壁要求極高，儲氣井常見的井筒變形會造成探頭耦合不良、檢測裝置在管內(nèi)卡頓、檢測信號丟失等現(xiàn)象，掃查覆蓋率低，造成一定的漏檢現(xiàn)象。多層單探頭環(huán)形陣列檢測是指每層探頭均勻環(huán)形排列，層間探頭布置錯開一定角度，可依次激勵探頭進(jìn)行掃描;相比上述兩種檢測方式，該檢測的掃查盲區(qū)較小，但是，多個單探頭的使用增加了測試裝置的體積，多探頭之間電性能的不一致性會帶來檢測誤差，操作前的調(diào)校比較困難;多探頭間發(fā)射角的差別、裝配不到位，均會降低儲氣井井筒的掃查覆蓋率。
[0005]中國專利申請CN21010115676.7公開了一種儲氣井井筒壁厚及腐蝕檢測系統(tǒng)與檢測方法，采用的是上述多層單探頭環(huán)形陣列檢測方法。該專利申請在圓周方向布置多層環(huán)形水浸探頭陣列，檢測系統(tǒng)通過層間錯開一定角度以增大覆蓋測量范圍，層間不同探頭接收的聲波需要校準(zhǔn)，且井下設(shè)備在垂直方向上移動位置受層間距離限制，存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測前調(diào)校困難、掃查覆蓋率低、檢測誤差大的缺陷。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供了一種基于超聲相控陣技術(shù)的儲氣井井筒檢測系統(tǒng)及其檢測方法，系統(tǒng)檢測裝置結(jié)構(gòu)簡單，測前調(diào)校方便，掃查覆蓋率高且可實時靈活地調(diào)整，能夠?qū)Ωg部分定位細(xì)查，檢測速度快，檢測精度高。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。
[0008]本發(fā)明的一種基于超聲相控陣技術(shù)的儲氣井井筒檢測系統(tǒng)，包括井上設(shè)備、井下設(shè)備及復(fù)合電纜，所述井上設(shè)備包括系統(tǒng)主機(jī)、控制箱、收線架、定滑輪;所述的定滑輪安裝有編碼器;井下設(shè)備包括扶正器、檢測儀和環(huán)形探頭;所述的復(fù)合電纜由內(nèi)部銅導(dǎo)線、光纖和外層鋼絲組成;銅導(dǎo)線為井下設(shè)備供電，鋼絲拖拽井下設(shè)備工作，光纖是系統(tǒng)主機(jī)與井下設(shè)備的通訊媒介，其特征在于:
[0009]所述的檢測儀為超聲相控陣檢測儀，包括延時模塊、隔離模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、采集卡和光端機(jī);所述的發(fā)射模塊、接收模塊構(gòu)成超聲相控陣檢測儀的收發(fā)電路；
[0010]所述的井下設(shè)備設(shè)置有一個所述的環(huán)形探頭;所述的環(huán)形探頭為環(huán)形相控陣陣列探頭，含有均勻分布在一同層圓周上的多個環(huán)形相控陣陣元組;所述的每個環(huán)形相控陣陣元組具有16η個陣元；
[0011]在進(jìn)行儲氣井井筒檢測時，所述的系統(tǒng)主機(jī)根據(jù)所述的超聲相控陣檢測儀的發(fā)射模塊發(fā)出的超聲波波束偏轉(zhuǎn)角度計算出環(huán)形相控陣陣列探頭的各組陣元相對延時時間，并傳遞給超聲相控陣檢測儀的接收模塊;所述的超聲相控陣檢測儀的延時模塊實現(xiàn)各組陣元的相對延時量，發(fā)射模塊激勵所述的環(huán)形相控陣陣列探頭各個陣元發(fā)射超聲波，隔離模塊保護(hù)后級電路中低電壓器件不被損壞，接收模塊將環(huán)形相控陣陣列探頭接收的回波信號轉(zhuǎn)換成采集卡的輸入信號，采集卡將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字式的電信號，光端機(jī)將數(shù)字式的電信號轉(zhuǎn)換為光信號經(jīng)光纖傳送給系統(tǒng)主機(jī);所述的系統(tǒng)主機(jī)將接收到的回波信號進(jìn)行濾波、放大等處理，以提取有用信號用于分析、成像。
[0012]所述的超聲相控陣檢測儀收發(fā)電路采用陣列式設(shè)計，擁有結(jié)構(gòu)相同的多路通道，每一路通道可單獨激勵、接收和調(diào)理超聲信號，互不干擾。
[0013]所述的超聲相控陣檢測儀的各功能模塊的通道數(shù)等同于單組環(huán)形相控陣陣元數(shù)目；多個環(huán)形相控陣陣元組分時復(fù)用超聲相控陣檢測儀的各個模塊。
[0014]所述的環(huán)形相控陣陣列探頭包含有四個環(huán)形相控陣陣元組，每個環(huán)形相控陣陣元組具有16個陣元。
[0015]所述的井下設(shè)備包括兩個扶正器。
[0016]所述的扶正器設(shè)置有三個間隔為120°連桿結(jié)構(gòu)式支腳，可沿井壁接觸滾動，能夠同步收放。
[0017]本發(fā)明的一種基于超聲相控陣技術(shù)的儲氣井井筒檢測方法，其檢測系統(tǒng)包括井上設(shè)備、井下設(shè)備及復(fù)合電纜，所述井上設(shè)備包括系統(tǒng)主機(jī)、控制箱、收線架、定滑輪;所述的定滑輪安裝有編碼器;井下設(shè)備包括扶正器、檢測儀和環(huán)形探頭;所述的復(fù)合電纜由內(nèi)部銅導(dǎo)線、光纖和外層鋼絲組成;銅導(dǎo)線為井下設(shè)備供電，鋼絲拖拽著井下設(shè)備工作，光纖是系統(tǒng)主機(jī)與井下設(shè)備的通訊媒介，其特征在于:
[0018]所述的檢測儀為超聲相控陣檢測儀，包括延時模塊、隔離模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、采集卡和光端機(jī);所述的發(fā)射模塊、接收模塊構(gòu)成超聲相控陣檢測儀的收發(fā)電路；
[0019]所述的環(huán)形探頭為環(huán)形相控陣陣列探頭，包括均勻分布在一同層圓周上的多個環(huán)形相控陣陣元組，每個陣元組由16η個陣元組成；
[0020]所述檢測方法包括以下步驟:
[0021]步驟1、儲氣井內(nèi)注滿清水，安裝定滑輪、編碼器，用復(fù)合電纜搭建編碼器、控制箱、超聲相控陣檢測儀器三者與系統(tǒng)主機(jī)的通訊系統(tǒng)，并對井下設(shè)備進(jìn)行密封；
[0022]步驟2、啟動系統(tǒng)主機(jī)，將井下設(shè)備放置井內(nèi)，同步編碼器數(shù)據(jù)，定位井下設(shè)備，調(diào)整扶正器與井壁接觸，以保持環(huán)形相控陣陣列探頭與井筒同軸平行；
[0023]步驟3、調(diào)整井下設(shè)備至初始檢測位置，啟動超聲相控陣檢測儀，用控制箱控制井下設(shè)備向上或向下勻速移動，開始掃查工作；
[0024]步驟4、系統(tǒng)主機(jī)根據(jù)超聲波波束偏轉(zhuǎn)角度計算出環(huán)形相控陣陣列探頭的各個陣元相對延時時間，并傳遞給超聲相控陣檢測儀;超聲相控陣檢測儀的延時模塊實現(xiàn)環(huán)形相控陣陣列探頭各個陣元的相對延時量，發(fā)射模塊激勵所述的環(huán)形相控陣陣列探頭各個陣元發(fā)射超聲波，隔離模塊保護(hù)后級電路中低電壓器件不被損壞，接收電路將環(huán)形相控陣陣列探頭接收的回波轉(zhuǎn)換成采集卡的輸入信號，采集卡將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字式的電信號，光端機(jī)將數(shù)字式的電信號轉(zhuǎn)