謝春強(qiáng)，鄒龍慶，付海龍

（1.中原石油勘探局鉆井管具工程處，河南 濮陽(yáng) 457331；2.大慶石油學(xué)院機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

0 引 言

在API標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定鉆鋌檢測(cè)螺紋部分，鉆桿檢測(cè)管體部分，因?yàn)樗鼈兪倾@具應(yīng)力集中部位和最薄弱的部位。但實(shí)際生產(chǎn)中，石油鉆具檢測(cè)主要根據(jù)鉆具的材料和鉆具在井下受力狀況分析，并結(jié)合鉆具加工工藝及應(yīng)用狀況確定具體檢測(cè)部位和方法。通常檢測(cè)部位為接頭管螺紋、管體、內(nèi)外加厚過(guò)渡帶、管體和接頭處的焊縫，常用檢測(cè)方法是磁粉檢測(cè)、電磁檢測(cè)、超聲波檢測(cè)和滲透檢測(cè)。

1 磁粉檢測(cè)

1.1 原理

利用材料結(jié)構(gòu)異?；蛉毕荽嬖谒鸬膶?duì)磁反應(yīng)的變化，來(lái)探測(cè)各種工程材料、零部件、結(jié)構(gòu)件等表面缺陷[1]。當(dāng)被磁化的鐵磁性材料表面或近表面存在缺陷（或組織狀態(tài)的變化）從而導(dǎo)致該處磁阻有足夠變大時(shí)，在材料表面空間可形成漏磁場(chǎng)，將微細(xì)的鐵磁性粉末（磁粉）施加在此表面上，漏磁場(chǎng)吸附磁粉形成磁痕顯示出缺陷的存在及形狀，如圖1所示。

1.2 檢測(cè)設(shè)備

（1）加磁線圈，對(duì)工件加磁；（2）整流電路，將交流電變成直流電，電流方向和大小可調(diào)；（3）黑光燈，用于觀察磁痕。磁粉檢測(cè)設(shè)備見(jiàn)圖2。

圖1 磁痕示意圖

圖2 磁粉檢測(cè)設(shè)備

1.3 檢測(cè)方法

（1）交（直）流剩磁法，主要是先加磁，去掉磁場(chǎng)后施加磁懸液，再進(jìn)行觀察；（2）交（直）流連續(xù)法，主要是在加磁的同時(shí)施加磁懸液，同時(shí)進(jìn)行觀察；（3）磁軛法，用磁軛對(duì)工件加磁，然后施加磁懸液，再進(jìn)行觀察，常用于局部檢測(cè)。

1.4 實(shí)例

如圖3是2010年6月從新疆項(xiàng)目部回收?qǐng)?bào)廢鉆桿發(fā)現(xiàn)的損傷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鉆具損傷位置通常為外螺紋第2～5扣，內(nèi)螺紋的3～6扣，其性狀為磁痕不平滑，磁粉聚集明顯，缺陷消失處有明顯變化。而刀痕、磨痕的偽缺陷為磁痕平滑，磁粉聚集不明顯，缺陷消失處無(wú)明顯變化。

圖3 裂紋損傷圖

2 電磁檢測(cè)

2.1 原 理

電磁檢測(cè)的基本原理與磁粉檢驗(yàn)類似，都是利用鐵磁性材料被磁化后，其內(nèi)外表面缺陷或組織狀態(tài)的變化[2]會(huì)使導(dǎo)磁率發(fā)生變化，磁路中的磁通相應(yīng)發(fā)生變化，一部分磁通直接穿越缺陷，另一部分磁通在材料內(nèi)部繞過(guò)缺陷，還有一部分磁通會(huì)離開(kāi)材料表面，通過(guò)空氣繞過(guò)缺陷再重新進(jìn)入材料，在外表面形成漏磁場(chǎng)[3]，如圖4所示。但是漏磁場(chǎng)檢測(cè)是直接使用特殊的測(cè)磁裝置探查并記錄漏磁通的存在來(lái)達(dá)到檢測(cè)目的。壁厚檢測(cè)是利用磁密度原理[4]，如圖4所示，在2處壁厚無(wú)變化，管壁外的磁力線密度為一個(gè)常數(shù)；而在1處，壁厚發(fā)生變化，管壁外的磁力線密度增大。但其檢測(cè)的是管壁外的平均磁通量，因而得出的是總平均壁厚損失。

圖4 電磁檢測(cè)原理

2.2 檢測(cè)設(shè)備

以美國(guó)NEW TECH公司生產(chǎn)的TechScope EZW-P型檢測(cè)系統(tǒng)為例，此設(shè)備可以用來(lái)檢測(cè)管體的橫向、縱向缺陷及壁厚變化情況。檢測(cè)前，使用帶8種不同直徑尺寸孔槽的鉆桿樣管體做對(duì)比試管對(duì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定。EZW-P型綜合探傷儀主要由中心探區(qū)（縱向探鞋、橫向及厚探鞋、加磁線圈、旋轉(zhuǎn)線圈、底座和支架、夾頭滾軸、噴標(biāo)、可編程序邏輯控制PLC系統(tǒng)）、2條傳送自動(dòng)線、退磁線圈、上下管器、液壓動(dòng)力系統(tǒng)、遠(yuǎn)端控制操作臺(tái)及計(jì)算機(jī)等部分組成，如圖5所示。

圖5 TechScope EZW-P型檢測(cè)系統(tǒng)

2.3 檢測(cè)方法

2.4 實(shí)例

圖6是2010年5月從四川回收鉆桿檢測(cè)波形圖之一，該次鉆具檢測(cè)使用橫向缺陷檢測(cè)和壁厚檢測(cè)管體的腐蝕情況和損傷。從圖中可以看出波形A1、A2為探頭合攏時(shí)磁場(chǎng)突變產(chǎn)生的波形；B1、B2可能為橫向缺陷或壁厚變化產(chǎn)生的波形，參考壁厚變化曲線，因其壁厚曲線沒(méi)有發(fā)生變化，所以判斷其為橫向缺陷。經(jīng)超聲波檢測(cè)此管體存在缺陷。

圖6 管體橫向缺陷波形圖

3 超聲波檢測(cè)

3.1 原 理

超聲波探傷是利用超聲能透入金屬材料的深處，并由一截面進(jìn)入另一截面時(shí)在界面邊緣發(fā)生反射的特點(diǎn)來(lái)檢查零件缺陷的一種方法。對(duì)工件檢測(cè)部位采用A型脈沖回波法[5]，用橫波斜探頭檢測(cè)，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)工件并在工件中傳播。超聲波在媒質(zhì)中傳播，其強(qiáng)度I將隨傳播距離X的增加而逐漸減小[6]，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。在熒光屏上形成脈沖波形，根據(jù)這些脈沖波形來(lái)判斷缺陷位置和大小。

3.2 檢測(cè)設(shè)備

目前使用的超聲波探傷儀是南京東大電子設(shè)備公司生產(chǎn)CUD-2030型儀器，主要包括儀器、探頭、用來(lái)校準(zhǔn)儀器的超聲參考試塊及相應(yīng)的耦合劑。儀器有自動(dòng)校準(zhǔn)功能，對(duì)檢測(cè)信號(hào)可以儲(chǔ)存打印，如圖7所示。

圖7 損傷檢測(cè)儀器

3.3 檢測(cè)方法

圖8為經(jīng)過(guò)標(biāo)定的內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)標(biāo)準(zhǔn)N5刻槽在熒光屏顯示，探頭角度為59.1°，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)，所有被測(cè)管體顯示的信號(hào)都要和它相比較。

圖8 探傷標(biāo)樣高度

3.4 實(shí)例

目前使用5英寸鉆桿為API標(biāo)準(zhǔn)第3組鉆桿，管體頭部采用內(nèi)外加厚型式[7]。圖9為2010年10月16日中原石油勘探局鉆井一公司50518隊(duì)施工四川盆地川東北元壩低緩構(gòu)造帶九龍山南鼻狀構(gòu)造帶構(gòu)造位置的元陸六井回收鉆具檢測(cè)出的缺陷，性質(zhì)為裂紋，該鉆桿為G105一級(jí)。該信號(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。

4 滲透檢測(cè)

4.1 原 理

液體滲透檢測(cè)是檢驗(yàn)非疏松性金屬和金屬試件表面上有開(kāi)口缺陷[8]，將溶有熒光染料或著色染料的滲透劑施加在工件表面，滲透劑由于毛細(xì)作用能滲入到各種類型開(kāi)口于表面的細(xì)小缺陷中，清除附著在工件表面多余的滲透劑，經(jīng)干燥和施加顯像劑后，在黑光或白光下觀察，缺陷處可分別相應(yīng)發(fā)出黃綠色的熒光或呈現(xiàn)紅色，用目測(cè)檢驗(yàn)就能發(fā)現(xiàn)。

圖9 裂紋信號(hào)及損傷圖

4.2 檢測(cè)設(shè)備

滲透檢測(cè)使 口500 mL氣霧罐裝套裝系列產(chǎn)品，每套3罐，分別為HR-T清洗劑、HP-T滲透劑、HD-T顯像劑，如圖10所示。

圖10 滲透檢測(cè)使用物品

4.3 檢測(cè)方法

（1）用HR-T清洗劑噴在工件表面，進(jìn)行徹底清洗，并干燥；

（2）在被檢部位施加HP-T滲透劑，并保留10～15min時(shí)間；

（3）用HR-T清洗劑噴在擦拭布上，將工件表面多余滲透劑擦干凈；

（4）將HD-T顯像劑距工件20～30cm處薄薄地、均勻地噴灑在工件表面；

（5）觀察，缺陷部分將以鮮亮的紅色顯示在白色的顯像劑背景上。

4.4 實(shí)例

圖11是2010年8月從四川回收無(wú)磁鉆鋌內(nèi)螺紋損傷檢測(cè)情況，經(jīng)過(guò)清洗、施加滲透劑并顯像后觀察，該無(wú)磁鉆鋌母接頭完好。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）磁粉檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)結(jié)果直觀、操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)成本低，而且檢測(cè)效率高；其缺點(diǎn)是無(wú)法確知缺陷的深度和只適合檢查鐵磁性材料的表面和近表面缺陷。在鉆具損傷檢測(cè)中，常用于鐵磁性鉆具的管螺紋損傷檢測(cè)，且效果很好。

圖11 滲透檢測(cè)探傷圖

（2）電磁檢測(cè)技術(shù)主要以自動(dòng)化檢測(cè)為目的，不僅能檢出缺陷的存在，而且能根據(jù)檢測(cè)到的漏磁場(chǎng)確定缺陷的某些特征尺寸，例如缺陷深度、長(zhǎng)度等；缺點(diǎn)是檢測(cè)結(jié)果的顯示不直觀，并且檢測(cè)結(jié)果容易受周圍環(huán)境如中、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生強(qiáng)電磁場(chǎng)的電磁干擾影響。常用于鐵磁性鉆具的管體部分損傷檢測(cè)。

（3）超聲波探傷的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)厚度大、靈敏度高、速度快、成本低、對(duì)人體無(wú)害，能對(duì)缺陷進(jìn)行定位和定量；然而，超聲波探傷技術(shù)難度大，容易受到主、客觀因素的影響，以及探傷結(jié)果不便保存等。常用于鉆具管體內(nèi)外加厚過(guò)渡帶、管體與接頭焊縫、管體測(cè)厚及鉆鋌管螺紋的損傷檢測(cè)。

（4）滲透探傷操作簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜設(shè)備，費(fèi)用低廉，缺陷顯示直觀，具有相當(dāng)高的靈敏度，能發(fā)現(xiàn)寬度1μm以下的缺陷；但對(duì)于結(jié)構(gòu)疏松的粉末冶金工件及其他多孔性材料不適用。在鉆具損傷檢測(cè)中，主要適用于無(wú)磁鉆鋌的內(nèi)外管螺紋損傷檢測(cè)。

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