鉆桿管體超聲波探傷誤報(bào)分析及措施

岳 鵬，李志昊，劉一芳，楊勇平

（1.中國(guó)石油渤海裝備鉆井裝備公司，河北滄州 062658；2.中國(guó)石油渤海裝備第一機(jī)械廠，河北滄州 062658）

0 引言

鉆桿是石油天然氣開采過程中必不可少的關(guān)鍵性工具，其性能的好壞直接關(guān)系到鉆井作業(yè)的成功與否。鉆井過程中鉆桿的主要作用是傳遞扭矩、加深井眼。鉆桿通常要深入到幾千米地層中工作，工作條件極為復(fù)雜，鉆桿承受拉、壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)和不均衡沖擊載荷等應(yīng)力作用。鉆桿管體是由材質(zhì)為低碳合金鋼的薄壁無(wú)縫管制造，由于鉆桿的工作條件惡劣，除對(duì)管材強(qiáng)度、硬度、耐磨性和沖擊韌性等方面有要求較高外，對(duì)管體上可能存在的裂紋、折迭、夾雜、劃傷等缺陷有嚴(yán)格的檢測(cè)要求。

鉆桿管體在制造過程因各種原因中可能會(huì)產(chǎn)生缺陷，這些缺陷經(jīng)常沿管體軸向延伸，在管材橫截面上呈徑向分布，當(dāng)鉆桿在高溫、高壓、交變扭矩等惡劣條件下工作時(shí)，這些缺陷成為了鉆桿刺穿或斷裂的危險(xiǎn)因素。因此，在鉆桿管體要進(jìn)行100%的無(wú)損檢測(cè)，目前鉆桿廠家普遍使用超聲波、電磁超聲、漏磁、渦流等方法，對(duì)管體進(jìn)行有效的檢測(cè)和測(cè)試，評(píng)估其連續(xù)性、完整性。在眾多的檢測(cè)方式中，超聲波探傷可對(duì)缺陷準(zhǔn)確定位，對(duì)管體內(nèi)部裂紋、疊層、分層等平面狀缺陷具有較強(qiáng)的檢出能力等優(yōu)點(diǎn)而受到廣大廠家的歡迎。

1 基本情況

2019 年中石油渤海裝備鉆井裝備公司購(gòu)進(jìn)了一套48 通道鉆桿管體超聲自動(dòng)探傷設(shè)備，該探傷設(shè)備采用鉆桿管體旋轉(zhuǎn)呈螺旋線穿過探傷設(shè)備的方式進(jìn)行檢測(cè)，可用于Ф60～210 mm 的鉆桿管體無(wú)損檢驗(yàn)。超聲波探傷共有2 套檢測(cè)主機(jī)：第一套主機(jī)實(shí)現(xiàn)管體的橫傷檢測(cè)，橫傷檢測(cè)使用24 個(gè)檢測(cè)通道，分別從兩個(gè)方向入射各12 通道的超聲波探測(cè)。第二套主機(jī)中實(shí)現(xiàn)管體縱傷檢測(cè)和測(cè)厚分層檢測(cè)，縱傷檢測(cè)使用12 個(gè)檢測(cè)通道，分別實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向入射各6 通道的超聲波探傷。測(cè)厚分層檢測(cè)使用12 個(gè)檢測(cè)通道，探頭聲束入射點(diǎn)指向鉆桿管體中心位置。橫傷檢測(cè)、縱傷檢測(cè)、測(cè)厚分層檢測(cè)均采用局部水浸耦合法，48 個(gè)探傷檢測(cè)超聲波探頭排放置于探傷水碗底部。設(shè)備檢測(cè)速度采用交流變頻器無(wú)級(jí)調(diào)速控制管體螺旋前進(jìn)速度，有效聲束100%覆蓋，探頭螺距覆蓋為115%。

在檢測(cè)過程中，鉆桿管體通過撥料機(jī)構(gòu)從上料臺(tái)架取料至上料輥道上。鉆桿管體沿螺旋傳輸輥道傳輸至檢測(cè)主機(jī)處，通過檢測(cè)傳感器控制壓輥、螺旋傳輸輥道張合及檢測(cè)跟蹤機(jī)構(gòu)和探頭動(dòng)作，鉆桿螺旋前進(jìn)完成整個(gè)探傷過程。鉆桿管體到達(dá)上述檢測(cè)主機(jī)時(shí)，各水碗耦合裝置在光電開關(guān)控制下分別讓過鉆桿管體端頭后，向上頂至鉆桿管體底面，實(shí)施隨動(dòng)跟蹤的超聲波縱傷、橫傷和測(cè)厚分層探測(cè)。檢測(cè)主機(jī)前后有均一套壓緊驅(qū)動(dòng)裝置，用以保證鉆桿管體通過檢測(cè)主機(jī)時(shí)勻速、穩(wěn)定。鉆桿管體在傳輸輥道上螺旋前進(jìn)經(jīng)過中央檢測(cè)主機(jī)后，根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行缺陷定位，并根據(jù)是否有缺陷分選至待判區(qū)或正常放管進(jìn)入下一流程。

該設(shè)備經(jīng)自動(dòng)化調(diào)試后投入試運(yùn)行，但在試生產(chǎn)過程中，探傷誤報(bào)率較高，其中橫傷誤報(bào)率在21%左右，縱傷誤報(bào)率在16%左右。由于探傷缺陷必須人工100%復(fù)探，這即影響生產(chǎn)效率，又無(wú)法確保每支鉆桿的產(chǎn)品質(zhì)量。因此研究誤報(bào)產(chǎn)生的原因并實(shí)施有效措施至關(guān)重要，問題解決后該設(shè)備方能投入正常生產(chǎn)運(yùn)行。

2 誤報(bào)原因分析及措施

在實(shí)際檢測(cè)過程中，鉆桿管體橫向、縱向探傷誤報(bào)率均較高。鉆桿管體在探傷時(shí)，進(jìn)行橫向、縱向、分層測(cè)厚（圖1），該類型探傷設(shè)備在油井管、鉆桿行業(yè)已有20 多套成熟應(yīng)用案例，在其他使用廠家未發(fā)生誤報(bào)率高的問題，初步分析產(chǎn)生原因?yàn)橥獠扛蓴_因素。

2.1 外部因素原因分析

造成超聲波探傷誤報(bào)的原因很多，包括電源純凈度不夠、周圍電磁環(huán)境干擾、耦合不良、氣泡干擾、氧化皮脫落等一系列原因，需要對(duì)其進(jìn)行逐一排查。

2.1.1 耦合循環(huán)水的處理

圖1 鉆桿管體探傷過程俯視

該設(shè)備檢測(cè)方式為檢測(cè)探頭固定在水碗底部，鉆桿螺旋前進(jìn)穿過探傷設(shè)備完成檢測(cè)掃查，在探頭與鉆桿之間為水浸耦合，因水中氣泡造成誤報(bào)的可能性較大。通過目視觀察，循環(huán)水在水碗中流動(dòng)確實(shí)存在少量的微小氣泡。為了保證循環(huán)水不攜帶氣泡，在循環(huán)水泵口增加了1 組細(xì)密紗網(wǎng)，并在設(shè)備附近安裝了一個(gè)高2 m、1 m3的儲(chǔ)水箱。用于耦合的循環(huán)水由水泵抽送至儲(chǔ)水箱，靜置30 min 待小氣泡溢出后，循環(huán)水靠自重流入水碗。通過目視觀察，水碗中的微小氣泡幾乎完全消除。再次進(jìn)行鉆桿管體探傷作業(yè)，誤報(bào)率變化不大。

2.1.2 電源環(huán)境的檢查

探傷儀界面顯示的誤報(bào)沒有明顯的規(guī)律性，與一般電源干擾波有較大不同。但為了排除該干擾因素依然進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)。首先對(duì)探傷設(shè)備主機(jī)、探傷儀器、操作臺(tái)3 處獨(dú)立接地電阻分別進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果分別為2.8 Ω、1.6 Ω 和1.9 Ω，滿足廠家技術(shù)要求。第二步將探傷設(shè)備周邊用電設(shè)施、中高頻設(shè)備關(guān)停，探傷設(shè)備所用高壓柜的同源設(shè)備電源切斷，探傷設(shè)備自身的變頻器停用，再次進(jìn)行探傷，結(jié)果顯示探傷誤報(bào)率依舊未發(fā)生變化。

2.1.3 管體表面氧化皮的處理

管體超聲波探傷前的工序?yàn)楣荏w熱處理調(diào)質(zhì)，熱處理后的管體表面存在松散氧化皮。在管體探傷前，對(duì)管體表面進(jìn)行了打磨預(yù)處理，并對(duì)其進(jìn)行沖洗，松散氧化皮基本處理干凈。對(duì)循環(huán)水中氧化皮進(jìn)行過濾，清理水碗及水碗中的探頭后，再次進(jìn)行探傷試驗(yàn)，橫傷誤報(bào)率降低為0.5%以下，縱傷誤報(bào)率為8%。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)每探傷90～100 支鉆桿后，橫傷誤報(bào)率再次升高，檢查原因發(fā)現(xiàn)這與探頭表面氧化皮持續(xù)積累有關(guān)（圖2）。在探傷生產(chǎn)過程要求每檢測(cè)80 支管體，即使用毛刷清理探頭表面，通過批量試驗(yàn)，橫傷誤報(bào)率降低為0.3%左右。部分鉆桿管體在檢測(cè)時(shí)，同時(shí)發(fā)生橫向、縱向的誤報(bào)。

該措施解決了橫傷誤報(bào)率問題，但綜合誤報(bào)率依舊為8%，改進(jìn)前后127 mm×9.17 mm 管體的探傷情況見表1。

為了確認(rèn)誤報(bào)率依然有8%是否因氧化皮未打磨徹底造成，對(duì)未經(jīng)熱處理的無(wú)縫管進(jìn)行批量檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果顯示誤報(bào)率依舊在8%左右，因此除氧化皮外還有其他因素影響誤報(bào)率。

圖2 氧化皮沉積影響橫向探傷誤報(bào)率

2.2 設(shè)備本身因素分析

造成超聲波探傷誤報(bào)的設(shè)備本身因素包括超聲探頭制作不精良、探傷儀設(shè)置問題、機(jī)械結(jié)構(gòu)缺陷等，需要對(duì)其進(jìn)行逐一排查。

2.2.1 探傷儀器及探頭檢查

對(duì)多通道超聲波探傷儀、縱向超聲探頭、橫向超聲探頭、連接信號(hào)線進(jìn)行了檢查，各器件完好，信號(hào)線連接緊固。但現(xiàn)場(chǎng)也發(fā)現(xiàn)一些可能造成誤報(bào)率的隱患：橫向探頭、縱向探頭的表面略顯粗糙，光潔度不足，為消除導(dǎo)致誤報(bào)率的隱患，統(tǒng)一返廠修磨處理。考慮到主機(jī)探傷儀器與探頭有一定距離，為排除信號(hào)線距離長(zhǎng)造成信號(hào)損失，采用臨時(shí)信號(hào)線不經(jīng)電纜溝最短距離連接，再次進(jìn)行探傷試驗(yàn)，誤報(bào)率未發(fā)生明顯變化。

2.2.2 探傷儀器的校驗(yàn)鑒定

為驗(yàn)證探傷儀器的準(zhǔn)確性，委托北京鋼鐵研究院按照GB/T5777—2008 L2 級(jí)，對(duì)設(shè)備儀器的綜合性能進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，因此排除了儀器問題造成的誤報(bào)率。

表1 去除氧化皮前后鉆桿誤報(bào)率對(duì)比

2.2.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)的檢查

對(duì)探傷設(shè)備所有輸送旋轉(zhuǎn)輥的標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量，保證管體各部位處于同一高度，管體螺旋前進(jìn)時(shí)無(wú)甩頭或大幅的晃動(dòng)情況。檢查調(diào)整壓緊驅(qū)動(dòng)裝置位置，保證管體通過水碗機(jī)構(gòu)時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)。檢查水碗下側(cè)的升降機(jī)構(gòu)及彈簧壓緊力，確保管體與探頭的耦合接觸。通過檢查調(diào)整，再次進(jìn)行探傷試驗(yàn)，縱傷誤報(bào)率沒有改觀。

對(duì)大量的探傷結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，縱傷誤報(bào)率95%產(chǎn)生于25#～30#的6 個(gè)通道，而這些通道都安裝在縱傷1#支架上。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)在管體旋轉(zhuǎn)入水時(shí)，管體會(huì)將空氣帶入水碗中形成微小的氣泡，對(duì)1#支架上探頭造成誤報(bào)影響，現(xiàn)場(chǎng)情況如圖3 所示。

通過調(diào)整水碗機(jī)械結(jié)構(gòu)、加寬鉆桿支撐輥輪間距，使鉆桿浸水位置加深，氣泡受浮力作用難以帶入至縱傷探頭與管體之間；同時(shí)在縱傷探傷時(shí)增加預(yù)淋水，使鉆桿表面在探傷前有一層水膜，減少管體旋轉(zhuǎn)入水時(shí)氣泡的形成。通過以上2 個(gè)措施，基本避免了探頭和鉆桿管體間存在氣泡的可能性。在措施實(shí)施后，縱傷誤報(bào)率降低至0.5%以下，滿足了設(shè)備投用的技術(shù)要求，機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化后127 mm×9.17 mm 管體的探傷情況見表2。

圖3 微小氣泡影響縱向探傷誤報(bào)率

表2 優(yōu)化水碗機(jī)械結(jié)構(gòu)前后鉆桿誤報(bào)率對(duì)比

3 結(jié)論與建議

鉆桿管體的超聲波探傷是鉆桿制造過程的關(guān)鍵工序，因此分析總結(jié)出一套查找誤報(bào)率原因的方法很有必要。處理誤報(bào)率問題時(shí)首先要排除原材料本身、電源環(huán)境、循環(huán)水等外圍干擾因素。通過積累分析大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分類查找引起誤報(bào)率的基本方向，逐一排查該方向造成影響的潛在因素，根據(jù)分析結(jié)論采取相關(guān)措施將誤報(bào)產(chǎn)生原因消除。