钻具接头应力磁记忆检测试验研究

吴凤明，樊建春，左卫东，苏雪梅，张仁庆

（中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京102249） ①

钻具接头应力磁记忆检测试验研究

吴凤明，樊建春，左卫东，苏雪梅，张仁庆

（中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京102249）①

钻具螺纹疲劳应力集中区域容易发生突然断裂。通过钻具接头试样拉伸磁记忆检测试验，分析试样在不同拉应力条件下的磁记忆信号变化规律及原因，采用区域积分面积－应力关系曲线方法分析试样拉伸过程磁记忆信号特征规律。研究结果表明：磁记忆检测方法可以有效地判定钻具接头疲劳应力状态。为磁记忆检测技术在钻具接头应力状态评价的应用提供依据。

钻具接头；磁记忆检测；拉伸试验；应力集中

石油钻具在服役过程承受交变载荷，由于钻具螺纹结构的特殊性，疲劳应力容易引起钻具螺纹接头突然断裂，给钻井生产带来很大的经济损失。分析钻具应力状态，可以有效防止事故的发生。材料力学研究表明：金属构件在拉伸载荷作用下，构件在破坏过程中经过弹性变形和塑性变形阶段。通过对钻具接头试样拉伸研究，分析钻具接头试样受力时磁场变化情况；寻找判定应力状况的磁记忆信号特征值；研究螺纹试样的弹性、塑性阶段磁记忆信号变化规律［1］，为钻具螺纹应力研究提供基础试验支持。

1 试验条件

1.1 试样

试验所用材料为钻杆接头材质（AISI 4137），试样化学成分如表1。试样的尺寸和力学性能参数如表2。试样材料应力－应变曲线由MTS810力学试样机测定，应力－应变曲线如图1。

表1 试样化学成分wB%

表2 试样尺寸及材料力学性能

图1 试样应力－应变曲线

1.2 试验加载

拉伸通过WE－300H型液压式万能试验机完成，载荷谱如表3所示。试样1载荷从0逐渐增加到54kN，每次增加6.75kN，保持一段时间后卸载，从试验机上取下试样，测取试样表面的磁感应强度；试样2、3载荷从0逐渐增加到52.5kN，每次增加3.75kN，保持一段时间后卸载，从试验机上取下试样，测取试样表面的磁感应强度。拉伸试验的载荷一直加载到试样出现颈缩为止。

表3 拉伸试验的载荷谱

1.3 检测方法

试验中磁记忆信号使用Gaussmeter421型高斯计测量。高斯计与数据采集卡连接，数据采集卡与笔记本电脑连接，构成整个数据的采集系统。PLC模块驱动直线导轨，完成高斯计探头对试样直线扫描。高斯计检测探头与试样距离为1mm。扫描的路径沿试样的轴向，探头测取的是试样表面磁场的法向分量。磁记忆信号检测系统框图如图2所示。

拉伸试验中所测取的磁记忆信号为试样表面的法向磁感应强度。试样绕轴心每旋转90°扫描1次，每次加载后在试样圆周方向上测量4次。检测方向如图3所示。

图2 检测系统框图

图3 拉伸试验试样检测方向

2 试验结果

1～3号试样在不同拉伸载荷下测取的法向磁记忆信号曲线如图4所示［2］。

图4 不同拉伸载荷下的磁记忆信号曲线

在不同拉伸载荷作用下，钻具接头试样的磁记忆信号曲线的变化特征呈现不同形式。由图4可知：试样加载前的初始状态磁记忆信号曲线相对平滑，磁记忆信号在零值点附近波动，表明试样在初始状态下磁场分布较均匀；试样加载后磁记忆信号曲线相对于初始磁记忆信号曲线具有显著变化，试样两端的磁极极性转换方向，这种磁极性转变与外磁场方向和试样表面磁场相对方向有关［3－7］；试样加载后磁记忆信号曲线均近似汇集于同一点；汇集点的磁记忆信号值的产生与试样的初始磁场情况密切相关；试样的磁极之间的距离变长，表现为磁记忆信号曲线上正负极值点的数据间隔变长，在试样发生颈缩后，这种间隔的变长更加显著；在不同拉伸载荷下，随着加载拉应力的增大，磁记忆信号曲线整体的趋势发生改变；磁记忆信号曲线在汇集点处存在逆时针旋转。

3 应力与磁记忆信号变化规律

本文采用一种新的方法来表征磁记忆信号的特征值，即区域积分面积法。通过对被检试件磁感应强度积分求得该区域的面积，区域积分面积与应力大小成整相关。螺纹接头试样在不同拉伸载荷下应力的磁记忆信号特征值、区域积分面积－应力曲线定义如式（1）。3个试样的区域积分面积－应力曲线如图5所示。

式中，B为试样表面磁感应强度，mT；L1为扫描路径的起点坐标，mm；L2为扫描路径的终点坐标，mm；A为表面磁感应强度的绝对值在扫描路径上的积分。

图5 试样的区域积分面积－应力关曲线

由图5可以看出：3个试样在应力增大的过程中，区域积分面积整体呈上升趋势，积分面积曲线存在一定的波动性。对其分析可得：

1） 初始区域积分面积在加载后发生较大跃变，加载后区域积分面积比加载前的特征值大得多。

2） 弹性加载阶段，随着应力的增大，磁感应强度面积存在上升趋势，在整个加载过程中出现非确定性波动，波动产生的原因可记为是试样在夹具作用下出现的压痕所导致。

3） 试样材料由弹性向塑性过渡处，积分面积曲线上升的速率显著强于弹性和塑性阶段相应的速率，积分面积曲线的变化特性可以区分磁性材料弹、塑性应力状态。

4） 应力状态评价过程中，考虑到第1次加载前后磁性存在跃变的影响，需要减去初始特征值积分面积。

4 结论

1） 进行了拉伸条件下的钻具接头试件的磁记忆检测基础试验，获得了钻具接头材料试样拉伸过程的磁记忆信号变化规律，以及在不同试验条件下拉应力与特征参数——区域积分面积之间的量化关系。

2） 分析了外磁场环境及试样的初始磁化状态对应力状态量化的影响，以及准确量化应力程度所应采取的方法。

3） 确定了应力集中程度与磁记忆信号特征值相关联系，为磁记忆检测技术在钻具接头应力状态评价的应用提供了可靠的试验数据。

［1］ DOUBOV A A.Screening of welding quality using the magnetic metal memory effect［J］.Welding in the World，1998，13（6）：313－315.

［2］ 钟文定.技术磁学：上册［M］.北京：科学出版社，2000.

［3］ 丁 辉，张 寒，李晓红，等.磁记忆检测裂纹类缺陷的理论模型［J］.无损检测，2002，24（2）：78－80.

［4］ 邓勇刚，田 鹏，吴传军，等.基于金属磁记忆效应的钻机起升滑轮无损检测［J］.石油矿场机械，2011，40（4）：61－64.

［5］ 常俊平，樊建春，左卫东.钻杆缺陷部位裂纹扩展磁记忆检测试验研究［J］.石油矿场机械，2009，38（10）：64－67.

［6］ 刘保余，綦耀光，刘佳男.45号钢带孔板件磁记忆检测试验研究［J］.石油矿场机械，2010，39（9）：49－54.

［7］ 徐海波，樊建春，温 东，等.石油钻具缺陷的磁记忆检测试验研究［J］.石油矿场机械，2007，36（11）：24－26.

Study on Magnetic Memory Testing Technology of Drill Connector’s Stress

WU Feng－ming，FAN Jian－chun，ZUO Wei－dong，SU Xue－mei，ZHANG Ren－qing
（College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum，Beijing102249，China）

Based on the magnetic memory technique，it analyzes the experiments of the drill connector’s thread which is vulnerable in the stress concentrated area，and the magnetic memory signals of the thread’s specimen which was under different tensile stress.From the result，some rules and reasons were obtained.Through the regional integral area－stress relation curve method，the character of the magnetic memory signals of the specimen was obtained as well.The study shows that the magnetic memory testing method could effectively detect the fatigue stress state of the drill connector’s thread.

drill connector；metal magnetic memory；tension experiment；stress concentration

1001－3482（2012）09－0054－03

TE921.2

A

2012－03－20

吴凤明（1981－），男，黑龙江望奎人，硕士研究生，主要从事机械设备状态监测与故障诊断研究，E－mail：anda308＠sina.com。