吳鳳明，樊建春，左衛(wèi)東，蘇雪梅，張仁慶

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249） ①

鉆具接頭應(yīng)力磁記憶檢測(cè)試驗(yàn)研究

吳鳳明，樊建春，左衛(wèi)東，蘇雪梅，張仁慶

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249）①

鉆具螺紋疲勞應(yīng)力集中區(qū)域容易發(fā)生突然斷裂。通過(guò)鉆具接頭試樣拉伸磁記憶檢測(cè)試驗(yàn)，分析試樣在不同拉應(yīng)力條件下的磁記憶信號(hào)變化規(guī)律及原因，采用區(qū)域積分面積－應(yīng)力關(guān)系曲線方法分析試樣拉伸過(guò)程磁記憶信號(hào)特征規(guī)律。研究結(jié)果表明：磁記憶檢測(cè)方法可以有效地判定鉆具接頭疲勞應(yīng)力狀態(tài)。為磁記憶檢測(cè)技術(shù)在鉆具接頭應(yīng)力狀態(tài)評(píng)價(jià)的應(yīng)用提供依據(jù)。

鉆具接頭；磁記憶檢測(cè)；拉伸試驗(yàn)；應(yīng)力集中

石油鉆具在服役過(guò)程承受交變載荷，由于鉆具螺紋結(jié)構(gòu)的特殊性，疲勞應(yīng)力容易引起鉆具螺紋接頭突然斷裂，給鉆井生產(chǎn)帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失。分析鉆具應(yīng)力狀態(tài)，可以有效防止事故的發(fā)生。材料力學(xué)研究表明：金屬構(gòu)件在拉伸載荷作用下，構(gòu)件在破壞過(guò)程中經(jīng)過(guò)彈性變形和塑性變形階段。通過(guò)對(duì)鉆具接頭試樣拉伸研究，分析鉆具接頭試樣受力時(shí)磁場(chǎng)變化情況；尋找判定應(yīng)力狀況的磁記憶信號(hào)特征值；研究螺紋試樣的彈性、塑性階段磁記憶信號(hào)變化規(guī)律［1］，為鉆具螺紋應(yīng)力研究提供基礎(chǔ)試驗(yàn)支持。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試樣

試驗(yàn)所用材料為鉆桿接頭材質(zhì)（AISI 4137），試樣化學(xué)成分如表1。試樣的尺寸和力學(xué)性能參數(shù)如表2。試樣材料應(yīng)力－應(yīng)變曲線由MTS810力學(xué)試樣機(jī)測(cè)定，應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖1。

表1 試樣化學(xué)成分wB%

表2 試樣尺寸及材料力學(xué)性能

圖1 試樣應(yīng)力－應(yīng)變曲線

1.2 試驗(yàn)加載

拉伸通過(guò)WE－300H型液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)完成，載荷譜如表3所示。試樣1載荷從0逐漸增加到54kN，每次增加6.75kN，保持一段時(shí)間后卸載，從試驗(yàn)機(jī)上取下試樣，測(cè)取試樣表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度；試樣2、3載荷從0逐漸增加到52.5kN，每次增加3.75kN，保持一段時(shí)間后卸載，從試驗(yàn)機(jī)上取下試樣，測(cè)取試樣表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度。拉伸試驗(yàn)的載荷一直加載到試樣出現(xiàn)頸縮為止。

表3 拉伸試驗(yàn)的載荷譜

1.3 檢測(cè)方法

試驗(yàn)中磁記憶信號(hào)使用Gaussmeter421型高斯計(jì)測(cè)量。高斯計(jì)與數(shù)據(jù)采集卡連接，數(shù)據(jù)采集卡與筆記本電腦連接，構(gòu)成整個(gè)數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)。PLC模塊驅(qū)動(dòng)直線導(dǎo)軌，完成高斯計(jì)探頭對(duì)試樣直線掃描。高斯計(jì)檢測(cè)探頭與試樣距離為1mm。掃描的路徑沿試樣的軸向，探頭測(cè)取的是試樣表面磁場(chǎng)的法向分量。磁記憶信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

拉伸試驗(yàn)中所測(cè)取的磁記憶信號(hào)為試樣表面的法向磁感應(yīng)強(qiáng)度。試樣繞軸心每旋轉(zhuǎn)90°掃描1次，每次加載后在試樣圓周方向上測(cè)量4次。檢測(cè)方向如圖3所示。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)框圖

圖3 拉伸試驗(yàn)試樣檢測(cè)方向

2 試驗(yàn)結(jié)果

1～3號(hào)試樣在不同拉伸載荷下測(cè)取的法向磁記憶信號(hào)曲線如圖4所示［2］。

圖4 不同拉伸載荷下的磁記憶信號(hào)曲線

在不同拉伸載荷作用下，鉆具接頭試樣的磁記憶信號(hào)曲線的變化特征呈現(xiàn)不同形式。由圖4可知：試樣加載前的初始狀態(tài)磁記憶信號(hào)曲線相對(duì)平滑，磁記憶信號(hào)在零值點(diǎn)附近波動(dòng)，表明試樣在初始狀態(tài)下磁場(chǎng)分布較均勻；試樣加載后磁記憶信號(hào)曲線相對(duì)于初始磁記憶信號(hào)曲線具有顯著變化，試樣兩端的磁極極性轉(zhuǎn)換方向，這種磁極性轉(zhuǎn)變與外磁場(chǎng)方向和試樣表面磁場(chǎng)相對(duì)方向有關(guān)［3－7］；試樣加載后磁記憶信號(hào)曲線均近似匯集于同一點(diǎn)；匯集點(diǎn)的磁記憶信號(hào)值的產(chǎn)生與試樣的初始磁場(chǎng)情況密切相關(guān)；試樣的磁極之間的距離變長(zhǎng)，表現(xiàn)為磁記憶信號(hào)曲線上正負(fù)極值點(diǎn)的數(shù)據(jù)間隔變長(zhǎng)，在試樣發(fā)生頸縮后，這種間隔的變長(zhǎng)更加顯著；在不同拉伸載荷下，隨著加載拉應(yīng)力的增大，磁記憶信號(hào)曲線整體的趨勢(shì)發(fā)生改變；磁記憶信號(hào)曲線在匯集點(diǎn)處存在逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

3 應(yīng)力與磁記憶信號(hào)變化規(guī)律

本文采用一種新的方法來(lái)表征磁記憶信號(hào)的特征值，即區(qū)域積分面積法。通過(guò)對(duì)被檢試件磁感應(yīng)強(qiáng)度積分求得該區(qū)域的面積，區(qū)域積分面積與應(yīng)力大小成整相關(guān)。螺紋接頭試樣在不同拉伸載荷下應(yīng)力的磁記憶信號(hào)特征值、區(qū)域積分面積－應(yīng)力曲線定義如式（1）。3個(gè)試樣的區(qū)域積分面積－應(yīng)力曲線如圖5所示。

式中，B為試樣表面磁感應(yīng)強(qiáng)度，mT；L1為掃描路徑的起點(diǎn)坐標(biāo)，mm；L2為掃描路徑的終點(diǎn)坐標(biāo)，mm；A為表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的絕對(duì)值在掃描路徑上的積分。

圖5 試樣的區(qū)域積分面積－應(yīng)力關(guān)曲線

由圖5可以看出：3個(gè)試樣在應(yīng)力增大的過(guò)程中，區(qū)域積分面積整體呈上升趨勢(shì)，積分面積曲線存在一定的波動(dòng)性。對(duì)其分析可得：

1） 初始區(qū)域積分面積在加載后發(fā)生較大躍變，加載后區(qū)域積分面積比加載前的特征值大得多。

2） 彈性加載階段，隨著應(yīng)力的增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度面積存在上升趨勢(shì)，在整個(gè)加載過(guò)程中出現(xiàn)非確定性波動(dòng)，波動(dòng)產(chǎn)生的原因可記為是試樣在夾具作用下出現(xiàn)的壓痕所導(dǎo)致。

3） 試樣材料由彈性向塑性過(guò)渡處，積分面積曲線上升的速率顯著強(qiáng)于彈性和塑性階段相應(yīng)的速率，積分面積曲線的變化特性可以區(qū)分磁性材料彈、塑性應(yīng)力狀態(tài)。

4） 應(yīng)力狀態(tài)評(píng)價(jià)過(guò)程中，考慮到第1次加載前后磁性存在躍變的影響，需要減去初始特征值積分面積。

4 結(jié)論

1） 進(jìn)行了拉伸條件下的鉆具接頭試件的磁記憶檢測(cè)基礎(chǔ)試驗(yàn)，獲得了鉆具接頭材料試樣拉伸過(guò)程的磁記憶信號(hào)變化規(guī)律，以及在不同試驗(yàn)條件下拉應(yīng)力與特征參數(shù)——區(qū)域積分面積之間的量化關(guān)系。

2） 分析了外磁場(chǎng)環(huán)境及試樣的初始磁化狀態(tài)對(duì)應(yīng)力狀態(tài)量化的影響，以及準(zhǔn)確量化應(yīng)力程度所應(yīng)采取的方法。

3） 確定了應(yīng)力集中程度與磁記憶信號(hào)特征值相關(guān)聯(lián)系，為磁記憶檢測(cè)技術(shù)在鉆具接頭應(yīng)力狀態(tài)評(píng)價(jià)的應(yīng)用提供了可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

［1］ DOUBOV A A.Screening of welding quality using the magnetic metal memory effect［J］.Welding in the World，1998，13（6）：313－315.

［2］ 鐘文定.技術(shù)磁學(xué)：上冊(cè)［M］.北京：科學(xué)出版社，2000.

［3］ 丁 輝，張 寒，李曉紅，等.磁記憶檢測(cè)裂紋類(lèi)缺陷的理論模型［J］.無(wú)損檢測(cè)，2002，24（2）：78－80.

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Study on Magnetic Memory Testing Technology of Drill Connector’s Stress

WU Feng－ming，F(xiàn)AN Jian－chun，ZUO Wei－dong，SU Xue－mei，ZHANG Ren－qing
（College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum，Beijing102249，China）

Based on the magnetic memory technique，it analyzes the experiments of the drill connector’s thread which is vulnerable in the stress concentrated area，and the magnetic memory signals of the thread’s specimen which was under different tensile stress.From the result，some rules and reasons were obtained.Through the regional integral area－stress relation curve method，the character of the magnetic memory signals of the specimen was obtained as well.The study shows that the magnetic memory testing method could effectively detect the fatigue stress state of the drill connector’s thread.

drill connector；metal magnetic memory；tension experiment；stress concentration

1001－3482（2012）09－0054－03

TE921.2

A

2012－03－20

吳鳳明（1981－），男，黑龍江望奎人，碩士研究生，主要從事機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷研究，E－mail：anda308＠sina.com。