王 凯，徐伟津，傅登伟，邱福寿，彭 辉

(1.中石油川庆钻探工程公司安全环保质量监督检测研究院 四川 广汉 618300；

2.中石油新疆油田分公司工程技术研究院 新疆 克拉玛依 834000)

新疆油田SAGD井口装置主要由四通、双管六通和连接的阀门构成，生产时最高工作温度约为280 ℃，长期高温高压下的生产和注汽容易导致井口装置冲刷腐蚀从而引发井口安全事故。新疆油田某作业区曾发生了六通生产副管冲蚀穿透事故。因此，评估井口装置腐蚀情况，提高油田井口装置安全管理，减小事故发生概率是非常必要的工作。SAGD井口装置六通采用平行双管结构铸造而成[1]，两侧流通道(即主管和副管)与垂直主通道相贯处易出现气孔和砂眼，结合六通内部结构和注汽工艺分析得出流体冲蚀集中在主副管出口。根据以前相关试验研究和检验结果[2]，腐蚀易发生在结构和气流突变处。根据井口装置铸造工艺和冲蚀特点，利用超声检测技术对SAGD井口装置进行在线检测和评估，选用电磁超声测厚仪进行壁厚测量，选用超声C扫描技术对冲蚀腐蚀进行范围定量，采用超声相控阵检测技术对材料内部缺陷进行评级，完成井口装置薄弱环节的超声检测。

超声检测是集传感器技术、信号处理技术、模糊识别和图像显示等于一体的综合技术，其技术的分类主要是选用不同耦合方式和不同换能器[3-5]。目前先进的超声无损检测技术主要包括相控阵超声检测技术、空气耦合超声检测技术和激光超声检测技术、超声导波检测技术等，其中激光耦合超声检测技术脉冲激光转换率和灵敏度低且易受材料表面粗糙度和环境振动的影响。空气耦合超声检测技术由于超声衰减性质，检测横向和纵向缺陷分辨率较低。超声导波技术无法精确定量某一部位缺陷，缺陷检出率较低[5-6]。而超声相控阵检测基于多阵元合成声场的工作方式可执行扇形扫查、电子扫查和动态聚焦扫查等，在不移动和更换传感器的情况下，可实现不同角度的斜入射检测，不但提高了检测效率，还极大简化了检测几何形状较为复杂的工件的过程，同时可通过聚焦各区域各点，提高关键性缺陷精确定量能力[7-8]。另外，电磁超声测厚因为不需要耦合剂，对探头磨损小，测量精度较高，能测量小半径管材厚度，已广泛用于材料测厚[9]。超声C扫描技术显示直观和检测速度快[10]，能直观地检测出冲刷导致的六通副管腐蚀缺陷。

2.1 设备与试块

根据实际检测情况，选用广州多浦乐电子科技有限公司生产的32/128PR 型Phascan便携式相控阵超声检测仪和德国NKD-019E电磁超声测厚仪，如图1所示。

图1 超声检测用设备及试块

相控阵检测仪用32阵元相控阵探头，探头频率为5 MHz，晶片宽度为0.5 mm，探头为一维阵元排列，该探头配备36°平直楔块、平斜楔块及带弧度直楔块和斜楔块，检测时用工业超声耦合剂进行耦合。

相控阵检测仪调节参数主要有探头选择、楔块参数、增益、灵敏度，延迟、距离和深度等，相控阵检测仪探头配楔块校准选用CSK-ⅠA和CSK-ⅡA试块，电测超声测厚仪选择Auto模式，并用仪器自带圆形标准块和7B阶梯试块校准。

2.2 检测工艺流程设计

根据现场情况调研结果，SAGD井口装置六通的主副管薄弱环节图如2所示。

图2 SAGD井口装置六通薄弱环节

六通主副管薄弱环节是图2中的红色标识区域，由此设计出检测和校核流程，如图3所示。

图3 SAGD井口装置六通检测与校核流程图

对六通主管和副管的电磁超声测厚为分别测量主通道出口附近的截面，按气流顺时钟方向测量3、6、9和12点方位共4个点；
超声C扫描冲蚀壁厚减薄检测采用探头加直楔块周向扫查，超声相控阵气孔夹渣等缺陷检测采用探头加斜楔块周向和轴向结合扫查，如图4所示。

对新疆油田一作业区65口注汽井井口装置进行检测和分析。

3.1 声测厚结果分析

对上述65口井的主管和副管的壁厚进行超声测量，测量结果如图5所示。其中主管的设计壁厚为19.95 mm，副管的设计壁厚为17.80 mm。将壁厚实测值小于87.5%壁厚设计值(最低标准值)作为壁厚异常处理[11]。

图5 主管和副管壁厚值分布图

由图5可以看出，主管测量值中低于黑色最低标准值线所占比例为15.9%，副管测量点数中低于红色标准值线所占比例为14.8%。初步判定SAGD井口装置在使用过程中存在因壁厚减薄或原始壁厚较小而导致的安全风险。

3.2 超声C扫描检测结果分析

采用超声C扫描对主副管进行全面检测和分析，对检测结果进行对比分析后，其中比较典型的异常信号如图6所示。

图6 某副管壁厚异常信号图

将C扫描检测厚度值小于87.5%设计壁厚的部位和冲刷腐蚀发生点和区域确定为腐蚀异常，将六通的主管和副管中出现异常的井数百分比结果进行统计，如图7所示。

由图7可以看出，主副管所占的比例均在60%以上，副管存在问题的比例多于主管，这也与井口装置的生产工艺相符。主管的长时间生产和副管的工艺流体注入均会导致冲刷腐蚀的出现，检测结果发现C扫描腐蚀异常处通常都是接近主副管靠近主通道的部位且冲蚀区域较大，应对冲蚀问题井进行定期监测，降低生产安全风险。

图7 超声C扫描主副管壁厚异常统计

3.3 超声相控阵检测结果分析

采用超声相控阵检测技术对主副管进行缺陷检测，其中典型缺陷如图8所示，并按照GB/T 7233.2—2010《铸钢件 超声检测 第2部分：高承压铸钢件》中缺陷评定的方法将六通主管和副管分别评级并进行统计分析，结果如图9所示。

图8 某副管内部缺陷检测图

图9 主副管材料内部缺陷级别统计

由图9可以看出主副管1级和2级所占比例均达到70%以上，与材料的原始缺陷进行对比，这些1级和2级范围内的主副管安全系数高，主副管3级和4级所占比例为20%以上，这些3级和4级范围内的主副管安全系数较低。以前的低水平生产工艺制造的SAGD井口装置成型后的装置内存在较多的缺陷，应对安全系数较低的井口装置进行定期监测，降低安全风险。

3.4 强度校核分析

根据API Spec 6A中的相关规定，井口装置强度计算按照ASME标准第Ⅷ卷第Ⅱ册的要求[12]，主副管设计壁厚采用公式(1)进行计算。

(1)

式(1)中：δ为壁厚极限值，mm；
Di为设备最大内径，mm；
P为设计工作压力，MPa；
E为焊接接头系数，其数值设定为1；
C为腐蚀余量，mm；
S为材料的许用应力，MPa。

将超声测厚和超声C扫描的检测结果中的最小值作为强度校核的检测最小壁厚，并代入公式(1)，得到主管和副官的强度校核结果，如图10所示。

图10 强度校核不通过数统计

由图10结果得出腐蚀余量取3 mm时主副管不通过数在0～10%之间；
腐蚀余量取4 mm时不通过数在20%～40%之间；
腐蚀余量取5 mm时不通过数在50%以上。综合分析生产和安全的要求，建议腐蚀余量C取3 mm或者4 mm。建议对余量C=3 mm情况下不通过的井口装置进行更换，对其他情况下校核不通过的井进行定期监控并复检和复核。

超声检测技术作为综合性检测技术对于在役SAGD井口装置的在线检测有较大的优势，其中超声相控阵成像缺陷显示比较清晰，超声壁厚检测和C扫描检测能确定井口装置部位的腐蚀程度、腐蚀位置和腐蚀范围。超声相控阵检测能确定井口装置材料内部缺陷情况，对材料内部缺陷在3级和4级以上的井口装置进行定期监测。在进行强度校核时腐蚀余量取3 mm或4 mm，可符合现场安全和生产的要求。

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