超聲波無(wú)損探傷技術(shù)在鉆桿螺紋檢測(cè)中的應(yīng)用分析

馬金旺

摘要：在鉆井作業(yè)過(guò)程中，鉆桿要直接承受復(fù)雜的拉壓彎扭組合載荷，其安全性將直接關(guān)系到整個(gè)施工作業(yè)的安全。根據(jù)鉆井現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，鉆桿的主要失效部分發(fā)生在螺紋扣接頭區(qū)域。為了提高接頭安全性，目前國(guó)內(nèi)外鉆桿制造生產(chǎn)廠家大多采用熱處理的工藝來(lái)提高鉆桿的接頭螺紋質(zhì)量。但是在日常熱處理過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生多種缺陷，此時(shí)就需要采用無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)鉆桿進(jìn)行缺陷檢測(cè)，用以判定鉆桿質(zhì)量合格與否。

關(guān)鍵詞：超聲波;鉆桿;螺紋;腐蝕;缺陷;探傷;應(yīng)用

腐蝕疲勞與應(yīng)力損傷是石油鉆桿損壞的最主要原因，鉆桿損傷檢測(cè)可以有效地預(yù)防和減少鉆具因失效而引起的質(zhì)量事故。闡述了石油鉆桿健康監(jiān)測(cè)中損傷識(shí)別的關(guān)鍵問(wèn)題，介紹基于超聲波的損傷定位定量方法。根據(jù)其基本結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，以石油鉆井中常用〞鉆桿為對(duì)象進(jìn)行損傷研究，用超聲波縱波直接接觸法檢測(cè)鉆桿螺紋，并對(duì)探傷結(jié)果進(jìn)行分析和應(yīng)用。結(jié)果表明，超聲波可對(duì)已定位損傷的石油鉆桿螺紋的損傷進(jìn)行定量分析，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了其對(duì)結(jié)構(gòu)損傷診斷的有效性。

1.探傷檢測(cè)的必要性

石油鉆桿是石油天然氣勘探與開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用的一種主要工具。它是組成“鉆柱”的主體，占整個(gè)鉆柱長(zhǎng)度的80%～90%，其上方接方鉆桿，下方連鉆鋌。鉆桿與方鉆桿、鉆鋌之間通過(guò)短節(jié)、接頭等用鉆桿螺紋連成整體，其主要作用是傳遞旋轉(zhuǎn)扭矩和輸送鉆井液。鉆桿在鉆井過(guò)程中要承受拉、壓、彎、扭、振動(dòng)載荷、旋轉(zhuǎn)離心和起下鉆時(shí)附加的動(dòng)載等交變作用，同時(shí)鉆井液、鉆井泥漿中溶解的酸性腐蝕介質(zhì)及地層的氧化物等介質(zhì)使鉆桿內(nèi)表面產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕;對(duì)于高壓氣體作介質(zhì)的氣體鉆井，鉆頭破碎的巖屑顆粒對(duì)鉆桿外表面也有極大的沖蝕，這些受腐蝕、沖蝕的鉆桿在應(yīng)力作用下易失效、裂斷，從而造成重大經(jīng)濟(jì)損失。另因井隊(duì)使用維護(hù)鉆具不當(dāng)造成的鉆桿絲扣粘結(jié)，或使鉆桿接頭體鉆桿螺紋根部產(chǎn)生裂紋，這些裂紋即使很小，若不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)而繼續(xù)使用就會(huì)釀成事故。

據(jù)資料介紹，平均每起鉆桿失效事故造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約10余萬(wàn)元，若鉆桿斷裂造成埋井，其經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)數(shù)百萬(wàn)元。為降低事故發(fā)生，提高井下鉆桿使用的可靠性，降低鉆井工程成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)它們及時(shí)探傷是十分必要的，因而需要一種探傷設(shè)備，本文使用超聲波探傷儀對(duì)損傷加以檢測(cè)。

2.探傷的基本原理

2.1鉆桿損傷的原因分析

2.1.1鉆桿腐蝕

鉆桿腐蝕常發(fā)生在管體部分，且內(nèi)壁較外壁更易發(fā)生腐蝕，這是因?yàn)橥獗诤途谥g頻繁摩擦，有害物難以存留，不易被腐蝕。在使用過(guò)程中，腐蝕介質(zhì)和交變應(yīng)力的共同作用可以加速腐蝕過(guò)程，而腐蝕作用又加速了疲勞過(guò)程。腐蝕疲勞失效受腐蝕環(huán)境和疲勞載荷兩種因素支配，鉆桿在腐蝕介質(zhì)中受交變載荷作用時(shí)，它的疲勞壽命顯著降低，即是腐蝕和疲勞交互作用的結(jié)果。鉆桿腐蝕對(duì)鉆桿主要是腐蝕坑，在實(shí)際工作中，在外加應(yīng)力和介質(zhì)的共同作用下，腐蝕坑加速擴(kuò)大，在腐蝕坑底部導(dǎo)致應(yīng)力集中，外加應(yīng)力循環(huán)一定周次后，腐蝕坑開(kāi)始萌生裂紋。

2.1.2鉆桿螺紋區(qū)應(yīng)力集中

目前我們所使用鉆桿采用螺紋連接，外徑101.6～139.7mm，見(jiàn)圖1。G、S高鋼級(jí)鉆桿對(duì)此項(xiàng)沒(méi)規(guī)定，對(duì)管體螺紋連接區(qū)交界處遠(yuǎn)角曲率半徑在中也均未規(guī)定，這就導(dǎo)致在螺紋連接區(qū)的應(yīng)力集中較大，同時(shí)由于該處是截面突變處，易發(fā)生彎曲，見(jiàn)圖2。此處是鉆桿一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，是應(yīng)力疲勞或腐蝕疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)。

2.2超聲波探傷主要原理

對(duì)鉆桿螺紋連接區(qū)采用A型脈沖回波法，用直探頭或斜探頭檢測(cè)，用超聲脈沖回波法檢測(cè)損傷的原理與脈沖回波法測(cè)厚的原理基本一致。由探傷儀發(fā)射電路給探頭一個(gè)電信號(hào)，激勵(lì)探頭壓電晶片產(chǎn)生0.5～25MHz的高頻超聲場(chǎng)，超聲場(chǎng)穿過(guò)工件（鉆桿），在工件中傳播，當(dāng)遇到不連續(xù)時(shí)，超聲場(chǎng)中部分能量就會(huì)反射回探頭，探頭將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)給接收電路，接收電路將電信號(hào)進(jìn)行放大檢波，最后顯示到熒光屏上。熒光屏顯示回波幅度與反射回的能量大小有關(guān)，反射回的能量與不連續(xù)有關(guān)。

超聲波探頭發(fā)射的超聲波在工件中的傳播時(shí)間與工件厚度成正比，通過(guò)測(cè)量超聲波到達(dá)內(nèi)外壁表面的時(shí)間差就可以計(jì)算管壁的厚度。設(shè)超聲波在工件中傳播的往返時(shí)間為t，見(jiàn)圖3，則工件厚度為：T₀=0.5tC，C為工件中聲波傳播速度。

如鉆桿發(fā)生的是均勻腐蝕，則剩余壁厚T₁為：T₁=0.5t₁C，式中t₁為聲波在均勻腐蝕試件中往返傳播所用的時(shí)間。

若鉆桿發(fā)生的是點(diǎn)蝕，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，假設(shè)蝕坑底為平面，則底波前將會(huì)出現(xiàn)一蝕坑底面回波B（圖5），它與始波之間的時(shí)間差即為超聲波在剩余壁厚中往返的時(shí)間，蝕坑深度為：h=T₀-0.5t₂C，t₂為超聲波在點(diǎn)蝕坑處往返所用時(shí)間

3.探傷監(jiān)測(cè)應(yīng)用

3.1損傷檢測(cè)儀器

目前我們使用的超聲波探傷儀主要包括儀器和探頭、用于儀器校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)試塊，以及自制的與被測(cè)工件特性相同的工作試塊和相應(yīng)的耦合劑。

3.2損傷檢測(cè)實(shí)例

鉆桿螺紋連接區(qū)通常采用超聲檢測(cè)，主要檢測(cè)疲勞裂紋和腐蝕坑。螺紋連接區(qū)標(biāo)準(zhǔn)探頭角度為59.1度，系統(tǒng)增益56.5dB，這就是探傷標(biāo)樣高度，也就是探傷標(biāo)準(zhǔn)，所有出現(xiàn)信號(hào)都要和它相比較。

我們對(duì)第一個(gè)回收鉆具檢測(cè)出的缺陷，性質(zhì)為裂紋，該鉆桿為G105一級(jí)。此信號(hào)顯示非常高，信號(hào)狹長(zhǎng)，降低增益13.9dB，深度顯示8.8mm，長(zhǎng)度1.5mm。對(duì)第二個(gè)回收鉆桿檢測(cè)出信號(hào)與裂紋信號(hào)相同，信號(hào)狹長(zhǎng)，比較高，深度顯示14.6mm，在坑的邊沿存在裂紋。對(duì)第三個(gè)回收?qǐng)?bào)廢鉆桿檢測(cè)探傷發(fā)現(xiàn)信號(hào)不高，提高8.2dB才超過(guò)標(biāo)樣，原因是坑邊沿很平滑。對(duì)第四個(gè)回收?qǐng)?bào)廢鉆桿檢測(cè)探傷發(fā)現(xiàn)信號(hào)與裂紋信號(hào)相近，比較狹窄，有雙峰出現(xiàn)，經(jīng)切開(kāi)后發(fā)現(xiàn)兩處較深的腐蝕坑，且距離較近。

4.結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）鉆桿刺穿大都在螺紋連接區(qū)消失端或以下，管體壁厚都在9.19mm以下。（2）裂紋信號(hào)尖而狹窄，信號(hào)要高出標(biāo)樣很多，通常要高50%以上，嚴(yán)重者達(dá)到100%，甚至通屏。（3）很深很大的腐蝕坑信號(hào)與裂紋信號(hào)基本相同，尖而狹窄，有一定長(zhǎng)度的聲程，通過(guò)顯示深度可以確定坑的深度。（4）小的腐蝕坑信號(hào)不高，信號(hào)尖而狹窄，聲程長(zhǎng)度很小。（5）大而淺的腐蝕坑，信號(hào)顯示很低或無(wú)信號(hào)顯示，聲程長(zhǎng)度很大。（6）內(nèi)臺(tái)肩信號(hào)與小腐蝕坑信號(hào)相似，信號(hào)不高，尖而狹窄，但長(zhǎng)度較長(zhǎng)，一般超過(guò)20mm。

參考文獻(xiàn)：

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