钻具过渡区探伤机理及工艺研究

朱北洋

摘要：石油鉆杆是钻柱的重要组成部分，在使用过程中，常有疲劳和腐蚀裂纹等缺陷产生，如果不能及时检出，将导致刺穿或断裂事故，造成重大经济损失。目前国内外还没有检测机构对加重钻杆过渡区进行检测，需要建立一套完整和准确的加重钻杆过渡区工艺检测体系。本文对钻杆过渡区超声相控阵检测等方面进行分析和研究，对钻杆内腐蚀缺陷、钻杆过渡区超声相控阵腐蚀成像技术、加重钻杆过渡区检测技术进行实验及分析。

关键词：钻具过渡区;超声相控阵技术;腐蚀;探伤

一.钻具过渡区探伤机理及工艺国内外研究进展

目前，国内外学者对钻具失效问题已进行多方面的研究，并且取得了显著的成果。人们提出了多种办法以延长钻具的使用寿命，如提升加工工艺、改进钻具结构、更换优质材料等，但这些都不能改变钻具过渡区的破坏机理。在国外，Pari S 等利用应力强度因子方法对疲劳裂纹扩展进行分析。同年，Irwin提出了小范围屈服塑性区修正钻具的方法。Millhemi.K.Kslo通过有限元法对下部钻具三维静态力学模型进行建立和分析，通过空间直梁单元对钻具结构进行离散，利用间隙元对钻具与井壁的接触摩擦状态进行模拟。由于在其研究中没有考虑稳定器与井壁的间隙以及其接触状态，使得计算结果与实际情况偏差较大。sutko A.A等在 Millhemi的研究基础上，将钻具看作性质可变的静态梁，并引入了轴向力，使钻具力学问题的研究得到进步。

在国内，高德利等将钻具的疲劳及磨损失效分为低应力疲劳破坏、塑性疲劳断裂以及受环境介质影响的疲劳磨损失效形式等。阎铁等建立了钻铤螺纹连接处的有限元模型，分析并指出钻铤断裂的主要原因是钻铤螺纹连接处的应力集中。 杨自林等根据钻柱在井内的受力情况，将钻柱分为四个失效段进行研究，以对其失效的原因进行分析。房舟等进行了室内微观和腐蚀实验，并找出钻具失效的主要原因，并提出了合理的改进方案及对策，现场应用较好。

二.钻具过渡区探伤机理

目前钻具过渡区探伤机理主要是利用超声波检测原理，内表面超声波检测均为A型超声波，最主要的判据依据是缺陷当量，缺陷当量由缺陷的超声波反射能量大小决定，对裂纹具有很高的检出率。当缺陷是腐蚀坑时，由于缺陷几何形状不规则，且钻具过渡区本身就是一个斜面，造成缺陷难以量化。和钻杆探伤一样，腐蚀坑的定量仍是一个难点，其判定标准也和钻杆类似，表述为任何瑕疵产生的信号等于或大于参考标准试样的信号，就认为是不合格。

三.钻具过渡区横向探伤技术研究

1.横向缺陷对比试块制作

从报废加重钻杆过渡带截取部分，保证对比试块的材料性能、弧面曲率等相关参数与检测实物一致，对选取的材料进行无损检测和加工处理，排除材料本身存在缺陷对检测的干扰，确保检测数据的可靠性，采用Φ1.6mm的缺陷作为检测灵敏度参考缺陷，在对比试块上钻取Φ1.6mm、长度为10mm的平底孔。

2.超声波探头的优选

探头都采用在超声波检测中普遍使用的探头，超声波探伤仪增益等其他参数不变的情况下对对比试块缺陷进行检测，在有足够灵敏度余量的条件下，预设增益值设置为59.9DB，在仪器参数不变的条件下，探头2（2.5P9×9K2）和探头4（5P13×13K1.5）对该缺陷具有很高的检测灵敏度;探头3（5P9×9K1）检测灵敏度也较高，因此上述3个探头均对缺陷具有较高的检出率。实际检测中，由于缺陷走向的不确定性，需要选择不同的K值探头对工件进行检测以降低漏检的可能性，同时也需要考虑检测的实效性，尽量避免选择K值相近的探头，因此选择探头2（2.5P9×9K2）和探头3（5P9×9K1）作为对加重钻杆加厚过渡带进行检测的探头组合进行实际检测。

3.圆柱曲面缺陷定位技术

根据加重钻杆的壁厚特点，选择CSK-Ⅲ型试块，深度为30mm和60mm两个横通孔进行深度扫描标定，灵敏度设定为61.9DB。外圆周向探测时，缺陷的位置由深度H和弧长L来确定。H、L与平板工件中缺陷的深度d和水平l是有较大差别的。所以我们按平板标定方法，校对仪器后，实际探伤扫查得出的深度d和水平l数值，必须做一个定位修正。仪器显示深度为25.6mm，水平距离25.7mm，加重钻杆半径R=63.5mm，缺陷深度H=17.8mm，弧长L=37.42mm，与对比样件加工时的平底孔设计参数基本一致。所以，当对圆柱曲面进行周向探测时，弧长L往往比水平距离l大，但深度H却比d值小，而且其差值随d值的不断增加而增加。

4.钻具过渡区磁粉探伤适用性

由于钻具的材料都是铁磁性材料，几何结构比较规则，钻具加厚过渡带区域的危害性缺陷主要是与管子轴向垂直的裂纹，腐蚀等横向缺陷。非常适合用磁粉检测来检出缺陷。为获得最佳检测结果，缺陷与磁场的取向应成 45°-90°角，磁场方向与管子轴向平行，即利用纵向磁场。感应纵向磁场的主要方法是使用线圈，线圈是由若干个环组成的导体，线圈的每一匝周围的磁场，彼此混合或连接，以形成统一的磁场。电流通过线圈时，产生纵向磁场，线圈产生的纵向磁场，使放置于线圈内，平行于圈中心线的铁磁性材料感应产生纵向磁场。线圈内表面附近的磁场最强，磁通密度向着线圈中心方向减小。

直流电的一个主要优点是能够穿透到金属深处，从而能揭示表面下的不连续。另一个主要优点是留下剩磁，使指示保持更久，给检验员更多的时间来探测和评价指示。可以与湿磁粉悬浮液一同使用，以便灵敏地揭示细小表面裂纹。为了便于检出钻杆加厚区表面及近表面缺陷，采用直流电流磁化。磁场的方向和强度，对于缺陷是否能被探测到，有非常重要的影响。若场强过低，或方向错误，就不会形成指示。若场强过高，可能形成非相关指示，从而可能掩盖相关指示，延长评价非相关指示所需检查时间。

四.结论

通过对加重钻杆过渡区检测技术的研究后，可知当进行横向探伤时，采用2.5P9×9 K2探头和5P9×9 K1探头的组合，且具有较高的检测灵敏度;当进行周向探伤时，采用2.5P9×9K1探头，增益为 61.9 d B，通过对比实验可知在圆柱曲面周向探测时，弧长 L>水平距离 l，深度H<d，其差值随d的增大而增大。对加重钻杆进行磁场探伤分析后，选择线圈纵向磁化法作为钻具两端过渡区磁粉探伤方式。

参考文献：

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[2]朱全塔， 岳砚华， 王德康等. 浅造斜点与钻具疲劳累积失效的关系及启示[J].天然气工业， 2014（9）： 76-83.