基于磁记忆检测的钻具螺纹修扣前后应力集中程度的评价

孙玉江，樊建春，徐鹏谊

（中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249）

石油钻具在钻进的过程中承受的载荷非常复杂，有可能同时受到内压、外压、轴向载荷、弯曲载荷和扭矩的作用；故钻具接头螺纹极易产生疲劳现象而发生突然断裂、刺漏、磨损等事故。据全国钻具失效事故统计，仅在1992年，钻铤事故中，接头螺纹事故占了95.02%［1］。因此，钻具螺纹的失效会给钻井生产带来很大的经济损失。为了减少螺纹事故的发生，一般采用对旧钻具接头修扣的方式来改变接头螺纹现有的应力集中。然而，在现有的条件下，现场一般凭经验来进行修扣处理，即对螺纹切修的长度无法用有效的检测手段来判断，因此修扣后的钻具可能会处于过度维修或欠维修状态。这样，不仅浪费了资源，更可能在钻具使用过程中带来安全隐患。

在文献［2－3］中表明，一般情况下，钻具螺纹在使用过程中达到紧扣扭矩后，公母接头螺纹从密封面方向算起，第1个螺纹处所受应力最大，螺纹失效部位主要集中在前3个螺纹处，这是导致钻具接头螺纹疲劳失效的主要原因。根据钻具接头结构特点以及钻具检测中心的现场情况的需求，笔者将对钻具接头螺纹修扣前后的螺纹应力进行检测并分析：① 钻具螺纹修扣前后的磁记忆信号变化。② 修扣对改善钻具螺纹应力集中分布的效果。

1 钻具接头磁记忆检测

1.1 钻具接头磁记忆检测原理

由磁记忆检测的基本原理［4］可知：铁磁构件在外应力作用下会产生磁致伸缩性质的形变，引起磁畴壁的位移，从而改变磁畴的自发磁化方向，以增加磁弹性能来抵消应力能的增加。这种在外应力和地磁场共同作用下，铁磁体内产生的晶粒转动和磁致伸缩逆效应会引起材料宏观磁特性的不连续性分布；在应力撤除后，由应力集中所造成的该区域宏观磁特性的不连续性会得到保留。实践证明，在材料缺陷或应力集中区域磁场的切向分量Hp（x）具有最大值，法向分量Hp（y）改变正负符号且具有零值。一般通过检测法向分量Hp（y）来完成部件的检测。磁记忆传感器能将检测到的不同应力集中的大小转化为不同的电压输出值，利用这些电压输出数据可分析被检部件是否存在严重的应力集中。螺纹的磁记忆检测原理如图1所示（其中黑圈部分表示钻具接头螺纹牙部应力集中区域）。

2 钻具接头螺纹修扣前后应力集中的检测

钻具接头螺纹修扣过程中，受到切削刀的作用，会在螺纹部位产生不同程度的应力集中，为了检测这种应力集中程度，笔者利用磁记忆检测的基本手段来检测修钻具螺纹在修扣前后的变化。依据现场的情况来看，钻具螺纹在经过切削加工后，可能存在着如下三种情况：① 过度维修，即修扣后加大了螺纹整体或局部原有的应力集中程度。② 欠维修，即修扣后虽减小了螺纹整体或局部原有的应力集中程度，但是应力集中并未减小到钻具螺纹安全使用的范围内。③ 合理维修的情况，即修扣后减小了螺纹整体或局部原有的应力集中程度。经过前期在现场对不同等级的钻具螺纹的反复多次实验证明：最低安全标准下的螺纹磁记忆检测信号梯度值是公螺纹不得低于0.009 6V／mm，母螺纹不得低于0.008 6V／mm。

2.1 检测方案

采用成型刀具的加工机床对使用过的钻具公接头及母接头螺纹（螺纹类型为NC50，螺纹牙型为V－0.038R）进行切修加工。钻具螺纹应力集中检测是采用笔者所在课题组自主研发的15通道钻具公头螺纹磁记忆检测装置（图2，以下简称公螺纹检测装置）和12通道钻具母头螺纹磁记忆检测装置（图3，以下简称母螺纹检测装置）分别对钻具修扣前后的公头、母头螺纹进行检测。公母螺纹检测装置核心部分分别由15，12组磁记忆传感器组成环形结构，传感器核心部分采用巨磁阻元件，其检测磁场强度可以达到10－7～105mT［5］，而且之前所做的试验表明公母螺纹检测装置的15，12组传感器可以对螺纹进行360°检测，几乎不存在漏检问题。传感器依靠弹簧或弹簧片与螺纹紧密结合。公螺纹检测位置及方向是从接头的台肩到密封面，检测长度近似120mm；母螺纹检测位置及方向是从水眼过渡段处螺纹到密封面，检测长度近似为300mm。检测方法分别如图4所示。检测简要过程为：人在拉动检测装置的时候，连接传感器的数据采集卡将采集到的电压数据传输到计算机中，并通过软件来分析判断螺纹应力集中大小。为了消除测量误差，每个接头螺纹均检测3次。

图2 公螺纹检测装置

图3 母螺纹检测装置

图4 钻具螺纹磁记忆检测方法

2.2 检测结果及分析

磁场信号的梯度是磁场强度的变化程度的反映，梯度值绝对值越大，磁场强度变化越剧烈，说明此处的应力集中程度越大［6］。因此，对于钻具螺纹部分的磁记忆检测信号，直接分析其梯度信号就可比较螺纹在修扣前后的应力集中程度的变化。此处，梯度值及范围采用梯度云图的方式来表示，即在灰度图中以不同的亮度代表不同的梯度值，纵坐标代表各个通道，横坐标代表数据点数；梯度值的曲线图转换为灰度图方式来表示，对照云图右边亮度条上的数据（不同的亮度代表不同的值，亮度最低点对应的梯度值最高），便于观察应力集中程度比较高的部位。

检测一根5寸加重钻杆公接头螺纹在修扣前后所得到的磁记忆信号数据分析图如图5，6所示。其中梯度图中的连续波峰波谷从图形上构成了虚拟的螺纹齿牙。

对比图5和图6可看出，在修扣前，有4个通道所检测到的螺纹应力集中程度比较大，图5圈中表示后三扣（从检测方向来看，下同）的应力集中程度比较大。查看经过梯度处理的信号的数据后可知，钻具接头螺纹在修扣之后，原有的平均应力集中程度下降了84.21%。梯度云图的角度表明，此次修扣减小了整体及局部原有的应力集中程度，是一个合理维修的例子。

对一根8寸钻铤母接头螺纹在修扣前后进行检测，所得到的磁记忆信号数据分析如图7，8所示。

对比图7，8可看出：在修扣前，各通道的梯度值较低，最高为近似0.002V／mm，未超过安全标准（因车间还没有正式建立相应的磁记忆检测程序，因此对螺纹进行修扣处理时只分析修扣前后应力集中程度的变化）。从图7圈中可看出后三扣的应力集中程度比较大。修扣后，多个通道的检测数据梯度值都有显著上升，最高达到近似0.006V／mm。由梯度数据表明，修扣后的平均应力集中程度要比修扣前的平均应力集中程度下降44.58%。螺纹经过修扣处理后，其平均应力集中程度虽然降低了，但从梯度云图上可看出，9通道局部应力集中程度有显著增加，所以判断此次修扣为过度修扣。

对一根8寸钻铤母接头螺纹在修扣前后进行检测，所得到的磁记忆信号数据分析如图9，10所示。

对比图9，10的梯度云图可看出，修扣前，8通道和9通道局部存在着应力集中程度过大的情况，最高处可达到0.015V／mm，超过了母接头螺纹信号梯度值的正常使用的最低标准（0.008 6V／mm）。修扣后，9通道局部应力集中程度依然较高，查看经过梯度处理的信号数据后知，9通道的最高梯度值达到了0.008 9V／mm，依然超过安全使用的最低标准。虽然钻具接头螺纹在修扣之后，原有的平均应力集中程度下降了约11.6%，但是修扣后的局部螺纹磁记忆检测信号梯度值并没有达到安全使用的范围，该钻铤应该返修。因此，该例为欠维修的例子。

图5 公接头螺纹修扣前数据分析

图6 公接头螺纹修扣后数据分析

图7 母接头修扣前数据分析

图8 母接头修扣后数据分析

图9 母接头修扣前数据分析

图10 母接头修扣后数据分析

3 结论

根据磁记忆检测方法，课题组所设计的内外螺纹检测装置可以有效地检测出螺纹应力集中的大小。通过对钻具接头公、母螺纹修扣前后的检测，得出了现有的修扣手段可以有效降低整体原有的应力集中程度的结论。通过三例钻具螺纹的检测结果表明，其螺纹经修扣后，平均应力集中程度分别下降了84.21%，44.58%，11.6%；但是修扣后可能导致局部应力集中程度增加而产生过度维修，或是维修后没有达到安全使用的标准而造成欠维修，因此修扣前后必须进行检测并判断应力是否达到了安全要求的标准。因此，利用内外螺纹检测装置能够给车间修扣提供可靠的检测手段和判断依据，从而保证了钻具在正常工作中的安全性，更有利于提高钻井的工作效率。

［1］ 冉诚实.钻铤螺纹失效分析及改进方法研究［D］.重庆：西南石油学院，2003：1.

［2］ 林元华，施太和，姚振强，等.钻具螺纹接头力学性能计算方法及其应用［J］.上海交通大学学报，2005，7（7）：30－34.

［3］ 陶世军，刘剑辉，马建强，等.钻铤螺纹有限元分析及优化改进［J］.石油机械，2009，37（10）：61－62.

［4］ 任吉林，林俊明，任文坚，等.金属磁记忆检测技术研究现状与发展前景［J］.无损检测，2012，34（4）：6－14.

［5］ 郑文培.复杂管体磁记忆检测系统及应用技术研究［D］.北京：中国石油大学（北京），2010：38.

［6］ 苏雪梅，樊建春，张仁庆，等.钻具材料疲劳损伤的磁记忆检测试验研究［J］.中国安全科学学报，2012，22（8）：139－144.