井口装置是石油天然气开采的核心设备之一，可用于油气井的流体控制。在役井口的阀门是重要的井口装置，保证井

口阀门的正常运行是维持正常生产以及安全保障的重要条件。然而，在阀门使用过程中发现，少量腐蚀介质进入阀门

上部区域，会导致阀门上部T型螺母、阀杆等区域出现比较严重的局部腐蚀，而严重影响阀门的服役性能与可靠性，

造成潜在的安全风险。

在不拆卸状态下，阀杆处于阀门内部，阀体结构复杂且阀体壁厚较大，磁粉、涡流以及传统超声等无损检测方法均难

以穿透阀体进入阀体内部进行检测，目前还未形成在不拆卸状态下有效检测阀门内部阀杆的技术。

对于阀门内部阀杆检测，目前都是将井口阀门回场拆卸后进行检测，不仅检测周期长，成本高，还会影响油气田的正

常生产效率，而且无法从本质上解决在役井口装置的在线检测和评估难题。因此，开展在役井口阀门内部阀杆的在线

检测，对消除阀杆腐蚀缺陷带来的安全隐患与保证气井生产安全具有十分重要的工程意义。

针对上述关键问题，提出了一种基于相控阵超声的阀杆端部激励检测方法，在不拆卸状态实现了在役阀杆腐蚀缺陷的

检测。

01 基于端部激励的阀杆检测原理

基于端部激励的阀杆检测方法是利用相控阵超声检测技术在阀杆裸露出的端部进行激励，在阀杆端部进行回波信号的

发射与接收，不需要对阀门进行拆卸即可对其腐蚀缺陷进行检测。某内部阀杆腐蚀照片如图1所示，相控阵超声检测

端部激励位置如图2所示。

图1 井口阀门内部阀杆腐蚀照片

图2 相控阵超声检测端部激励位置示意

相控阵超声检测技术通过一定的延时法则对阵元进行分时激励，可以实现超声波阵面在不同位置的叠加，从而实现超声合成信号的聚焦或者偏转，相控阵超声偏转和聚焦原理如图3所示。通过偏转和聚焦，可以在不移动超声探头的情况下对特定位置进行聚焦扫查，提高聚焦位置的检测灵敏度，并且利用其偏转特性，可以实现较大范围的声束扫查。

图3 相控阵的偏转和聚焦原理示意

利用相控阵超声对阀杆进行检测时，首先通过超声换能器激发超声信号，激发后产生的超声声束会在阀杆内部传播，当超声声束遇到阀杆中几何形状发生变化的区域时，就会出现反射回波，其检测原理如图4所示。

图4 基于端部激励的阀杆检测原理示意

通过聚焦法则对接收阵元进行延时处理，分别计算每个偏转角度的接收延时时间，按照延时时间对每个阵元的回波信

号进行叠加，即可得到与缺陷信息相关的回波信号，最后通过对比有缺陷和无缺陷情况下的回波信号特征，来实现阀

杆腐蚀缺陷的检测以及定位。

02 仿真分析

仿真模型建立

为对阀杆结构回波信号特征进行分析识别，开展基于端部激励的阀杆相控阵超声仿真分析。采用COMSOL Multiphysic

软件声学模块中的弹性波-时域显示模块建立二维模拟有限元仿真模型进行仿真。

首先基于一种典型的阀杆结构建立仿真所需的二维模型，在易腐蚀的阀杆上部区域（距离端部180 mm处）以及螺纹小

径部分（距离端部270 mm处）设置两个深度为2 mm，宽度为1 mm的槽型缺陷，设置晶片宽度为1 mm，晶片间距为

1.4 mm，激发孔径尺寸为22 mm，探头中心频率为10 MHz，材料中声速为5890 m/s。

为了简化仿真模型从而减少仿真时间以及内存占用，使用分割线段的方法建立超声探头模型，在COMSOL软件中建立

的二维阀杆模型以及简化后的阵元如图5所示。

图5 二维阀杆仿真模型结构示意

使用自由三角形网格对二维模型进行划分，完整网格包含8547个域单元和887个边界单元，求解的自由度数为642425。

采用高斯脉冲信号作为相控阵超声仿真激励源，高斯脉冲信号能量较为集中，余波能量对信号影响较小，有较短的激发时间，且其旁瓣对主波信号的干扰比较小，指向性强。高斯脉冲波形示例如图6所示。

图6 高斯脉冲波形示例

回波信号识别处理

为了确定缺陷位置回波的准确性，需要对阀杆特征结构进行识别，阀杆特征结构位置如图7所示。

图7 阀杆特征结构位置示意

经过仿真得到存在模拟缺陷的情况下，16个阵元接收到的阀杆端部激励的回波信号如图8所示，仿真结果中出现的5个特征回波信号在有缺陷（左）和无缺陷（右）情况下的信号对比如图9所示，通过图8中信号出现的时间计算得到5个信号的位置依次为57，180，225.5，270，364 mm，依次与两个特征结构与两处缺陷对应，其中364 mm处为底波信号。

图8 单次扫查阀杆端部激励的回波信号

图9 阀杆特征回波信号（仿真）

缺陷1的回波信号出现在结构1以及结构2之间，缺陷2回波信号出现在结构2以及底波信号之间，可见回波信号可以很好地反映仿真模型中3个重要结构位置以及2个缺陷位置。

S扫描是相控阵超声检测技术特有的成像方式，通过控制延时法则，使超声波以不同的角度对试件进行扇形扫查。为了直观得到缺陷以及重要结构在工件中的深度位置信息，笔者在仿真软件中设置一定的延时法则，使用全部16晶片进行0°~1.5°的扇形扫查，得到多组回波信号，再利用数据处理软件将回波信号转换为S扫描图像，转换后得到的S扫描图像如图10所示。

图10 回波仿真信号转换后得到的S扫描图像

对比无缺陷以及存在缺陷的S扫描成像结果，可以进行缺陷深度定位，从图10中可以明显观察到在180 mm位置出现

了明显的回波信号（缺陷1），并且其成像位置在两个结构回波之间，与实际模型相匹配。但270 mm处缺陷2回波信

号较为微弱。

为了确定该处信号是否为缺陷引起的回波，对270 mm处缺陷进行相控阵聚焦，对比存在缺陷与不存在缺陷位置的信

号强度可以发现，缺陷2的回波位置恰好处于两螺纹回波之间，并且对比图9(d)的回波信号可以发现，存在缺陷时信号

会出现扰动，可以确定成像结果中270 mm位置处信号为缺陷引起。

03 试验验证

试验设备及试件

试验仪器选用奥林巴斯Omniscan X3型超声检测仪，并且选用中心频率为5 MHz的奥林巴斯5D26-12-64型环形相控

阵探头从阀杆端部进行激励。为了验证缺陷的检出性能，制作了刻有人工缺陷的试件。在距离端面180 mm以及299 

mm位置分别刻有深度依次为2~8 mm，长度为10 mm，宽度为1 mm的人工槽型缺陷。含不同深度缺陷阀杆试件实

物如图11所示，人工缺陷位置如图12所示。

图11 含不同深度缺陷阀杆试件实物

图12 人工缺陷位置示意

为了减小阀杆复杂结构的回波对缺陷检测结果的影响，首先从端面激励确定阀杆分界结构1（57 mm处）以及结构2（225 mm处），对人工刻制有缺陷的阀杆进行检测，阀杆试件相控阵超声检测现场如图13(a)所示，结构回波位置确定结果如图14所示，将检测仪器闸门框在对应位置，通过S扫成像结果可以看到在57 mm位置有明显回波，同样在225 mm位置也有较为明显的结构回波，与实际试件情况相对应。

图14 结构回波位置确定结果

不拆卸状态检测试验

调整相控阵超声检测仪器的显示范围，将刻有缺陷的阀杆装入阀门，在阀门内部进行检测，如图13(b)和(c)所示，首先确定180 mm处缺陷的检出情况，得到的超声回波信号如图15所示，将闸门框选在180 mm位置处，从A扫图像以及S扫图像结果中均可以发现明显的缺陷回波信号。对比无缺陷阀杆S扫成像图像，在180 mm位置处并未出现回波信号。

图15 180 mm处不同深度缺陷的相控阵超声扫描信号

同样的方法将超声显示范围调整至210~310 mm位置，将闸门框选在299 mm位置处，其超声扫描结果如图16所示，可以看出当存在深度为2 mm及以上缺陷时，可以观察到对应位置处有较明显的回波信号，而无缺陷情况下将闸门框选在299 mm处未见明显回波，如图17所示。

图16 299 mm处不同深度缺陷的相控阵超声扫描信号 

图17 无缺陷位置S扫描结果

试验结果表明，基于端部激励的相控阵超声检测技术可以有效检出阀杆缺陷，所提方法对阀杆不拆卸检测具有可行性。

04 结语

(1) 提出了一种基于阀杆端部激励的相控阵超声检测方法，实现了阀杆不拆卸情况下的腐蚀检测。利用相控阵的偏转和

聚焦特性，在阀杆端部激发并接收超声波信号，通过对比无缺陷阀杆回波信号特征，对阀杆结构回波进行分析识别，并

与缺陷回波信号相区分，可以实现阀杆腐蚀缺陷的检测。

(2) 基于仿真分析进行阀杆端部激励验证试验，对两个不同位置刻有深度为2~8 mm缺陷的人工阀杆试件进行检测，所

得结果可以反映缺陷的深度信息，直观定位阀杆结构以及缺陷位置特征，接着将刻有人工缺陷的阀杆试件装入阀门进行

不拆卸状态检测，亦能较准确地识别缺陷存在位置。证明了所提端部激励方法对阀杆进行相控阵超声扫查的可行性。

来源：《无损检测》2023年12期

第一作者简介：刘祥康，高级工程师，主要研究方向为油气井完整性及修井。

通信作者简介：伍剑波，教授，博士生导师，主要研究方向为无损检测与结构健康监测。