淺析熒光磁粉探傷在石油鉆具螺紋檢測中的應(yīng)用

胡國偉，苗文凱，孟勝濤

（中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司管具與井控技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300280）

石油鉆具在井下工作中具有非常重要的作用，熒光粉探傷在石油鉆具檢測中應(yīng)用中也具有十分重要的作用。在實(shí)際檢測過程中，工序相對復(fù)雜，如果操作工人綜合素養(yǎng)較差，極易影響其個人身體健康。而檢驗(yàn)裝置的體積過大，增加了檢測的難度，當(dāng)前階段熒光磁粉探傷的方法依舊存在一定的不足，在科學(xué)技術(shù)水平不斷發(fā)展的背景下，仍需對其進(jìn)行一定的完善，以進(jìn)一步保障鉆井工作的安全性。

1 石油鉆具螺紋檢測的必要性

我們在進(jìn)行石油鉆具螺紋檢測的分析前，要對石油鉆具的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解，針對本文中的分析內(nèi)容，我們進(jìn)行探討的石油鉆具為螺桿鉆具。螺桿鉆具作為鉆井的底部馬達(dá)部位，在鉆井效率上起著決定性的作用，首先，石油鉆具在與鉆機(jī)進(jìn)行連接時使用的是粗牙螺紋，以此建構(gòu)成整體的鉆機(jī)設(shè)備，這樣的設(shè)備才能夠進(jìn)行系統(tǒng)的石油開采。當(dāng)螺桿鉆具開始工作時，其高速的旋轉(zhuǎn)會造成多項(xiàng)應(yīng)力，而這些扭曲應(yīng)力會集中于一處，我們稱為應(yīng)力集合點(diǎn)，也就是螺紋處。在螺紋結(jié)構(gòu)上，公螺紋臺肩承擔(dān)40%，螺紋尾端承擔(dān)60%，螺絲與螺母的嚙合處承擔(dān)100%，在這樣的強(qiáng)效應(yīng)力的長期影響下，這些部位極易出現(xiàn)疲勞裂紋，疲勞裂紋是不可逆的，并且當(dāng)裂紋出現(xiàn)后，會快速向周邊擴(kuò)散，直至鉆具斷裂，這時就會導(dǎo)致井下施工人員的生命安全受到威脅，并且會造成較為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。例如，我國既往發(fā)生的相關(guān)事件，2011年塔里木盆地的中古151井、塔中83井的鉆具斷裂，造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)300多萬。其斷裂位置距母扣頂端7.61m，同樣產(chǎn)生于應(yīng)力集中點(diǎn)的螺紋處。

對石油鉆具的螺紋進(jìn)行檢測，能夠?qū)⒙菁y問題以及存在隱患及時發(fā)現(xiàn)，以此將鉆具斷裂的問題有效避免，保障鉆井的效率與經(jīng)濟(jì)效益。

2 熒光磁粉探傷在石油鉆具螺紋檢測中的應(yīng)用

2.1 檢測流程

熒光磁粉探傷法在石油鉆具螺紋檢測中是一種極其常見的方法，為保障石油鉆具螺紋檢測的效果，需要進(jìn)一步優(yōu)化其檢測流程。在檢測工作展開之前，作業(yè)人員需要對只有鉆具進(jìn)行充分的清理，用角磨機(jī)對螺紋位置進(jìn)行打舊處理，將井下工作中沾粘的泥漿清理干凈，對銹漬和被侵蝕部分進(jìn)行充分清除，使鉆具螺紋位置恢復(fù)到金屬色。做好了清理工作后，搖勻磁懸液，配置好的磁懸液需要以霧狀的方式緩慢地噴灑到螺紋周圍。如果同時檢測的鉆具過多，為避免磁粉滲透產(chǎn)生漏檢的情況，每噴灑10件螺紋需要對磁懸液進(jìn)行一次搖勻。

在鉆具螺紋檢測的過程中，紫外燈也是一項(xiàng)重要設(shè)備，作業(yè)人員需要利用紫光燈對石油鉆具螺紋位置進(jìn)行觀察，最重要的位置是螺紋根部，在觀察的過程中距離應(yīng)控制在10㎝，同時對于石油鉆具檢測的紫外燈有一定的波長要求，即中心波長為365nm，總體波長取于320～400nm，將其對照石油鉆具的螺紋根部，結(jié)合熒光顯像來進(jìn)行疲勞裂紋的判定。在使用紫光燈觀察的過程中，應(yīng)避免將其對準(zhǔn)皮膚位置或者操作人員的臉部以及眼睛等部位，做好安全防護(hù)，如果操作不當(dāng)會引發(fā)燒傷等情況，可利用5～10倍的放大鏡對螺紋位置進(jìn)行觀察。

磁痕是判斷鉆具螺紋是否符合正常標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)，使用紫外線燈進(jìn)行石油鉆具的裂痕判定只需要通過顏色判定即可，如果螺紋位置在紫外線的照射下呈現(xiàn)出紫色，說明沒有裂痕，如果呈鋸齒狀或者產(chǎn)生黃綠色熒光亮線，一般可基本判斷為存在疲勞裂紋。在檢測過程中，對于存在缺陷的鉆具螺紋，需要切除疲勞裂紋或者通過機(jī)床對其進(jìn)行修復(fù)，在使用砂輪機(jī)打磨疲勞裂紋的過程中，原則上是裂紋長度不超過3cm。

2.2 檢測關(guān)鍵

2.2.1 磁化控制

熒光磁粉探傷檢測法可用剩磁法，為保證將疲勞裂紋完全去除，外加磁場后需要有8000Gs足夠剩余磁力，外加磁強(qiáng)度H值在100～120Oe最合適。使用線圈進(jìn)行磁化的過程中，需要對線圈內(nèi)產(chǎn)生磁場強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，參與計(jì)算的相關(guān)數(shù)據(jù)為電流強(qiáng)度、線圈匝數(shù)、線圈寬度以及線圈半徑。熒光磁粉探傷檢測控制系統(tǒng)將時序控制、數(shù)據(jù)采集以及磁化電流控制有機(jī)結(jié)合，系統(tǒng)硬件主要包括6個部分，PLC、觸摸屏、電流采集電路、晶閘管、觸發(fā)電路以及繼電器。其中工作時序控制和磁化電流控制兩個部分組成了軟件設(shè)計(jì)，工作時序控制的主要作用是為了滿足檢測工藝中工作方式的設(shè)定，磁化電流以及磁化時間的設(shè)定，磁化電流控制過程中采用模糊-PID控制算法。當(dāng)作業(yè)人員設(shè)定好磁化或退磁電流后，針對不同的待檢工件，需要進(jìn)行實(shí)時采集電流值，經(jīng)過晶閘管觸發(fā)電路改變晶閘管的通角，從而達(dá)到自動調(diào)整磁化電流的目的。

2.2.2 磁懸液

磁懸液的配制要具有一定的科學(xué)性。磁懸液品質(zhì)的穩(wěn)定性對現(xiàn)有自動化熒光磁粉探傷中的裂紋檢測才具有重要的參考價值。磁懸液摻雜的情況下，需要配置好最優(yōu)的磁粉濃度和品質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)檢測中，最優(yōu)熒光磁粉濃度為5mL/L，磁粉濃度變動需要控制在設(shè)定值的6%以內(nèi)，這種情況下，探傷精度和磁痕圖像質(zhì)量最清晰，有利于進(jìn)一步確保熒光粉探傷檢測技術(shù)的質(zhì)量，一定程度上彌補(bǔ)了其檢測中的缺陷。

在熒光粉磁粉探傷中，磁痕圖像的評價判斷受作業(yè)人員的主觀判斷影響較大，目前常規(guī)環(huán)境拍攝下的磁痕圖像是平面成像，裂紋形成的磁痕寬度值與實(shí)際寬度值相比明顯偏大，而且受制于現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平，難以從圖像中提取有效的參數(shù)。理想情況下，懸浮液配置中理應(yīng)沒有摻雜任何雜質(zhì)，但是，在實(shí)際檢測的過程中受外部環(huán)境空氣對流等因素的影響，磁懸液不可避免地會沾染到非熒光雜質(zhì)，如果懸浮液中摻雜的物質(zhì)為非金屬粉末雜質(zhì)對檢測結(jié)果造成的影響較小，但是如果摻雜了鐵磁性金屬粉末雜質(zhì)對磁痕檢測的影響較大。

使用熒光粉磁粉探傷的過程中，懸浮液采取循環(huán)使用的方式，在使用過程中受空氣對流以及鉆具雜質(zhì)的影響會帶入一定的粉塵或者金屬等雜質(zhì)，不能確保懸浮液的濃度始終保持在最初調(diào)配的數(shù)值范圍。為保障檢測結(jié)果的穩(wěn)定性，需要將懸浮液的雜質(zhì)的影響降低到最小，這就需要選擇合適的方式對懸浮液的濃度進(jìn)行補(bǔ)償，結(jié)合磁粉和雜質(zhì)濃度的變化，通過補(bǔ)償保證懸浮液濃度在理想的范圍內(nèi)，從而提高探傷結(jié)果的準(zhǔn)確性。

當(dāng)懸浮液不含有雜質(zhì)時，石油鉆具螺紋裂紋磁痕圖像質(zhì)量最佳，此時熒光粉的濃度在3～4mL/L。作業(yè)人員在石油鉆具裂紋檢測中，可以將以上濃度作為參考標(biāo)準(zhǔn)，如果懸浮液使用多次，對其濃度的檢驗(yàn)可通過沉淀法進(jìn)行檢測，雜質(zhì)濃度小于2mL/L值可應(yīng)用于檢測，大于2mL/L時，需要及時采取補(bǔ)償措施對其進(jìn)行調(diào)配。在實(shí)際檢測的過程中，懸浮液濃度值是受到環(huán)境影響隨機(jī)變化的，為提高檢測結(jié)果的參考價值，需要對懸浮液中各顆粒濃度進(jìn)行檢驗(yàn)。

通常情況下，懸浮液的濃度會發(fā)生以下幾種情況：第一，隨石油鉆具螺紋檢測數(shù)量的增加，濃度持續(xù)降低。第二，在多次循環(huán)使用的過程中會產(chǎn)生細(xì)菌繁殖，進(jìn)而出現(xiàn)異味，且液體會變的渾濁。第三，石油鉆具在作業(yè)中會帶有一定的雜質(zhì)以及金屬顆粒，如果未清理完全，懸浮液中也會摻雜對應(yīng)的雜質(zhì)，對磁痕檢測的效果有直接影響。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，要進(jìn)一步對當(dāng)前探傷檢測中的缺陷進(jìn)行彌補(bǔ)，以提高檢測結(jié)果的參考價值，進(jìn)一步降低我國石油開采成本，切實(shí)提高石油企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

2.2.3 熒光磁痕

熒光磁粉檢測屬于一種物理檢測方式，其會受到來自外界因素的影響限制，進(jìn)而導(dǎo)致檢測結(jié)果的偏差，為了將檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性有效保障，除了要遵循檢測流程，還要保障相關(guān)的檢測人員能夠?qū)晒獯藕圻M(jìn)行分辨，以進(jìn)行針對性的檢測。

主要的熒光磁痕有兩種類型，一種是疲勞裂紋磁痕，另一種是偽缺陷磁痕。針對第一種疲勞裂紋磁痕，它通常產(chǎn)生于石油鉆具的應(yīng)力集中點(diǎn)，也就是螺紋根部地帶，疲勞裂紋的形狀通常是由根部起始，之后沿著根部進(jìn)行擴(kuò)散，呈現(xiàn)沿晶界斷裂的特征，裂痕呈現(xiàn)水平狀態(tài)，與石油鉆具的豎直方向呈現(xiàn)垂直狀態(tài)，同時疲勞裂紋通常是連續(xù)性出現(xiàn)，若裂紋程度較深，磁粉的吸附度就會由中心向外界遞減，因而熒光程度也會呈現(xiàn)中心亮、外界暗，并出現(xiàn)端部尖角。若裂痕深度較淺，在1～2mm，那么對于磁粉的吸附會呈現(xiàn)較為均勻的狀態(tài)，若裂痕深度在0.5mm，那么，對磁粉的吸附能力較弱，整體顯示也會較暗，并且吸附較不均勻。

而針對第二種偽缺陷磁痕，這是基于石油鉆具螺紋的生產(chǎn)加工技藝導(dǎo)致的，在石油鉆具的螺紋生產(chǎn)上，螺紋是由車床進(jìn)行削切后形成的，這些刀痕在后期進(jìn)行熒光磁粉探傷時也會對磁粉進(jìn)行吸附，進(jìn)而導(dǎo)致其與較淺的疲勞裂紋產(chǎn)生混淆，影響對其的判斷，在這點(diǎn)上需要注意，由出廠切削導(dǎo)致的裂痕通常較為整齊，并且呈現(xiàn)不規(guī)則性，而疲勞裂紋無法達(dá)成這樣的效果，此外，疲勞裂痕往往呈現(xiàn)不規(guī)則的擴(kuò)散狀態(tài)，而刀具切削導(dǎo)致的裂痕較直，且邊緣平滑。經(jīng)由這幾項(xiàng)內(nèi)容，以此將偽缺陷磁痕進(jìn)行有效分辨，進(jìn)而在之后的熒光磁粉探傷中避免誤判與不必要的操作。

2.3 存在缺陷

當(dāng)前，熒光磁粉探傷成為我國在石油鉆具檢測中的一種重要方式，其對于鉆具的疲勞裂紋有著極好的判定能力。但是，當(dāng)前的熒光磁粉探傷技術(shù)在石油鉆具螺紋檢測中還存在一定的缺陷。

首先，檢驗(yàn)的程序較為復(fù)雜，經(jīng)由上文中我們提到的使用熒光磁粉探傷技術(shù)檢測石油鉆具螺紋的流程來看，其檢測的步驟既多又雜，而繁雜的檢測流程對檢測人員的專業(yè)能力提出了一定的要求，尤其是像紫外燈這一類的工具，操作不當(dāng)就會對檢測人員的身體健康造成影響。

其次，進(jìn)行檢測的儀器設(shè)備占用空間較大，不適宜進(jìn)行隨時隨地的檢測，只能在固定的環(huán)境下來進(jìn)行，并且在進(jìn)行設(shè)備運(yùn)輸時也較為不便，為現(xiàn)場檢測提供了難度。

最后，熒光磁粉探傷是在鉆具使用后才能進(jìn)行的，而開采工作自鉆機(jī)設(shè)備組裝完畢后開始，當(dāng)鉆井進(jìn)行到一半時，需要將鉆具取出進(jìn)行熒光磁粉探傷，這無疑延長了鉆井開采的時間，并且增加了工作量，造成了一定程度上的資源浪費(fèi)。

2.4 應(yīng)用意義

當(dāng)前，石油開采已經(jīng)成為世界上衡量各國基礎(chǔ)實(shí)力的一項(xiàng)重要參照，隨著我國技術(shù)水平的進(jìn)步，石油開采工藝也得到了提升與發(fā)展，但是，當(dāng)前我國的石油開采仍舊存在一定的弊端，即對石油鉆具的使用。在過去的很多年中，我國的石油鉆具制作工藝不夠完善，因此，在石油開采上受到外界影響因素較多，而如今，我國的石油鉆具已經(jīng)能夠進(jìn)行自行生產(chǎn)，并且隨著開采技術(shù)的革新，石油鉆具也進(jìn)行了與時俱進(jìn)的改良，尤其是針對超深井的開采起著十分重要的作用。

但是，當(dāng)前的石油鉆具使用上仍然存在一些問題，首先，石油開采企業(yè)屬于營利性企業(yè)，其對于經(jīng)濟(jì)的需求也較大，因此在開采過程中也要進(jìn)行成本控制，在這點(diǎn)上，多數(shù)的石油開采企業(yè)往往在石油鉆具已經(jīng)出現(xiàn)了十分嚴(yán)重的損壞，完全不能使用后才將其進(jìn)行更換，這無形中增加了石油開采的難度與風(fēng)險(xiǎn)。造成這種現(xiàn)象一方面是石油開采企業(yè)的管理不當(dāng)；另一方面，是對于石油鉆具的檢測技術(shù)不達(dá)標(biāo)。

運(yùn)用熒光磁粉探傷法，能夠?qū)⑹豌@具中出現(xiàn)的質(zhì)量問題進(jìn)行直觀判斷，進(jìn)而決定石油鉆具是否具備繼續(xù)使用的能力，在未將熒光磁粉探傷法應(yīng)用于石油鉆具檢測中前，我國每年都有因?yàn)殂@具斷裂造成的事故，不僅危害著技術(shù)人員的生命健康，也為國家?guī)砹艘欢ǖ慕?jīng)濟(jì)損失。而使用熒光磁粉探傷法后，對于石油鉆具產(chǎn)生的疲勞裂痕進(jìn)行了及時有效的察覺，進(jìn)而避免了由于過度使用造成的壽命縮短，不僅保障了施工安全，也保障了經(jīng)濟(jì)成本。

誠然，當(dāng)前的熒光磁粉探傷法在石油鉆具的檢測中依舊存在一定的問題，但是瑕不掩瑜，并且在未來我國的技術(shù)水平的進(jìn)步下，這些弊端也能得到很好的解決。例如，CZX-1型熒光磁粉探傷設(shè)施，就是技術(shù)更新的一種體現(xiàn)。

3 結(jié)語

石油鉆具在當(dāng)前的石油開采中占據(jù)著重要地位，石油開采的效率極大程度上取決于石油鉆具的功能性，熒光磁粉探傷法在保障石油鉆具的能動性上有著十分顯著的功效，通過本文中分析的內(nèi)容，對于此項(xiàng)技術(shù)的使用必要性以及使用流程、使用意義，相信大家都能全面了解。當(dāng)前我國的石油鉆井技術(shù)仍有進(jìn)步空間，而技術(shù)進(jìn)步的前提就是保障石油鉆具的完好，也就是保障熒光磁粉探傷技術(shù)的使用。