鉆具過渡區探傷機理及工藝研究

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生，如果不能及時檢出，將導致刺穿或斷裂事故，造成重大經濟損失。目前國內外還沒有檢測機構對加重鉆桿過渡區進行檢測，需要建立一套完整和準確的加重鉆桿過渡區工藝檢測體系。本文對鉆桿過渡區超聲相控陣檢測等方面進行分析和研究，對鉆桿內腐蝕缺陷、鉆桿過渡區超聲相控陣腐蝕成像技術、加重鉆桿過渡區檢測技術進行實驗及分析。

關鍵詞：鉆具過渡區;超聲相控陣技術;腐蝕;探傷

一.鉆具過渡區探傷機理及工藝國內外研究進展

目前，國內外學者對鉆具失效問題已進行多方面的研究，并且取得了顯著的成果。人們提出了多種辦法以延長鉆具的使用壽命，如提升加工工藝、改進鉆具結構、更換優質材料等，但這些都不能改變鉆具過渡區的破壞機理。在國外，Pari S 等利用應力強度因子方法對疲勞裂紋擴展進行分析。同年，Irwin提出了小范圍屈服塑性區修正鉆具的方法。Millhemi.K.Kslo通過有限元法對下部鉆具三維靜態力學模型進行建立和分析，通過空間直梁單元對鉆具結構進行離散，利用間隙元對鉆具與井壁的接觸摩擦狀態進行模擬。由于在其研究中沒有考慮穩定器與井壁的間隙以及其接觸狀態，使得計算結果與實際情況偏差較大。sutko A.A等在 Millhemi的研究基礎上，將鉆具看作性質可變的靜態梁，并引入了軸向力，使鉆具力學問題的研究得到進步。

在國內，高德利等將鉆具的疲勞及磨損失效分為低應力疲勞破壞、塑性疲勞斷裂以及受環境介質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力集中。 楊自林等根據鉆柱在井內的受力情況，將鉆柱分為四個失效段進行研究，以對其失效的原因進行分析。房舟等進行了室內微觀和腐蝕實驗，并找出鉆具失效的主要原因，并提出了合理的改進方案及對策，現場應用較好。

二.鉆具過渡區探傷機理

目前鉆具過渡區探傷機理主要是利用超聲波檢測原理，內表面超聲波檢測均為A型超聲波，最主要的判據依據是缺陷當量，缺陷當量由缺陷的超聲波反射能量大小決定，對裂紋具有很高的檢出率。當缺陷是腐蝕坑時，由于缺陷幾何形狀不規則，且鉆具過渡區本身就是一個斜面，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難點，其判定標準也和鉆桿類似，表述為任何瑕疵產生的信號等于或大于參考標準試樣的信號，就認為是不合格。

三.鉆具過渡區橫向探傷技術研究

1.橫向缺陷對比試塊制作

從報廢加重鉆桿過渡帶截取部分，保證對比試塊的材料性能、弧面曲率等相關參數與檢測實物一致，對選取的材料進行無損檢測和加工處理，排除材料本身存在缺陷對檢測的干擾，確保檢測數據的可靠性，采用Φ1.6mm的缺陷作為檢測靈敏度參考缺陷，在對比試塊上鉆取Φ1.6mm、長度為10mm的平底孔。

2.超聲波探頭的優選

探頭都采用在超聲波檢測中普遍使用的探頭，超聲波探傷儀增益等其他參數不變的情況下對對比試塊缺陷進行檢測，在有足夠靈敏度余量的條件下，預設增益值設置為59.9DB，在儀器參數不變的條件下，探頭2（2.5P9×9K2）和探頭4（5P13×13K1.5）對該缺陷具有很高的檢測靈敏度;探頭3（5P9×9K1）檢測靈敏度也較高，因此上述3個探頭均對缺陷具有較高的檢出率。實際檢測中，由于缺陷走向的不確定性，需要選擇不同的K值探頭對工件進行檢測以降低漏檢的可能性，同時也需要考慮檢測的實效性，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）作為對加重鉆桿加厚過渡帶進行檢測的探頭組合進行實際檢測。

3.圓柱曲面缺陷定位技術

根據加重鉆桿的壁厚特點，選擇CSK-Ⅲ型試塊，深度為30mm和60mm兩個橫通孔進行深度掃描標定，靈敏度設定為61.9DB。外圓周向探測時，缺陷的位置由深度H和弧長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。所以我們按平板標定方法，校對儀器后，實際探傷掃查得出的深度d和水平l數值，必須做一個定位修正。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L=37.42mm，與對比樣件加工時的平底孔設計參數基本一致。所以，當對圓柱曲面進行周向探測時，弧長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.鉆具過渡區磁粉探傷適用性

由于鉆具的材料都是鐵磁性材料，幾何結構比較規則，鉆具加厚過渡帶區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來檢出缺陷。為獲得最佳檢測結果，缺陷與磁場的取向應成 45°-90°角，磁場方向與管子軸向平行，即利用縱向磁場。感應縱向磁場的主要方法是使用線圈，線圈是由若干個環組成的導體，線圈的每一匝周圍的磁場，彼此混合或連接，以形成統一的磁場。電流通過線圈時，產生縱向磁場，線圈產生的縱向磁場，使放置于線圈內，平行于圈中心線的鐵磁性材料感應產生縱向磁場。線圈內表面附近的磁場最強，磁通密度向著線圈中心方向減小。

直流電的一個主要優點是能夠穿透到金屬深處，從而能揭示表面下的不連續。另一個主要優點是留下剩磁，使指示保持更久，給檢驗員更多的時間來探測和評價指示。可以與濕磁粉懸浮液一同使用，以便靈敏地揭示細小表面裂紋。為了便于檢出鉆桿加厚區表面及近表面缺陷，采用直流電流磁化。磁場的方向和強度，對于缺陷是否能被探測到，有非常重要的影響。若場強過低，或方向錯誤，就不會形成指示。若場強過高，可能形成非相關指示，從而可能掩蓋相關指示，延長評價非相關指示所需檢查時間。

四.結論

通過對加重鉆桿過渡區檢測技術的研究后，可知當進行橫向探傷時，采用2.5P9×9 K2探頭和5P9×9 K1探頭的組合，且具有較高的檢測靈敏度;當進行周向探傷時，采用2.5P9×9K1探頭，增益為 61.9 d B，通過對比實驗可知在圓柱曲面周向探測時，弧長 L>水平距離 l，深度H<d，其差值隨d的增大而增大。對加重鉆桿進行磁場探傷分析后，選擇線圈縱向磁化法作為鉆具兩端過渡區磁粉探傷方式。

參考文獻：

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