水浸法储气井超声测厚仪开发

简翰鸣，徐 岩，叶柏恒

（1.南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016；2.南京骏博特信息科技有限公司，江苏 南京 210007）

水浸法储气井超声测厚仪开发

简翰鸣1，徐 岩1，叶柏恒2

（1.南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016；2.南京骏博特信息科技有限公司，江苏 南京 210007）

压缩天然气（CNG）储气井是目前我国主要的天然气存储装置，国家监督与检验机构对储气井存在的泄露、腐蚀等不安全因素需进行定期检查与评估。目前，国内CNG储气井缺少高效可靠的专用检测仪器，在参考国内外相关仪器的基础上，利用水浸法超声波测厚原理，研发一种便携式储气井超声测厚仪，该仪器在检验精度达到储气井安全检测标准的基础上，具有价格低、体积小、耐腐蚀、重量轻、操作简便、测厚效率高等优点；同时，还开发检测数据处理软件，能实现储气井安全与否的快速评估、危险部位提醒及腐蚀预判等功能，为储气井安全检测提供有效手段，填补国内此类仪器的空白。

压缩天然气；储气井；便携；超声测厚仪

0 引 言

压缩天然气（CNG）储气井与传统地面储气容器（气瓶和球罐）相比具有安全、高效、占地面积小、经济、环保等优势，被广泛应用于CNG加气站等场所。目前我国储气井约有8000口，而且数量保持着快速的增长。由于多种原因，大量储气井存在着失效的安全隐患。自建成至今，已有许多储气井出现了井筒上冒、下沉、排液管管口断裂、气体泄漏、爆炸等失效形式。造成储气井失效的主要原因有：井筒受外部环境腐蚀，筒壁变薄；井筒受内部气体杂质H2S，水蒸气等腐蚀，造成筒壁变薄；螺纹连接强度减弱，螺纹密封面漏气等[1-5]。

目前我国比较缺少成熟的CNG储气井检测装置，长期以来依靠“听、摸、看、闻”判断储气井运行情况，检测可靠性较低[6]。国外对于CNG储气井的检测也没有成熟的研究报告，基本是借用石油行业的管路检测标准及方法。对于输油气管的检测，德国的智能爬机（smart pig）的检测方法主要是使用漏磁、超声波等阵列传感器自动检测出管道的内外壁腐烛情况，检测结束之后再对检测数据进行分析；日本的智能爬机的检测方法主要是采用直流磁化的方法[7-9]。但经过野外检测的实践表明:日本NKK公司的超声管道智能爬机的检测效率只有73%，德国ROTOMAT和FOTOMAT智能爬机对地下管道的检测效率更低，只有61%[10]；且国外的智能爬机主要用于水平管道的腐蚀检测，并不适宜检测我国的垂直结构CNG储气井。

本文根据国内最大储气井生产安装企业，根据单位与质量检验机构提出的检测需求，在广泛调研国内外检测装置的基础上，提出利用超声测厚的原理开发专用的储气井超声测厚仪。检测精度达0.1mm，在标定管内测得的结果准确可靠，达到相关规定的检测要求。较之现有的仪器，机身轻便小巧，方便操作与携带，仪器成本较低，检测速度较快，检测一口100m深的储气井时间约为40～50min。

1 超声检测基本原理

超声波测厚是目前国内外检测管道壁厚的主流手段，储气井壁的腐蚀主要以厚度均匀减薄为主，其他手段如漏磁检测、视频检测、涡流检测对管壁的均匀减薄均不敏感，射线检测成本较高，易对人体造成伤害[10-11]，这是采用超声波水浸测厚方式的基本依据。储气井是埋在地下各套管用接箍连接的高压容器，设计压力为27.5 MPa，外部用水泥浇灌固定，其具体结构见图1。

图1 压缩天然气储气井结构简图

超声波水浸测厚方法为先在储气井内灌满水，然后放下探测仪器。超声波发射后，在水/钢分界面上，一部分超声波反射回探头，在探头处被探头接收和继续反射，另一部分超声波在水/钢界面进入管壁并在钢/水泥界面被反射回水/钢界面，其中一部分超声波穿过水/钢界面回到探头，另一部分又被反射回钢/水泥界面，如此往复循环下去。根据超声波在管壁中反射不同次数的声程差，即可求得管壁厚度[12]。

2 检测要求与外部条件

我国的储气井分为两种规格：

1）7″储气井（井筒直径177.8mm，壁厚10.36mm）系列产品（法兰式、旋塞式）。

2）9-5/8″储气井（井筒直径 244.5 mm，壁厚11.05mm）系列产品（法兰式、旋塞式）。

根据有关标准，储气井检测仪器的检测精度应不低于0.1mm。除井口装置、井底装置和接箍部位外，壁厚检测应无检测盲区。自动记录壁厚检测全部超声波形和对应的位置数据，可离线复验检测数据[13]。

常见7″（1 in=25.44 mm）储气井最深为200 m，9-5/8″储气井储气井最深为155 m，由于探测时储气井筒需灌满水，水下每100m，压强增加约1MPa，因此仪器按承压2.5 MPa的强度及密封条件进行结构与密封设计。

3 仪器结构设计

3.1 总体结构

探测仪器主要由探头组、上下扶正器、控制面板、存储介质、电池、升降机构组成，仪器探测的数据可存储在U盘中，探测后取出导入电脑进行数据分析。探头连接的电池和电路板放置在钛合金的圆筒中。面板上设有USB接口，并可记录仪器的使用次数，便于定期维护保养。仪器底部装有橡胶垫，以缓冲下降到井底时的撞击。图2为探测仪样机的结构。

3.2 探头排列

由于储气井壁腐蚀的主要方式为壁厚均匀减薄，仪器选用了16个超声探头，延周向均匀分布在仪器底部。每个探头可测得直径约6mm的圆形范围。

图2 探测仪样机结构图

检测时将仪器竖直放下直至井底，提升过程中即可测量。

3.3 扶正结构

储气井壁上往往粘有凝固的油块，两段井筒连接处有接缝，这为仪器在储气井中平稳移动带来了困难。为了提高测厚仪在井中的通过性，并具有良好的扶正效果，扶正器采用弹性加滚动的方式，仪器上下两组扶正器，每组4个滚轮，轮下安装弹簧。给弹簧提供导向的轴直径较小，以防万一探测时仪器被卡在井内，可拉断扶正器中弹簧内的导向轴，将仪器拉出。

3.4 仪器强度

测厚仪在水下工作，最大要承受约2MPa的压强，本文按照2.5MPa的对仪器进行强度设计。整个仪器最薄弱的地方在仪器中间用于放置电路板及电池的主筒体，兼顾强度与重量的因素，中间的圆筒选用钛合金制造，其厚度为8mm。其他部分用不锈钢制造，最薄部分为在上下扶正器筒处，为7.5mm。本文对仪器结构中最薄弱几处进行了强度计算，经强度校核完全能满足使用环境的要求。

3.5 密封结构

仪器的主筒体和上下扶正器使用螺纹连接，螺纹连接长度为25mm，另在螺纹中加入生胶带，达到密封效果；下扶正器和探头座之间的连接也为螺纹密封，长度为20 mm，并加入生胶带；上扶正器和上端盖之间也为螺纹连接，长度为45mm，因为面板需经常打开，增加螺纹长度以保障其密封性。另外，在各螺纹连接的端面都加有密封圈。探头和探头座之间放入一片硅胶垫片，并将探头和探头座的连接处涂胶密封。

4 仪器软硬件开发

4.1 硬件系统开发

硬件系统由探头组，两块超声波发射与接收电路板，一块检测数据处理与转存电路板，一块面板及电池组成。在目前的试验机型上，安装有16个探头，频率为5 MHz，由两块声波发射与接收电路板连接16个探头，每块电路板连接8个探头。连接探头的这两块电路板负责调整超声波发射参数，并接收探头检测的数据，第3块电路板通过处理器赋予数据时间属性以便计算所探测点的深度，然后将其中的数据转存到面板上的U盘中。面板由USB接口、电源开关、工作开关、电源指示灯、工作指示灯、充电接口等组成。其中电源开关用于仪器接通电源，接通时电源指示灯亮起，当按下工作开关时，工作开关亮起，探头组开始发射超声波，U盘开始记录数据。仪器设置为每秒从16个探头获取1000次数据，每次数据传输一个探头的波形图。电池容量为20Ah，可供仪器使用至少4～5 h。目前仪器的探测速度为5 m/min，按井深150～200 m计算，检测每口井约需60～80min，则一次充电可以测量约4口井。硬件系统工作的流程图如图3所示。

图3 硬件系统工作流程图

4.2 应用软件功能开发

将数据存储在U盘中，在电脑端软件可分析探测结果。如图4、图5所示。

仪器共连接了16个探头，即为16个通道，客户端中可查看每个通道在储气井中任意位置的波形图。图4为通道1的波形图，其中横轴显示了采集的数据点个数，纵轴显示了超声波信号经处理后的强弱。仪器可以调整数据点的声程，现设置为100个数据点对应声程10mm。计算壁厚时通过数据分析找出波形图中的每个波峰，计算波峰间的平均数据点数，对应的声程即为所测壁厚，在波形图的左上角显示。由于储气井内壁表面复杂，有时会接收到杂波，因此还需先进行滤波，将杂波过滤。

图4 通道1波形图

图5为每个探头测得储气井壁厚的情况，颜色由绿到红的变化表示储气井壁厚度由厚变薄，灰色为异常（探测器已拿出管道）。客户端软件另可生成检测结果饼状图，不同范围的壁厚数据所占百分比可从图中直观看出，以了解储气井腐蚀的整体情况。

图5 探头检测结果

5 样机测试

5.1 实验室测试

为测量仪器使用情况，制作了一段厚度不均匀的9-5/8″储气井井筒样件；由于储气井井口比井筒略小，为测试仪器是否能顺利通过井口，制作了7″与9-5/8″井口模拟件，即在一段井筒上放置与井口内径相同的套筒。测量时将井筒放入水箱，将水箱加满水后进行测试（如图6所示）。

为测量仪器性能，设计了两种缺陷：1）沿筒壁圆周方向厚度不等的缺陷；2）沿筒壁竖直方向厚度不等的缺陷。

图6 实验室测试装置

第1种缺陷，筒壁一周的厚度分别为9.05，8.5，8.0，7.5，6.95，6.48mm，表1为实际数据与测得数据的对比，测得数据取16个通道所测数据的众数。

表1 第1种缺陷测量结果

第2种缺陷，筒壁从上到下的厚度依次为8.95～9.00 mm，8.45～8.50 mm，7.95～8.00 mm，测量结果如表2所示。

表2 第2种缺陷测量结果

试验表明，仪器所测结果比较接近真实值，误差≤0.1mm。

5.2 现场测试

仪器分别在四川自贡、安徽全椒、安徽蚌埠针对7″储气井和9-5/8″储气井进行了现场测试，测试时通过替换上下扶正器上直径不同的轮子及长度不同的弹簧、螺杆以适应7″储气井和9-5/8″储气井的内壁尺寸。在现场测试中，增加了扶正器螺杆的直径，并选用了更合适的轮子，优化了软件界面，使检测结果更为直观。

测试总结如下：

1）测试50～200 m深度，设备可顺利进出井口，在井中下放、上拉顺畅，密封效果良好；

2）测试速度为3～7.5 m/min，获取检测数据为1000次/s，发现速度≤5m/min时检测效果较好；

3）读取数据正常；

4）分析数据正常；

5）达到标准中规定的要求。

6 结束语

本文基于水浸法超声测厚的原理，开发了高效可靠的便携式超声波测厚仪。经现场测试，仪器性能达到设计要求，可以完成对储气井壁厚度的检测情况，较之现有仪器重量较轻、体积较小，便于携带与操作，具有良好的工程实用价值。下面根据实际情况提出改进思路：

1）设置打捞接口，防止跌落井中没法救出；

2）现在检测数据是存在U盘上的，探测完成后取出存入电脑分析。考虑改为通过电缆实时传送到电脑分析探测情况，这样可以实时掌握探测结果，对有腐蚀的地方可反复测量；

3）扶正器结构改为更容易更换的形式。

[1]高压气地下储气井：SY/T 6535—2002[S].北京：国家经济贸易委员会，2002.

[2]质检总局关于地下储气井安全监查有关事项的公告[Z]. 2014年第42号：1-9.

[3]马宁，刘徐慧，蒲远洋，等.高压地下储气井腐蚀与防护[J].石油化工腐蚀与防护，2008，25（3）：23-26.

[4]李邦宪.储气井监督检验[M].北京：化学工业出版社，2011：121-138.

[5]王璟，崔成哲，惠楠，等.储气井定期检验技术及检测设备体系初探[J].广州化工，2014（16）：125-127.

[6]王珩，苏真伟，陈谋钦.基于多元传感器的人机交互式CNG储气井腐蚀检测系统[J].青岛科技大学学报（自然科学版），2014，35（4）：416-421.

[7]REBER K，BELLER M，WILLEMS H，et al.A new generation of ultrasonic in-line inspection tools for detecting,sizing and locating metal loss and cracks in transmission pipelines[C]∥Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium，2002（1）：665-671.

[8]LIU R，WANG W，YAN S，et al.Engineering measures for preventing upheaval buckling of buried submarine pipelines[J].Applied Mathematics&Mechanics，2012，33（6）：781-796.

[9]TAN G B，WANG D G，LIU S H，et al.Frictional behaviors of rough soft contact on wet and dry pipeline surfaces：With application to deepwater pipelaying[J]. Science China，2013，56（12）：3024-3032.

[10]张超.CNG储气井井底腐蚀超声检测装置研究[D].成都：西南石油大学，2014.

[11]程冬冬.便携式钢管漏磁检测仪的研究[D].合肥：合肥工业大学，2011.

[12]吴迪，滕永平，石坤，等.储气井腐蚀超声波测量系统的研究[C]∥全国第九届无损检测学术年会，2010.

[13]储气井定期检验规则：DB32/T 2681—2014[S].南京：江苏省质量技术监督局，2014.

（编辑：刘杨）

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

简翰鸣（1992-），男，江苏徐州市人，硕士研究生，专业方向为材料加工工程。