CN211856465U - 一种深水环境下的储气井内检测用超声相控阵检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及储气井超声检测领域，具体是一种深水环境下的储气井内检测用超声相控阵检测装置，该装置应能实现针对大口径储气井内检测，并通过有机玻璃作为传声介质和密封壳体，解决深水环境下的水密封问题。技术方案是：该装置包括设置在井下的内检测装置以及设置在地面连接内检测装置的升降装置、操作端与电源；所述内检测装置包括外壳、扶正器、轮式编码器、探头、相控阵模块、电源模块与光纤发射模块；其特征在于：所述外壳包括不锈钢上壳体以及有机玻璃下壳体，下壳体为筒形并且外圆周面为向内凹陷的凹面，探头为设置在下壳体中的大阵元数圆柱形相控阵探头，探头与下壳体的内径相适合，探头与下壳体内壁之间通过粘接剂实现两者机械装配与声耦合。

Description

一种深水环境下的储气井内检测用超声相控阵检测装置

技术领域

本实用新型涉及储气井超声检测领域，具体是一种储气井超声相控阵自动检测装置。

背景技术

目前我国CNG储气井的超声波检测系统主要有三种：自动悬浮式超声波探头系统、内置旋转式超声波检测系统(IRIS)和超声阵列式地下储气井专用检测系统。其存在的缺陷在于：

这三种系统均采用常规的超声直探头，不能形成周向的自动电子扫描；超声阵列式地下储气井专用检测系统要实现换能器检测区域一定的覆盖，不能采用水浸聚焦方式，否则会导致检测灵敏度和分辨力远低于聚焦探头；自动悬浮式超声波探头系统采用局部水浸技术，存在耦合可靠性问题，且周向的机械旋转扫查检测效率较低；内置旋转式超声波检测系统(IRIS)虽然检测效率较高，但超声波探头放在中间位置，又经45°镜面反射，使焦距变长，一方面不利于检测灵敏度的提高，另一方面不利于横向分辨力的提高。

如对Φ177.8×10.36管子实行内检测，如选择水中焦距25mm，则圆柱形相控阵的直径为107mm，假如按工艺要求阵元间距不大于0.8mm，则直径为107mm圆柱形相控阵的阵元数应不小于420，显然，现有的最大阵元数为128的相控阵仪器满足不了大口径管道超声相控阵内检测的要求。此外，储气井最深达300米，超声检测时，探头需伸入300米水下工作，对常规超声探头可以采用雷莫接头实现线路水密封，但对超声相控阵检测，探头有几百根信号线，无法用雷莫接头，而常规的机械密封方式无法对探头线进行有效的水密封。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种深水环境下的储气井内检测用超声相控阵检测装置，该装置应能实现针对大口径储气井内检测，并通过有机玻璃作为传声介质和密封壳体，解决深水环境下的水密封问题。

本实用新型的技术方案是：

一种深水环境下的储气井内检测用超声相控阵检测装置，包括设置在井下的内检测装置以及设置在地面连接内检测装置的升降装置、操作端与电源；所述内检测装置包括外壳、设置在外壳上的扶正器与轮式编码器、设置在外壳内的探头、相控阵模块、电源模块与光纤发射模块；其特征在于：

所述外壳包括由不锈钢制成的上壳体以及设置在上壳体下方由有机玻璃制成的下壳体；所述下壳体为筒形，下壳体的外圆周面为向内凹陷的凹面；所述探头为设置在下壳体中的大阵元数圆柱形相控阵探头；所述探头与下壳体的内径相适合，探头与下壳体内壁之间通过粘接剂实现两者机械装配与声耦合。

所述大阵元数圆柱形相控阵探头由依次排列在圆周方向的多个小阵元数相控阵探头组成，相邻两个小阵元数相控阵探头之间的部分阵元重叠，每个小阵元数相控阵探头的阵元数小于等于128，相控阵模块分别电连接各个小阵元数相控阵探头。

所述上壳体的顶端设有封盖；所述封盖、上壳体与下壳体之间设有密封圈实现水密封，并且封盖、上壳体与下壳体通过紧固件固定。

所述升降装置包括电机、牵引钢丝、卷绕设备、控制模块与滑轮装置，牵引钢丝连接卷绕设备与内检测装置；所述操作端包括计算机、光纤接收模块与滑环。

所述上壳体内部装有相控阵模块、电源模块与光纤发射模块；所述光纤发射模块通过光纤电连接光纤接收模块，光纤接收模块通过滑环电连接计算机；所述电源通过电源线电连接电源模块。

所述外壳的顶端与底端分别设置若干扶正器，使得外壳与储气井内壁保持平行，保证探头能够有效接收回波信号。

本实用新型的有益效果是：

1、实现大阵元数(大于128)的圆柱形相控阵探头，以满足直径较大的管道对检测频率、波长、焦距、阵元间距等参数的要求，从而实现超声相控阵技术在直径较大的管道超声相控阵内检测中的应用；内检测相控阵周向扫描采用电子线扫描方式，可以避免机械周向扫查引起的探头装置振动和液体扰动，减少上述问题对检测产生的干扰，而且电子线周向扫描比机械周向扫查快很多，极大地提高了检测效率；

2、通过有机玻璃壳体实现探头、探头线的水密封和超声传播，并通过有机玻璃的凹面形状实现声束的轴向聚焦，并保证一定的水中声程，使第二次水/钢界面回波出现在储气井外壁回波之后，精心设计的电子聚焦法则和凹面的曲率形状，使周向电子聚焦和轴向声透镜聚焦在同一位置；

3、由信号集成模块集成各相控阵仪器的成像信息，并在大显示器上实时显示整个管道圆周方向的C扫描、B扫描图像，可以检测某一轴向位置管道周向的壁厚变化、管道椭圆度的变化以及整个管道的壁厚图，也能检测管道内部的缺陷。

附图说明

图1是本实用新型的主视结构示意图。

图2是本实用新型中壳体的主视结构示意图。

图3是本实用新型中下壳体的主视结构示意图。

图4是本实用新型中相控阵探头的俯视结构示意图。

图5是本实用新型中相控阵探头的部分结构示意图。

图6是本实用新型中相控阵探头的周向聚焦原理图。

图7是检测超声波形示意图。

图8是本实用新型中超声系统的连接关系示意图。

图9是本实用新型中传输系统的连接关系示意图。

具体实施方式

本实用新型以国内常用的规格为Φ177.8×10.36的储气井为例，说明本实用新型的具体实施方式。

一种深水环境下的储气井内检测用超声相控阵检测装置，包括设置在地面的升降装置、操作端与电源以及设置在井下(储气井内)的内检测装置，升降装置通过牵引钢丝连接内检测装置，电源与操作端通过光纤电缆连接内检测装置。

所述升降装置包括电机4(步进电机)、牵引钢丝5、卷绕设备8、控制模块9与滑轮装置10，牵引钢丝连接卷绕设备与内检测装置的外壳。所述光纤电缆包括含光纤和电源线，光纤电缆内镶于牵引钢丝中。所述操作端包括计算机1、光纤接收模块20、滑环19。所述计算机可采用笔记本电脑。

所述内检测装置包括外壳、设置在外壳上的扶正器7与轮式编码器6、设置外壳内的相控阵探头2、相控阵模块3、电源模块15(DC-DC模块)与光纤发射模块16。

所述外壳包括封盖18、上壳体14与下壳体13。所述上壳体为两端开口的筒形壳体，封盖固定在上壳体的顶端，下壳体为顶端开口的筒形壳体并且固定在上壳体的底端。所述封盖与上壳体为不锈钢制成，下壳体为有机玻璃制成，下壳体的外圆周面为向内凹陷的凹面13.1(凹面在圆周方向环绕在下壳体的外圆周面上)。凹面的曲率半径可根据需要选择决定。

所述相控阵探头采用大阵元数圆柱形相控阵探头并且设置在下壳体内部。所述大阵元数圆柱形相控阵探头由依次排列在圆周方向的多个小阵元数相控阵探头组成，相邻两个小阵元数相控阵探头之间的部分阵元重叠，每个小阵元数相控阵探头的阵元数小于等于128，相控阵模块分别电连接各个小阵元数相控阵探头。

作为推荐：大阵元数圆柱形相控阵探头由4个128的小阵元数相控阵探头组成(如图4所示，包括探头1、探头2、探头3、探头4)，参与聚焦法则的最大通道数量为8个，两个相邻的小阵元数相控阵探头之间有7个阵元重叠，每个小阵元数相控阵探头由第1至第128编号的128个阵元组成，其中第122至第128编号的阵元同时又作为相邻的另一个小阵元数相控阵探头的第1至第7编号的阵元。大阵元数圆柱形相控阵探头的周向聚焦采用电子聚焦技术，设计相应的聚焦法则控制小阵元数相控阵探头的8个独立的压电晶片(阵元)作为一个单元进行发射，每个单元的阵列发射超声波叠加形成一个新的波前，使之在特定位置聚焦；同时，在这个过程中反射波接收，按照一定的规则和时序控制信号接收单元接收和合成，最后达到合成声束的结果。由于大阵元数圆柱形相控阵探头中相邻的小阵元数相控阵探头之间有7个阵元重叠，因此设有相对应的相控阵模块(现有技术)，相控阵模块由一个同步控制模块和4个相控阵信号处理模块组成，由同步控制模块控制4个相控阵信号处理模块，每个相控阵信号处理模块对应控制一个小阵元数相控阵探头，每个相控阵信号处理模块除同步电路由同步控制模块统一控制外，其他发射控制、接收控制、高速A/D采集、波束合成、数字处理、显示控制等所有实现相控阵检测的功能均由每个相控阵信号处理模块单独完成；工作时由同步控制模块发出一个同步信号同时启动4个相控阵信号处理模块开始电子线扫描，首先由每个探头第1至第8编号的晶片(阵元)组成的阵元孔径按一定的聚焦法则形成超声波聚焦声束，完成后再由各自的相控阵仪器控制其第2至第9晶片(阵元)组成的阵元孔径按相同的聚焦法则形成超声波聚焦声束，直至最后一组第121至第128编号的晶片(阵元)组成的阵元孔径按相同的聚焦法则形成超声波聚焦声束；第122编号的晶片(阵元)相当于相邻的小阵元数相控阵探头的第1个晶片(阵元)，4个相控阵探头的电子线扫描形成的超声波聚焦声束形成一个完整的圆周。第4个小阵元数相控阵探头的最后一组第121至第128编号的晶片(阵元)组成的阵元孔径完成扫描后，再由同步控制模块发出下一个同步信号启动4个相控阵信号处理模块，如需显示整个管道(储气井)圆周方向的超声检测信息，则由信号集成模块(计算机自带)集成各相控阵仪器的成像信息，并在计算机的显示器上显示整个管道圆周方向的成像图，可以检测某一轴向位置管道周向的壁厚变化以及管道椭圆度的变化、整个管道的壁厚图，也能检测管道内部的缺陷。

计算机的成像软件(现有技术)形成实时A扫描、B扫描、C扫描、D扫描图像。C扫描周向采用电子扫描，轴向采用机械扫查，将信号闸门套在储气井内部，检测并记录储气井内部缺陷的位置信息和超声信息；另外，C扫描图像显示不仅针对缺陷检测，也能以色彩方式显示储气井壁厚值，具体方式是通过本实用新型实现厚度的自动测量，设定系列的厚度范围，并对系列的厚度范围以不同的色彩标识，可以实时通过在C扫描图上颜色的变化，看到整个储气井的壁厚情况。B扫描图通过环向电子线扫描实现，可以检测某一轴向位置储气井周向的壁厚变化以及储气井椭圆度的变化。D扫描图针对某一周向位置，通过机械扫描来实现，可以检测储气井纵向厚度的变化。通过C扫描、B扫描、D扫描图像分析便可以检测到一些壁厚减薄类的缺陷，包括表面的腐蚀、介质冲刷造成的冲蚀、表面损伤等。

下壳体13设计成特定的筒形结构，只有顶面设置开口，通过密封圈17(如橡胶密封圈)和紧固件(如螺钉，开口端面加工12个螺纹孔)实现与上壳体与下壳体的水密封(顶盖与上壳体之间也采用相同结构实现水密封)，下壳体的底面和圆周面保证足够的厚度，使之在深水环境下具有一定的刚度，圆周面的有机玻璃厚度(下壳体侧壁的厚度)设计使有机玻璃/水界面回波出现在储气井外壁回波之后，有机玻璃内径(下壳体内壁的内径)与大阵元数圆柱形相控阵探头的外径相吻合，并通过粘接剂实现两者机械装配与声耦合，有机玻璃外圆周面设计成凹面形状，一方面可以实现声束的轴向聚焦，另一方面凹面设计保证一定的水中声程，使第二次水/钢界面回波出现在储气井外壁回波之后。探头激发超声脉冲经有机玻璃壳体进入水中，并传播到达管内和外壁，储气井内外壁的脉冲回波经过水和有机玻璃被探头接受，由此便可以对储气井进行检测。

实际上是采用超声测厚原理(参见图7)，超声波入射波T0通过有机玻璃到达有机玻璃/水界面，产生第一个界面反射波即R1，该反射波为探头接收，形成B1水/有机玻璃界面回波；其透射波T1进入水中到达储气井内壁，会产生第二个水/钢界面的反射波即R2，该反射波为探头接收，形成B2水/钢界面回波；其余透射能量形成透射波T2继续前行，到达储气井外壁，同样会产生一个反射波即R3，此反射波又一次经钢/水界面透射至水中，为探头接收，形成B3外壁界面回波；由于钢中声速固定，储气井的壁厚减少，B2和B3回波之间的距离也随之减少，从而达到检测的目的。

如采用常规超声探头，由于储气井的圆形结构，反射能量可能并不集中，呈发散状，这将引起回波的减弱，严重时达不到换能器的灵敏度要求。本实用新型周向聚焦采用电子聚焦方式。按声束路径求得的延时时间作为各阵元提前激发时间，激发第1至n阵元组，形成在钢中聚焦点1的聚焦声束，完成扫描后以同样的聚焦法则激发第2至n+1阵元组，形成在钢中聚焦点2的聚焦声束，依此类推，直到完成整个圆周向的电子线扫描。有机玻璃圆周面声束通过外圆周面的凹面形状设计，可以实现声束的轴向聚焦，精心设计的电子聚焦法则和凹面的曲率形状(电子聚焦法则和凹面曲率均为现有技术)，使周向电子聚焦和轴向声透镜聚焦在同一位置。

所述相控阵模块3、电源模块15、光纤发射模块16设置在上壳体内部，轮式编码器6安装在封盖18上并且通过压紧弹簧与储气井12内壁接触，轮式编码器的编码器信号线与光纤电缆通过装在封盖18上的雷莫防水插件21实现信号传输和密封。

所述外壳的两端(封盖的顶面与下壳体的底面)分别装有沿径向均布的3组扶正器7，使得内检测装置与管壁保持平行，保证探头能够有效接收回波信号。每组扶正器7包括不锈钢精密滚珠滑组22、弹簧、滚轮23。

整个内检测装置由牵引钢丝5下放至充满水的储气井底，然后由控制模块9控制电机转动，启动卷绕设备8，使牵引钢丝5带动内检测装置上升。检测时，整个内检测装置浸在水中，超声波通过有机玻璃进入水中，再经过水耦合剂进入工件中，进入工件的超声波入射至缺陷或钢外壁将产生超声波反射波，反射波通过水和有机玻璃再回到探头中，探头和编码器用于采集信号并将信号传输至相控阵模块。

所述相控阵模块与相控阵探头组成超声系统。所述光纤电缆、电源模块、光纤发射模块16、光纤接收模块20、滑环组成传输系统。

内检测装置的光纤发射模块16与超声系统通过USB接口进行通信，操作端的光纤接收模块20连接滑环19，滑环1和计算机通过USB接口进行通信，光纤发射模块16与光纤接收模块之间通过光纤连接。工作时，超声系统将采集到的超声图像通过USB接口传输到光纤发射模块16，由该模块通过光纤实时传输到储气井外部的光纤接收模块20。光纤接收模块20通过滑环和USB接口将数据传输到笔记本电脑并经过软件处理后实现实时显示。外部的电源通过电源线电连接电源模块15(DC-DC模块)进行供电。

所述控制模块9包括步进电机驱动器、PLC控制器和电源开关，步进电机驱动器和步进电机相连，PLC控制器用于控制运动方向和速度并控制电源开关的开关情况。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种深水环境下的储气井内检测用超声相控阵检测装置，包括设置在井下的内检测装置以及设置在地面连接内检测装置的升降装置、操作端与电源；所述内检测装置包括外壳、设置在外壳上的扶正器(7)与轮式编码器(6)、设置在外壳内的探头(2)、相控阵模块(3)、电源模块(15)与光纤发射模块(16)；其特征在于：

所述外壳包括由不锈钢制成的上壳体(14)以及设置在上壳体(14)下方由有机玻璃制成的下壳体(13)；所述下壳体为筒形，下壳体的外圆周面为向内凹陷的凹面；所述探头为设置在下壳体中的大阵元数圆柱形相控阵探头；所述探头与下壳体的内径相适合，探头与下壳体内壁之间通过粘接剂实现两者机械装配与声耦合。

2.根据权利要求1所述的一种深水环境下的储气井内检测用超声相控阵检测装置，其特征在于：所述大阵元数圆柱形相控阵探头由依次排列在圆周方向的多个小阵元数相控阵探头组成，相邻两个小阵元数相控阵探头之间的部分阵元重叠，每个小阵元数相控阵探头的阵元数小于等于128，相控阵模块分别电连接各个小阵元数相控阵探头。

3.根据权利要求2所述的一种深水环境下的储气井内检测用超声相控阵检测装置，其特征在于：所述上壳体的顶端设有封盖(18)；所述封盖(18)、上壳体(14)与下壳体之间设有密封圈(17)实现水密封，并且封盖、上壳体与下壳体通过紧固件固定。

4.根据权利要求3所述的一种深水环境下的储气井内检测用超声相控阵检测装置，其特征在于：所述升降装置包括电机(4)、牵引钢丝(5)、卷绕设备(8)、控制模块(9)与滑轮装置(10)，牵引钢丝连接卷绕设备与内检测装置；所述操作端包括计算机(1)、光纤接收模块(20)与滑环(19)。

5.根据权利要求4所述的一种深水环境下的储气井内检测用超声相控阵检测装置，其特征在于：所述上壳体内部装有相控阵模块(3)、电源模块(15)与光纤发射模块(16)；所述光纤发射模块通过光纤电连接光纤接收模块，光纤接收模块通过滑环(19)电连接计算机；所述电源通过电源线电连接电源模块。

6.根据权利要求5所述的一种深水环境下的储气井内检测用超声相控阵检测装置，其特征在于：所述外壳的顶端与底端分别设置若干扶正器(7)，使得外壳与储气井(12)内壁保持平行，保证探头能够有效接收回波信号。

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