鉆具過渡區(qū)探傷機(jī)理及工藝研究

朱北洋

摘要：石油鉆桿是鉆柱的重要組成部分，在使用過程中，常有疲勞和腐蝕裂紋等缺陷產(chǎn)生，如果不能及時(shí)檢出，將導(dǎo)致刺穿或斷裂事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。目前國(guó)內(nèi)外還沒有檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)加重鉆桿過渡區(qū)進(jìn)行檢測(cè)，需要建立一套完整和準(zhǔn)確的加重鉆桿過渡區(qū)工藝檢測(cè)體系。本文對(duì)鉆桿過渡區(qū)超聲相控陣檢測(cè)等方面進(jìn)行分析和研究，對(duì)鉆桿內(nèi)腐蝕缺陷、鉆桿過渡區(qū)超聲相控陣腐蝕成像技術(shù)、加重鉆桿過渡區(qū)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及分析。

關(guān)鍵詞：鉆具過渡區(qū);超聲相控陣技術(shù);腐蝕;探傷

一.鉆具過渡區(qū)探傷機(jī)理及工藝國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鉆具失效問題已進(jìn)行多方面的研究，并且取得了顯著的成果。人們提出了多種辦法以延長(zhǎng)鉆具的使用壽命，如提升加工工藝、改進(jìn)鉆具結(jié)構(gòu)、更換優(yōu)質(zhì)材料等，但這些都不能改變鉆具過渡區(qū)的破壞機(jī)理。在國(guó)外，Pari S 等利用應(yīng)力強(qiáng)度因子方法對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)行分析。同年，Irwin提出了小范圍屈服塑性區(qū)修正鉆具的方法。Millhemi.K.Kslo通過有限元法對(duì)下部鉆具三維靜態(tài)力學(xué)模型進(jìn)行建立和分析，通過空間直梁?jiǎn)卧獙?duì)鉆具結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，利用間隙元對(duì)鉆具與井壁的接觸摩擦狀態(tài)進(jìn)行模擬。由于在其研究中沒有考慮穩(wěn)定器與井壁的間隙以及其接觸狀態(tài)，使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況偏差較大。sutko A.A等在 Millhemi的研究基礎(chǔ)上，將鉆具看作性質(zhì)可變的靜態(tài)梁，并引入了軸向力，使鉆具力學(xué)問題的研究得到進(jìn)步。

在國(guó)內(nèi)，高德利等將鉆具的疲勞及磨損失效分為低應(yīng)力疲勞破壞、塑性疲勞斷裂以及受環(huán)境介質(zhì)影響的疲勞磨損失效形式等。閻鐵等建立了鉆鋌螺紋連接處的有限元模型，分析并指出鉆鋌斷裂的主要原因是鉆鋌螺紋連接處的應(yīng)力集中。 楊自林等根據(jù)鉆柱在井內(nèi)的受力情況，將鉆柱分為四個(gè)失效段進(jìn)行研究，以對(duì)其失效的原因進(jìn)行分析。房舟等進(jìn)行了室內(nèi)微觀和腐蝕實(shí)驗(yàn)，并找出鉆具失效的主要原因，并提出了合理的改進(jìn)方案及對(duì)策，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較好。

二.鉆具過渡區(qū)探傷機(jī)理

目前鉆具過渡區(qū)探傷機(jī)理主要是利用超聲波檢測(cè)原理，內(nèi)表面超聲波檢測(cè)均為A型超聲波，最主要的判據(jù)依據(jù)是缺陷當(dāng)量，缺陷當(dāng)量由缺陷的超聲波反射能量大小決定，對(duì)裂紋具有很高的檢出率。當(dāng)缺陷是腐蝕坑時(shí)，由于缺陷幾何形狀不規(guī)則，且鉆具過渡區(qū)本身就是一個(gè)斜面，造成缺陷難以量化。和鉆桿探傷一樣，腐蝕坑的定量仍是一個(gè)難點(diǎn)，其判定標(biāo)準(zhǔn)也和鉆桿類似，表述為任何瑕疵產(chǎn)生的信號(hào)等于或大于參考標(biāo)準(zhǔn)試樣的信號(hào)，就認(rèn)為是不合格。

三.鉆具過渡區(qū)橫向探傷技術(shù)研究

1.橫向缺陷對(duì)比試塊制作

從報(bào)廢加重鉆桿過渡帶截取部分，保證對(duì)比試塊的材料性能、弧面曲率等相關(guān)參數(shù)與檢測(cè)實(shí)物一致，對(duì)選取的材料進(jìn)行無損檢測(cè)和加工處理，排除材料本身存在缺陷對(duì)檢測(cè)的干擾，確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，采用Φ1.6mm的缺陷作為檢測(cè)靈敏度參考缺陷，在對(duì)比試塊上鉆取Φ1.6mm、長(zhǎng)度為10mm的平底孔。

2.超聲波探頭的優(yōu)選

探頭都采用在超聲波檢測(cè)中普遍使用的探頭，超聲波探傷儀增益等其他參數(shù)不變的情況下對(duì)對(duì)比試塊缺陷進(jìn)行檢測(cè)，在有足夠靈敏度余量的條件下，預(yù)設(shè)增益值設(shè)置為59.9DB，在儀器參數(shù)不變的條件下，探頭2（2.5P9×9K2）和探頭4（5P13×13K1.5）對(duì)該缺陷具有很高的檢測(cè)靈敏度;探頭3（5P9×9K1）檢測(cè)靈敏度也較高，因此上述3個(gè)探頭均對(duì)缺陷具有較高的檢出率。實(shí)際檢測(cè)中，由于缺陷走向的不確定性，需要選擇不同的K值探頭對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)以降低漏檢的可能性，同時(shí)也需要考慮檢測(cè)的實(shí)效性，盡量避免選擇K值相近的探頭，因此選擇探頭2（2.5P9×9K2）和探頭3（5P9×9K1）作為對(duì)加重鉆桿加厚過渡帶進(jìn)行檢測(cè)的探頭組合進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)。

3.圓柱曲面缺陷定位技術(shù)

根據(jù)加重鉆桿的壁厚特點(diǎn)，選擇CSK-Ⅲ型試塊，深度為30mm和60mm兩個(gè)橫通孔進(jìn)行深度掃描標(biāo)定，靈敏度設(shè)定為61.9DB。外圓周向探測(cè)時(shí)，缺陷的位置由深度H和弧長(zhǎng)L來確定。H、L與平板工件中缺陷的深度d和水平l是有較大差別的。所以我們按平板標(biāo)定方法，校對(duì)儀器后，實(shí)際探傷掃查得出的深度d和水平l數(shù)值，必須做一個(gè)定位修正。儀器顯示深度為25.6mm，水平距離25.7mm，加重鉆桿半徑R=63.5mm，缺陷深度H=17.8mm，弧長(zhǎng)L=37.42mm，與對(duì)比樣件加工時(shí)的平底孔設(shè)計(jì)參數(shù)基本一致。所以，當(dāng)對(duì)圓柱曲面進(jìn)行周向探測(cè)時(shí)，弧長(zhǎng)L往往比水平距離l大，但深度H卻比d值小，而且其差值隨d值的不斷增加而增加。

4.鉆具過渡區(qū)磁粉探傷適用性

由于鉆具的材料都是鐵磁性材料，幾何結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，鉆具加厚過渡帶區(qū)域的危害性缺陷主要是與管子軸向垂直的裂紋，腐蝕等橫向缺陷。非常適合用磁粉檢測(cè)來檢出缺陷。為獲得最佳檢測(cè)結(jié)果，缺陷與磁場(chǎng)的取向應(yīng)成 45°-90°角，磁場(chǎng)方向與管子軸向平行，即利用縱向磁場(chǎng)。感應(yīng)縱向磁場(chǎng)的主要方法是使用線圈，線圈是由若干個(gè)環(huán)組成的導(dǎo)體，線圈的每一匝周圍的磁場(chǎng)，彼此混合或連接，以形成統(tǒng)一的磁場(chǎng)。電流通過線圈時(shí)，產(chǎn)生縱向磁場(chǎng)，線圈產(chǎn)生的縱向磁場(chǎng)，使放置于線圈內(nèi)，平行于圈中心線的鐵磁性材料感應(yīng)產(chǎn)生縱向磁場(chǎng)。線圈內(nèi)表面附近的磁場(chǎng)最強(qiáng)，磁通密度向著線圈中心方向減小。

直流電的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是能夠穿透到金屬深處，從而能揭示表面下的不連續(xù)。另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是留下剩磁，使指示保持更久，給檢驗(yàn)員更多的時(shí)間來探測(cè)和評(píng)價(jià)指示?？梢耘c濕磁粉懸浮液一同使用，以便靈敏地揭示細(xì)小表面裂紋。為了便于檢出鉆桿加厚區(qū)表面及近表面缺陷，采用直流電流磁化。磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)度，對(duì)于缺陷是否能被探測(cè)到，有非常重要的影響。若場(chǎng)強(qiáng)過低，或方向錯(cuò)誤，就不會(huì)形成指示。若場(chǎng)強(qiáng)過高，可能形成非相關(guān)指示，從而可能掩蓋相關(guān)指示，延長(zhǎng)評(píng)價(jià)非相關(guān)指示所需檢查時(shí)間。

四.結(jié)論

通過對(duì)加重鉆桿過渡區(qū)檢測(cè)技術(shù)的研究后，可知當(dāng)進(jìn)行橫向探傷時(shí)，采用2.5P9×9 K2探頭和5P9×9 K1探頭的組合，且具有較高的檢測(cè)靈敏度;當(dāng)進(jìn)行周向探傷時(shí)，采用2.5P9×9K1探頭，增益為 61.9 d B，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知在圓柱曲面周向探測(cè)時(shí)，弧長(zhǎng) L>水平距離 l，深度H<d，其差值隨d的增大而增大。對(duì)加重鉆桿進(jìn)行磁場(chǎng)探傷分析后，選擇線圈縱向磁化法作為鉆具兩端過渡區(qū)磁粉探傷方式。

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