高壓管匯動載沖蝕過程磁記憶檢測定量研究*

李杰 樊建春 楊思齊 代四維 范春楊

(1.中國石油大學(北京)安全與海洋工程學院 2.應急管理部油氣生產安全與應急技術重點實驗室 3.中國石油集團工程材料研究院有限公司石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室)

0 引 言

水力壓裂是頁巖氣開采中一種常用的儲層改造技術[1]，在壓裂作業現場，大規模服役的高壓管匯通常承受數十至上百兆帕的動態內壓、高速運動多相流沖擊和振動引起的巨大應力作用，極易在彎頭和三通等敏感部位產生沖蝕損傷[2-6]。在內部傳輸的酸性介質腐蝕作用下，導致長周期運行的高壓管匯壁厚減薄，承壓能力減弱，高壓沖蝕很可能造成管匯破裂，對現場人員和設備構成嚴重威脅，因此對高壓管匯進行安全檢測具有重要意義[7-8]。

目前，對高壓管匯沖蝕缺陷的主要檢測方法為水壓試驗和超聲檢測等[9-10]，這些檢測方法在檢測效率、早期診斷和定量分析方面具有一定的局限性，不利于大規模壓裂服役的高壓管匯在線檢測。中國石油大學(北京)利用自主研發的可施加高強度拉伸應力的沖蝕磨損試驗機，基于磁記憶檢測技術對沖蝕試樣進行了在線檢測，表明采用磁記憶檢測方法可對受靜載拉伸應力的沖蝕式樣的磨損狀態進行定量評估。張繼信等[10]基于磁記憶檢測原理研制了一種高壓管匯直管便攜式檢測儀，對含典型缺陷的高壓管匯進行磁記憶檢測，建立了磁記憶檢測信號與剩余強度的評價指標。孫秉才等[11-12]利用可施加拉伸應力的沖蝕磨損試驗機開展了高壓管匯材料40CrMo的沖蝕磨損性能研究，結果表明隨著拉伸應力的增大，材料沖蝕磨損率增加。王虹富等[13]采用噴射型沖蝕試驗機對35CrMo鋼的沖蝕性能進行了研究，以沖蝕磨損量和沖蝕率表征沖蝕磨損程度，發現磁記憶信號梯度峰值與沖蝕磨損量呈指數相關。

高壓管匯沖蝕現有研究多針對材料受靜載作用下的沖蝕磨損機理和檢測方法，并未考慮壓裂現場高壓管匯多受動態內壓的實際工況。為此，筆者利用實驗室自主研發的一種可施加動載拉伸應力的沖蝕磨損試驗機，進行了室內固液兩相流沖蝕磨損試驗，并基于磁記憶檢測技術進行了在線檢測，對比了不同沖蝕時刻常用高壓管匯材料35CrMo試樣分別受動載和靜載拉伸應力的沖蝕磨損結果；定量分析了試樣受脈動拉伸應力沖蝕過程磁記憶信號特征參數與沖蝕損傷程度之間的關系。所得結論可為壓裂現場惡劣工況下的高壓管匯在線檢測提供參考。

1 動載沖蝕試驗

相關文獻[14-16]表明，固液兩相流沖蝕過程中，試樣沖蝕磨損結果和磁記憶檢測信號受到沖蝕速度、沖擊角度、顆粒濃度、顆粒粒徑和應力水平等因素的影響。本文主要研究試樣動靜載沖蝕磨損程度的差異以及動載沖蝕過程磁記憶檢測定量分析，故以拉伸應力加載頻率的有無來表示試樣受動載或靜載拉伸的工況，其他因素需維持恒定值。

1.1 試驗裝置

試驗裝置采用實驗室自主研發的可施加動載作用的射流循環沖蝕磨損試驗系統，該系統示意圖如圖1所示。試驗系統主要包括沖蝕腔、伺服液壓系統、混砂罐、漿體循環系統、試驗測控系統和磁記憶在線檢測系統。

圖1 試驗系統示意圖

該裝置的工作原理為：沖蝕試樣兩端由沖蝕腔中的拉伸夾頭固定，兩側拉伸夾頭分別連接伺服油缸和拉力傳感器。通過試驗測控系統可以設置試樣拉伸應力大小和脈動頻率并讀取試樣實時動載拉力值。混砂罐中的攪拌電動機將適當比例的清水加砂均勻混合形成沖蝕漿體，漿體通過砂漿泵流向射流管線進而對沖蝕腔中的試樣進行沖擊。試樣沖蝕損傷狀態可由緊貼試樣表面的六通道磁記憶傳感器在線檢測，傳感器與固定在沖蝕腔頂部的步進電動機連接實現多次掃描；漿體沖擊試樣后進入回流管線返回混砂罐中，形成循環流動。沖蝕磨損試驗系統詳見文獻[17]。

1.2 試驗材料

試驗材料選用高壓管匯常用材料35CrMo，其力學性能參數如表1所示。

表1 35CrMo力學性能

試樣形狀為啞鈴型薄板，試樣長度為195 mm，中間寬度為40 mm，厚度為3.5 mm。試驗六通道磁記憶傳感器在試樣背面掃描區域及路徑如圖2所示。沖蝕介質為清水加支撐劑，支撐劑采用40～70目陶粒砂。

圖2 六通道磁記憶檢測掃描區域及掃描路徑

1.3 試驗參數

試樣拉伸應力500 MPa，加載應力幅50 MPa，加載頻率10 Hz，沖蝕速度17.5 m/s，沖擊角度30°，顆粒質量分數10%。試驗過程中六通道磁記憶傳感器緊貼于試樣背面，沿水平方向對沖蝕區域進行掃查檢測，采樣頻率設置為1 000 Hz，檢測路徑長度為40 mm，傳感器提離值為1 mm，檢查速度為5 mm/s。在試驗中使用同一噴嘴，分別在第0、10、20、30、40、50和60 min時掃查采集試樣背面的磁記憶信號。

2 試驗結果分析及討論

沖蝕試驗前使用高精度數字電子秤對35CrMo試樣進行稱重并記錄。開始試驗后每隔10 min掃查試樣背面磁記憶信號，同時將試樣取出并稱重，記錄試樣質量損失，通過激光位移傳感器對沖蝕坑進行掃描，獲取沖蝕坑深度，然后使用相機記錄試樣沖蝕坑宏觀形貌。為保證試驗條件的穩定性，每次試驗后需更換新砂。

2.1 動靜載沖蝕磨損程度對比分析

2.1.1 宏觀形貌變化

在試驗周期內，試樣分別受靜載作用和動載作用的沖蝕坑宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知，當射流噴射到試樣表面后，沖蝕顆粒向四周逃出，沿射流方向逃出的顆粒較多，故在較強的顆粒切削作用下，沖蝕坑長度沿射流方向，且沿顆粒逃出方向沖蝕坑邊緣處較為鋒利。

圖3 沖蝕過程沖蝕坑宏觀形貌對比

在沖蝕前期和中期，試樣受靜載作用和動載作用下的沖蝕坑宏觀形貌差別較小。在沖蝕后期，即60 min時，動載作用下的沖蝕坑出現宏觀裂紋，而靜載作用下并未觀察到沖蝕區域有裂紋出現。這是因為固體顆粒的沖蝕磨損使得試樣不斷發生質量損失，同時試樣兩端承受循環加載的脈動拉應力，在沖蝕過程中試樣沖蝕坑處的應力集中程度不斷加劇，故動載沖蝕過程中沖蝕坑中央會產生裂紋。

2.1.2 缺陷深度變化

動載作用下沖蝕過程沖蝕坑深度變化如圖4所示。由圖4可以看出，隨沖蝕時間的延長，沖蝕坑深度遞增，對比每10 min深度增加量，在沖蝕前30 min內，沖蝕坑深度增加量依次為0.70，0.53和0.50 mm，后續每10 min內深度增加量均在0.40 mm左右，可知在沖蝕前期沖蝕磨損較快，沖蝕坑深度增加迅速。觀察不同時刻掃查路徑上深度變化趨勢，可以發現沖蝕坑寬度主要在前30 min內增加，后續沖蝕過程中基本保持在11 mm左右。故選取沖蝕過程沖蝕坑深度進行研究。

試樣分別受動載作用和靜載作用時的沖蝕過程沖蝕坑深度變化如圖5所示。觀察二者變化趨勢可知，試樣受靜載作用時，隨沖蝕時間延長，沖蝕坑深度也增大。同時可以看出，動載作用下的試樣沖蝕坑深度均大于靜載作用時的試樣沖蝕坑深度，這是因為在沖蝕過程中，由于顆粒沖蝕和脈動拉伸疲勞的耦合作用，試樣受到“沖蝕-疲勞”共同影響，故動載沖蝕破壞更為嚴重。

2.1.3 磨損量變化

試樣分別受動載作用和靜載作用時的沖蝕過程沖蝕磨損量如圖6所示。由圖6可以看出，無論試樣受動載還是靜載拉伸，隨沖蝕時間延長，沖蝕磨損量基本為線性增加。對比2種工況沖蝕結果，沖蝕前期沖蝕率較高，動載沖蝕下沖蝕磨損量略高于靜載沖蝕磨損量。隨著沖蝕過程的推進，相比于靜載沖蝕磨損量，動載沖蝕導致的質量損失更多，二者之間的差值由10 min時的0.03 g逐漸增加到60 min時的0.14 g。這是因為在沖蝕過程中，隨時間延長，試樣受到的脈動載荷循環次數增加，加劇了沖蝕損傷作用，故動載沖蝕磨損更為嚴重。

圖6 動靜載沖蝕過程沖蝕磨損量對比

2.2 動載沖蝕過程磁記憶信號分析

2.2.1 信號處理

前文設置動載工況下試樣60 min時出現宏觀裂紋，在65 min前因沖蝕磨損和拉伸疲勞作用，裂紋迅速擴展導致試樣直接斷裂，為觀察更長沖蝕周期內磁記憶檢測信號的變化規律，設置拉伸應力加載頻率為5 Hz，其他參數保持不變。根據TMR傳感器輸出電壓與實際測量磁場大小的標定關系，可將電壓信號轉換為相應磁場大小。分析采集信號可知，第4通道由于接近沖蝕坑中心部位，檢測到的磁記憶信號呈現明顯的U形突變，該通道磁記憶信號受沖蝕損傷影響最大，故對第4通道信號平滑處理后進行分析。圖7為不同沖蝕時刻第4通道掃查信號結果。

圖7 不同沖蝕時刻磁記憶信號

由圖7可以看出：試樣在沖蝕試驗前，表面磁記憶信號較平整；沖蝕磨損發生后，沖蝕坑背面區域磁場最先開始發生變化，10 min后由于顆粒沖擊和脈動應力產生的力磁效應，磁記憶初始幅值發生一定變化；從第20 min開始，每次掃查信號中央均出現明顯凹陷，隨沖蝕時間延長，信號變化幅值也增大。這是因為沖蝕坑深度在沖蝕過程中不斷加深，幾何形狀左右基本對稱，沖蝕坑缺陷誘發試樣背面形成的漏磁場不斷變化。故隨沖蝕過程的推進，磁記憶信號沿沖蝕坑中心兩側對稱且變化幅值隨沖蝕磨損程度增大而增大。

由圖7磁記憶信號變化趨勢可知，不同時刻磁記憶信號初始幅值不同，故對信號進行梯度求解。圖8為不同沖蝕時刻的磁記憶信號梯度值。由圖8可以看出，在沖蝕損傷區域磁記憶信號梯度值發生畸變并且呈現出一對相鄰的波峰與波谷，在持續的顆粒沖擊和脈動拉伸應力下，試樣沖蝕磨損程度不斷加劇，信號梯度值的波動幅度也不斷增加。故在沖蝕損傷狀態的定量分析中，可以選取梯度信號的峰峰值等特征量進行研究。

圖8 不同沖蝕時刻磁記憶信號梯度

2.2.2 信號特征參數分析

試驗結果表明，沖蝕坑近似為半個不等邊橢球，沖蝕坑深度為橢球極半徑方向，隨沖蝕坑深度增加，梯度峰值也增加，故提取不同沖蝕時間下的磁記憶信號梯度峰值表征沖蝕坑深度。試樣在沖蝕過程中的質量損失與沖蝕坑缺陷的體積存在線性關系，質量損失可間接由體積變化表示。對于不規則的凹陷，體積求解可采用積分法進行研究。觀察圖8可知，不同沖蝕時刻信號梯度變化近似沿沖蝕坑幾何中心呈中心對稱，故選取磁記憶信號梯度變化前半段的離散點數值積分來表征沖蝕磨損量。

圖9為沖蝕坑深度表征結果。由圖9可以看出，隨沖蝕時間增加，沖蝕坑深度逐漸增大，磁記憶信號梯度峰值隨之增大，說明信號梯度峰值的大小與沖蝕坑深度有關。

圖9 沖蝕過程中沖蝕坑深度表征結果

將沖蝕過程信號梯度峰值與沖蝕坑深度進行擬合，擬合曲線如圖10所示，得到其擬合公式：

圖10 d與Kpp的擬合曲線

Kpp=1.204 80d-0.504 28

(1)

式中：Kpp為信號梯度峰值，A/m；d為沖蝕坑深度，mm。相關系數R2為0.991 21，擬合效果較好，故沖蝕過程中沖蝕坑深度可由信號梯度峰值線性表示，即通過檢測信號梯度峰值可以有效掌握試樣沖蝕損傷深度的變化情況。

圖11為沖蝕磨損量表征結果。由圖11可以看出，隨沖蝕時間延長，沖蝕損失質量近似線性增加，該變化趨勢與相關文獻中報道結果相一致。利用Matlab編程采用梯形算法對信號梯度曲線進行積分求解，步距為2個采集點之間的掃查距離0.005 mm。隨試樣沖蝕損傷程度加劇，沖蝕磨損量不斷增加的同時，信號梯度積分值也隨之增大。值得注意的是在沖蝕20 min之前，因沖蝕前期沖蝕磨損率較高，沖蝕開始后10 min內磨損量為0.52 g，隨后10 min內磨損量為0.43 g，此后各階段沖蝕磨損量均在0.40 g以下。

圖11 沖蝕過程中沖蝕磨損量表征結果

將沖蝕過程磁記憶信號梯度積分值與沖蝕磨損量進行擬合，擬合曲線如圖12所示，得到其擬合公式：

圖12 m與I的擬合曲線

I=4.661 60m-2.546 13

(2)

式中：I為信號梯度積分值，A/m；m為沖蝕磨損量，g。

相關系數R2為0.979 99。故沖蝕過程中沖蝕磨損量可由信號梯度積分值線性表示，即可通過在線檢測得到的磁記憶信號梯度積分值來反映試樣因沖蝕磨損而損失的質量。

3 結 論

(1)在顆粒沖蝕磨損和脈動拉伸疲勞的耦合作用下，試樣沖蝕區域出現宏觀裂紋，在隨后的較短沖蝕時間內迅速斷裂破壞，而靜載拉伸作用下，沖蝕坑區域未觀察到宏觀裂紋。這與壓裂現場高壓管件受支撐劑顆粒沖蝕磨損和內部流體高壓脈動的作用下，沖蝕磨損區域極易出現裂紋這一現象相符，裂紋在動載作用下迅速擴展，加速了管件的斷裂破壞。

(2)試樣受到“沖蝕-疲勞”的共同影響，沖蝕過程中，試樣受動載作用時的沖蝕坑深度和沖蝕磨損量均大于靜載作用時相應數值。研究結果表明高壓管匯在惡劣的動載作用下受固體顆粒沖擊造成的沖蝕破壞比靜載作用沖蝕破壞更為嚴重。

(3)動載沖蝕過程中磁記憶信號梯度峰值與沖蝕坑深度呈正線性相關。一定條件下，可由信號梯度峰值計算沖蝕缺陷深度；動載沖蝕過程中磁記憶信號梯度積分值與沖蝕磨損量也呈正線性相關。故可根據信號梯度積分值反映動載沖蝕式樣的質量損失。結論表明可對某一條件下受動載沖蝕的高壓管件進行磁記憶檢測，定量分析其沖蝕磨損程度。