CN103134855B - 地下储气井井壁自动化综合检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于储气井井壁壁厚腐蚀检测和裂纹探伤的地下储气井井壁自动化综合检测系统及检测方法。该系统包括井上的上位机、位置测量装置、电缆升降装置、直流电源和井下的移动式检测器，移动式检测器通过铠装电缆与井上设备通讯并得到供电，节省了电缆所占据的空间，方便了野外操作。移动式检测器内设有壁厚腐蚀检测探头组和裂纹检测探头组，能同时完成对壁厚腐蚀和裂纹的检测，使储气井的检测更全面。同时，本系统的井下设备整合了激励、接收放大、信号的处理与传输功能，从而使超声信号不必经过长距离传输到地面再进行处理，大大提高了信号的保真度和信噪比，使检测结果更为准确。

Description

地下储气井井壁自动化综合检测系统及检测方法

技术领域

 本发明属于工业用储气井超声波检测领域，具体涉及一种用于储气井井壁壁厚腐蚀检测和裂纹探伤的地下储气井井壁自动化综合检测系统及检测方法。

背景技术

高压地下储气井（以下简称储气井）作为CNG加气站一种新型储气设备，是以储存压缩天然气体为目的的一种特殊的安装在地下的、管状立式压力容器，井身结构采用螺纹(无焊接)连接，工作压力高达25MPa，具有占地面积小、安全性强、运行费用低、操作维护简便等优点。但储气井套管深埋地下(最深达260m)，由于地层电化学、疲劳腐蚀等原因，会造成局部区域壁厚减薄，存在极大的安全隐患，因而对储气井进行定期的状况检测显得至关重要。

目前，国内采用超声波技术作为储气井套管检验的主要手段，但采用的检测方法一方面仅局限于壁厚腐蚀的检测，关于另一种关键缺陷--裂纹缺陷的检测却没有涉及，这样造成对储气井的检测不全面，容易漏掉一些关键的缺陷从而造成安全隐患。另一方面现有的设备中井下设备和井上设备采用光纤传输，光纤传输虽然具有传输速度快、传输数据量大的优点，但光纤在野外操作中过于脆弱，容易在操作过程中造成损坏，而且除光纤外还要配备用于输送检测器至井下的电缆，使一套设备要配备两套电缆及两套线辊增加了设备复杂性。

发明内容

为克服上述现有技术中的不足，本发明提供了一种地下储气井井壁自动化综合检测系统及检测方法，能利用一根电缆实现井下设备的供电、通讯和悬挂，并能利用一套设备完成壁厚腐蚀和裂纹的检测，简化了设备的构成，实现了井壁状况的全面综合检测。

本发明采用的技术方案如下：一种地下储气井井壁自动化综合检测系统，包括井上的上位机、位置测量装置、电缆升降装置、直流电源和井下的移动式检测器，井下的移动式检测器通过铠装电缆与井上的上位机和直流电源连接，进行通讯并得到供电，铠装电缆绕过位置测量装置和电缆升降装置，实现移动式检测器的位置测量和匀速升降，铠装电缆两端还设有通讯协议转换模块；所述的电缆升降装置包括位于井口一侧的滚轮a和位于井口正上方的滚轮b，位置测量装置包括旋转编码器和计数器，旋转编码器与滚轮a相连，旋转编码器的输出信号经计数器处理后通过USB接口传输给上位机；所述的移动式检测器设有电缆连接头、跟随器及两个腔体，两腔体均为水密封，两腔体内分别设有超声检测电子模块组和超声探头组，超声检测电子模块组包括电源模块、数据传输模块、探头激励和信号接收放大模块、模数转换和数字信号处理模块，超声探头组包括壁厚腐蚀检测探头组和裂纹检测探头组，各探头组的探头沿腔体圆周方向环向排列。

 本发明所述的检测系统分为井上和井下两部分，井下的移动式检测器通过一根铠装电缆与井上的电源和上位机连接，实现检测器的供电和通讯，同时电缆还与升降装置连接，实现检测器的悬挂和升降。电缆绕过两个滚轮连接到检测器上，两个滚轮分别位于井口一侧和井口上方，井口上方的滚轮挂在吊车上或通过支架支撑，位于井口的正上方，保证检测器垂直下降到井内。井口一侧的滚轮上安装有旋转编码器，随滚轮转动发送脉冲信号，并经计数器处理后得到检测器的位置信息，再经USB口传送给上位机。

由于检测器在水下工作，必须做好防水工作，因此本发明在检测器上设置了密闭检测腔，检测腔有两个腔体，分别采用水密封，两腔体分别容纳超声电子检测模块组和超声探头组。为能同时测得壁厚腐蚀和裂纹缺陷数据，本发明将超声探头组分为两组，分别检测两种缺陷数据，两组探头均沿腔体圆周方向环向排列，最大范围覆盖井壁，探头的个数和超声电子的通道数相同并视实际检测需求而定。壁厚腐蚀检测和裂纹检测可采用一次下井测试同时进行也可采用分别检测的方式使壁厚腐蚀检测和裂纹检测分两次下井测试完成。超声检测电子模块组完成了超声信号的收集和处理直接得到关于壁厚腐蚀和裂纹缺陷数据，从而避免了超声信号因长距离电缆传输引起的衰减，处理后的数据以RS-485或RS-422格式进行数据传输保证了传送的可靠性。

所述的铠装电缆为多芯电缆，电缆外部包有接地屏蔽层，内部有多股相互绝缘的导线，其中两根导线负责为移动式检测器供电，其余导线负责完成移动式检测器和上位机的通讯。利用一根电缆和一套线辊即可实现检测器的供电、通讯和悬挂，而且铠装电缆耐用性强，更适合野外操作环境。

本发明的井下设备和井上设备采用RS-232串口通讯协议交换数据，但由于RS-232通讯方式传输距离有限，因此在铠装电缆两端设置RS-232/RS-485转换模块或RS-232/RS-422转换模块，将上位机输出的单端RS-232通讯信号转换为双端差分的RS-485或RS-422模式的信号再通过铠装电缆输送，信号到达电缆另一端再转换回单端RS-232信号后传给检测器。具体选RS-485模式还是RS-422模式取决于电缆缆芯的个数。如为六芯以下电缆选用RS-485模式，如电缆为六芯或更多采用RS-422模式。

本发明在检测器内同时设有壁厚腐蚀检测探头和裂纹检测探头，壁厚腐蚀检测探头组和裂纹检测探头组可以同一腔体内上下罗列，同时进行检测，也可以分位于两个腔体内分别进行检测。

上文所述的上位机为笔记本电脑，其内安装有系统通讯和显示软件，把分别经RS-232串口得到的缺陷数据和经USB口得到的检测器位置数据进行整合，以C扫描和曲线的方式显示出来。

上述检测系统使用前先安装好各个设备，上位机、直流电源、电缆辊位于检测车内，操作人员在车上操作检测系统。将电缆依次绕过升降装置的两个滚轮，并将一滚轮支撑在井口正上方，另一滚轮置于井口一侧，电缆一端与直流电源和上位机连接，另一端与检测器上的连接头连接。检测系统的操作过程如下：

（1）、打开电源，开启电缆升降装置，将移动式检测器吊入储气井井口，以检测器探头组刚没入井内水面为准。

（2）、打开上位机的检测软件，进行初始化设置，设置完成后启动扫描，系统进入自动扫描状态开始检测；软件的开始状态会提示操作者输入系统初始设置文件名，文件名输入后系统会自动按设置文件对系统的参数进行配置，操作者可逐一检查每个通道的原始信号以保证系统处于正常操作状态，操作者可以通过人机界面对井下的检测器参数进行设置，设置完成后按扫描开始按钮，系统开始扫描。

（3）、启动升降装置使检测器匀速下降，超声检测电子模块组按指令依次激励探头发射超声信号并接收超声信号，进行放大、模数转换后由数字信号处理模块分析处理得到壁厚腐蚀或裂纹缺陷信息，数据结果经铠装电缆传给上位机；检测器的升降和探头的工作同时进行。旋转编码器同步工作，发送跟输送电缆长度对应的脉冲信号，脉冲信号经计数器处理后转换成检测器位置数值，经USB口上传给上位机。

（4）、上位机把检测器传上来的数据与位置测量装置提供的位置数据结合后生成实时更新的C扫描图和带状图对结果进行显示；

（5）、检测器到达井底，自动扫描结束，系统存储扫描结果并回至初始状态；

（6）、操作者启动数据浏览软件评估扫描结果，并用人工方式复检缺陷信息；扫描结果中如有壁厚腐蚀或裂纹缺陷提示，操作者应把系统移到相应位置并以人工方式复检在该位置的超声信号，对自动扫描获得的缺陷进行确认，如确认为缺陷应把该处的原始信号进行存储以作为更具体的缺陷判定依据。

（7）、人工复检完成，操作者把检测器升到井外，完成该井的检测。

本发明具有如下优点：

1、将壁厚腐蚀检测和裂纹检测综合在一起，使储气井的检测更全面，进一步保证储气井的运营安全；

2、本系统的检测器整合了探头激励、信号接收放大、信号处理与传输功能，从而使超声信号不必经过长距离导线传输到地面再进行处理，大大提高了信号的保真度和信噪比，使检测结果更为准确可靠；

3、检测器处理过的数据经通讯协议转换模块由单端的RS-232信号转换为差分的RS-485或RS-422信号进行传输，保证了信号传输的准确性和可靠性。

4、信号传输采用和电源共用的单根铠装电缆，简化了设备构成，大大方便了野外操作，降低了由于电缆引起的故障率。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述：

图1是本发明的系统组成图；

图2是本发明的系统框图；

图3是本发明的检测流程图；

图4是移动式检测器结构示意图；

图5是实施例1探头组排列图；

图6是实施例2探头组排列图；

图中，1、上位机，2、电缆辊，3、铠装电缆，4、滚轮a，5、滚轮b，6、支架，7、移动式检测器，8、旋转编码器，9、计数器，10、直流电源，11、RS-232/RS-485转换模块，12、超声检测电子模块组，121、电源模块，122、数据传输模块，123、模数转换和数字信号处理模块，124、探头激励和信号接收放大模块，13、超声探头组，131、壁厚腐蚀检测探头组，132、裂纹检测探头组，14、电缆连接头，15、上端跟随器，16、检测电子腔，17、下端跟随器，18、探头腔。

具体实施方式

一种地下储气井井壁自动化综合检测系统，如图1所示，包括井上的上位机1、位置测量装置、电缆升降装置、电缆辊2、直流电源10和井下的移动式检测器7，上位机1、电缆辊2和直流电源10位于检测车上，操作人员在检测车上操作检测系统，上位机1采用笔记本电脑，其内装有系统通讯和检测软件。所述的电缆升降装置包括位于井口一侧的滚轮a4和位于井口正上方的滚轮b5，滚轮b5通过支架6固定在井口上方。井下设备通过铠装电缆3进行通讯和供电，铠装电缆3盘绕在电缆辊2上，一端与上位机1和直流电源10连接，另一端绕过两滚轮后与井下的移动式检测器7连接，所述的铠装电缆3为多芯电缆，电缆外部包有接地屏蔽层，内部有多股相互绝缘的导线，其中两根导线负责为移动式检测器7供电，其余导线负责完成移动式检测器7和上位机1的通讯，铠装电缆3整体完成检测器的悬挂升降。铠装电缆3两端还设有RS-232/RS-485转换模块11，将RS-232信号转换成RS-485再由电缆传输，到达位置后再转换成RS-232信号，便于检测数据的长距离传输。位置测量装置包括旋转编码器8和计数器9，旋转编码器8与滚轮a4相连，旋转编码器8的输出信号经计数器9处理后通过USB接口传输给上位机1。

所述的移动式检测器7依次设有电缆连接头14、上端跟随器15、检测电子腔16、下端跟随器17和探头腔18，电缆连接头14用来连接铠装电缆3的连接头，两跟随器用来保证检测器探头组与井壁的对中以保证测量效果。检测电子腔16和探头腔18均为水密封，两腔体内分别用来盛放超声检测电子模块组12和超声探头组13，超声检测电子模块组12包括电源模块121、数据传输模块122、探头激励和信号接收放大模块124、模数转换和数字信号处理模块123，这些模块组按功能可分为数字模块和模拟模块两类，数字模块用于接收上位机的指令并对检测器的参数进行读取或更改，还对接收的超声信号进行模数转换并直接处理得出壁厚腐蚀或裂纹缺陷信息，对应的是模数转换和数字信号处理模块123。模拟模块可按数字模块提供的时序和指令对探头进行激励，再进行接收放大等处理后传回数字模块，模拟模块对应的是探头激励和信号接收放大模块124。超声检测电子模块的设置参数可通过铠装电缆由上位机进行读取和修改。上位机1将经RS-232串口得到的缺陷数据和经USB接口得到的检测器位置数据进行整合，生成检测结果图像。

实施例1  超声探头组13包括壁厚腐蚀检测探头组131和裂纹检测探头组132，两探头组上下罗列且位于同一腔体内，可以是如图5-a所示，裂纹检测探头组132在上方，壁厚腐蚀检测探头组131在下方，也可以是如图5-b所示，裂纹检测探头组132在下方，壁厚腐蚀检测探头组131在上方，各探头组的探头沿腔体圆周方向环向排列。壁厚腐蚀检测和裂纹检测一次下井测试同时进行。

实施例2  超声探头组13包括壁厚腐蚀检测探头组131和裂纹检测探头组132，两探头组分别位于两个腔体内，图6-a是裂纹检测探头组132所在腔，图6-b是壁厚腐蚀检测探头组131所在腔，各探头组的探头沿腔体圆周方向环向排列。 壁厚腐蚀检测和裂纹检测分两次下井测试完成。

上述检测系统使用前先安装好各个设备，上位机1、直流电源10、电缆辊2位于检测车内，操作人员在车上操作检测系统。将电缆依次绕过升降装置的两个滚轮，并将滚轮b5支撑在井口正上方，滚轮a4置于井口一侧，电缆一端与直流电源10和上位机1连接，另一端与检测器上的连接头连接。检测系统的检测流程如图3所示，具体操作过程如下：

（1）、打开电源，开启电缆升降装置，将移动式检测器7吊入储气井井口，以检测器探头组刚没入井内水面为准。

（2）、打开上位机1的检测软件，进行初始化设置，设置完成后启动扫描，系统进入自动扫描状态开始检测；软件的开始状态会提示操作者输入系统初始设置文件名，文件名输入后系统会自动按设置文件对系统的参数进行配置，操作者可逐一检查每个通道的原始信号以保证系统处于正常操作状态，操作者可以通过人机界面对井下的检测器参数进行设置，设置完成后按扫描开始按钮，系统开始扫描。

（3）、启动升降装置使检测器匀速下降，超声检测电子模块组12按指令依次激励探头发射超声信号并接收超声信号，进行放大、模数转换后由数字信号处理模块分析处理得到壁厚腐蚀或裂纹缺陷信息，数据结果经铠装电缆3传给上位机1；检测器的升降和探头的工作同时进行。旋转编码器8同步工作，发送跟输送电缆长度对应的脉冲信号，脉冲信号经计数器处理后转换成检测器位置数值，经USB口上传给上位机。

（4）、上位机1把检测器传上来的数据与位置测量装置提供的位置数据结合后生成实时更新的C扫描图和带状图对结果进行显示；

（5）、检测器到达井底，自动扫描结束，系统存储扫描结果并回至初始状态；

（6）、操作者启动数据浏览软件评估扫描结果，并用人工方式复检缺陷信息；扫描结果中如有壁厚腐蚀或裂纹缺陷提示，操作者应把系统移到相应位置并以人工方式复检在该位置的超声信号，对自动扫描获得的缺陷进行确认，如确认为缺陷应把该处的原始信号进行存储以作为更具体的缺陷判定依据。

（7）、人工复检完成，操作者把检测器升到井外，完成该井的检测。

Claims (7)

1.一种地下储气井井壁自动化综合检测系统，包括井上的上位机（1）、位置测量装置、电缆升降装置、直流电源（10）和井下的移动式检测器（7），其特征在于：井下的移动式检测器通过铠装电缆（3）与井上的上位机（1）和直流电源（10）连接，进行通讯并得到供电，铠装电缆（3）绕过位置测量装置和电缆升降装置，实现移动式检测器（7）的位置测量和匀速升降，铠装电缆（3）两端还设有通讯协议转换模块，所述的通讯协议转换模块为RS-232/RS-485转换模块（11）；所述的电缆升降装置包括位于井口一侧的滚轮a（4）和位于井口正上方的滚轮b（5），位置测量装置包括旋转编码器（8）和计数器（9），旋转编码器（8）与滚轮a（4）相连，旋转编码器（8）的输出信号经计数器（9）处理后通过USB接口传输给上位机（1）；所述的移动式检测器（7）设有电缆连接头（14）、跟随器及两个腔体，两腔体均为水密封，两腔体内分别设有超声检测电子模块组（12）和超声探头组（13），超声检测电子模块组（12）包括电源模块（121）、数据传输模块（122）、探头激励和信号接收放大模块（124）、模数转换和数字信号处理模块（123），超声探头组（13）包括壁厚腐蚀检测探头组（131）和裂纹检测探头组（132），各探头组的探头沿腔体圆周方向环向排列。

2.根据权利要求1所述的地下储气井井壁自动化综合检测系统，其特征在于：  所述的铠装电缆（3）为多芯电缆，电缆外部包有接地屏蔽层，内部有多股相互绝缘的导线，其中两根导线负责为移动式检测器（7）供电，其余导线负责完成移动式检测器（7）和上位机（1）的通讯。

3.根据权利要求1或2所述的地下储气井井壁自动化综合检测系统，其特征在于：铠装电缆（3）两端的通讯协议转换模块为RS-232/RS-422转换模块。

4.根据权利要求1所述的地下储气井井壁自动化综合检测系统，其特征在于：壁厚腐蚀检测探头组（131）和裂纹检测探头组（132）在同一腔体内上下罗列。

5.根据权利要求1所述的地下储气井井壁自动化综合检测系统，其特征在于：壁厚腐蚀检测探头组（131）和裂纹检测探头组（132）分位于两个腔体内。

6.根据权利要求1所述的地下储气井井壁自动化综合检测系统，其特征在于：所述上位机（1）为笔记本电脑，其内安装有系统通讯和显示软件。

7.应用权利要求1所述检测系统进行地下储气井井壁自动化综合检测的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）、打开电源，开启电缆升降装置，将移动式检测器吊入储气井井口，以检测器探头组刚没入井内水面为准；

（2）、打开上位机的检测软件，进行初始化设置，设置完成后启动扫描，系统进入自动扫描状态开始检测；

（3）、启动升降装置使检测器匀速下降，超声检测电子模块组按指令依次激励探头发射超声信号并接收超声信号，进行放大、模数转换后由数字信号处理模块分析处理得到壁厚腐蚀或裂纹缺陷信息，数据结果经铠装电缆传给上位机；旋转编码器同步工作，发送跟输送电缆长度对应的脉冲信号，脉冲信号经计数器处理后转换成检测器位置数值，经USB口上传给上位机；

（4）、上位机把检测器传上来的数据与位置测量装置提供的位置数据结合后生成实时更新的C扫描图和带状图对结果进行显示；

（5）、检测器到达井底，自动扫描结束，系统存储扫描结果并回至初始状态；

（6）、操作者启动数据浏览软件评估扫描结果，并用人工方式复检缺陷信息；

（7）、人工复检完成，操作者把检测器升到井外，完成该井的检测。