戴 光 任 毅 楊志軍 魯 鑫 白明超

(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院)

在我國(guó)石油開(kāi)采中，鉆桿的使用極為廣泛。鉆桿在服役過(guò)程中要長(zhǎng)期受拉、扭、彎曲等交變應(yīng)力和機(jī)械摩擦作用，同時(shí)鉆井液、鉆井泥漿中溶解的O2、H2S、CO2等腐蝕介質(zhì)及地層的氧化物等介質(zhì)使鉆桿產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕，受腐蝕后的鉆桿在應(yīng)力作用下易失效，造成鉆桿失效事故[1]。

漏磁檢測(cè)法是具有高靈敏度與高可靠性且可量化的檢測(cè)方法，其主要基于漏磁原理。在施加外加磁場(chǎng)的條件下，若鐵磁性材料無(wú)缺陷，磁力線穿過(guò)材料內(nèi)部，幾乎不發(fā)生溢出；當(dāng)經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)，磁力線發(fā)生畸變溢出，形成漏磁場(chǎng)[2]。通過(guò)霍爾元件等磁敏元件，即可將磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為可以識(shí)別的電信號(hào)[3]。

為提高檢測(cè)效率，避免現(xiàn)場(chǎng)鉆桿檢測(cè)更換的盲目性與滯后性，筆者介紹了一種用于φ73mm鉆桿的漏磁檢測(cè)方式，并對(duì)確定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，分析了缺陷漏磁場(chǎng)的分布情況和影響缺陷漏磁場(chǎng)的因素。

1 φ73mm鉆桿漏磁檢測(cè)的有限元仿真分析

1.1有限元模型的建立

在有限元仿真分析中，依據(jù)有限元軸對(duì)稱模型取半分析的原則，同時(shí)兼顧計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，故對(duì)整體模型的1/4進(jìn)行分析[4]。本問(wèn)題為靜態(tài)的磁場(chǎng)分析，分析采用棱邊單元法，定義單元類型為Solid117單元該單元類型每個(gè)單元有20個(gè)結(jié)點(diǎn)[5]。以φ73mm鉆桿所具有的9.19mm鉆桿壁厚為研究對(duì)象，通過(guò)布爾求減人為建立腐蝕坑缺陷并通過(guò)實(shí)體建模法建立磁化模型(圖1)。

圖1 有限元幾何分析模型

1.2有限元分析的材料屬性設(shè)定與網(wǎng)格劃分

銜鐵與極靴的作用是導(dǎo)通磁路，需采用導(dǎo)磁性能較好的軟磁材料，選用10#鋼，磁鐵應(yīng)選用體積小、重量輕和磁性強(qiáng)的釹鐵硼磁鐵。設(shè)定除外圍空氣外所有材料的非線性B-H曲線，現(xiàn)已知：空氣相對(duì)磁導(dǎo)率為1.0；銜鐵、極靴和被測(cè)鉆桿三者均為非線性材料，需查閱手冊(cè)設(shè)置相應(yīng)的B-H曲線；永磁鐵作為整體結(jié)構(gòu)的勵(lì)磁源，需要根據(jù)其勵(lì)磁方向定義其矯頑力方向和大小。

網(wǎng)格劃分是有限元分析的關(guān)鍵，不同的劃分方法與劃分質(zhì)量好壞直接關(guān)系到計(jì)算的效率與結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于本設(shè)計(jì)模型較為規(guī)整，經(jīng)線切割劃分可分為較為規(guī)整的六面體單元，故采用映射網(wǎng)格劃分，圓柱形空氣缺陷亦采用映射劃分模式(圖2)，人工缺陷處網(wǎng)格劃分如圖3所示?？刂凭W(wǎng)格劃分精度，在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，提高計(jì)算效率。

圖2 有限元網(wǎng)格劃分

圖3 人工缺陷處網(wǎng)格劃分

1.3三維模型的求解與后處理

網(wǎng)格劃分結(jié)束后，設(shè)置求解邊界條件，磁力線垂直邊界條件自然滿足，定義節(jié)點(diǎn)自由度，收斂條件為默認(rèn)設(shè)置[6]。ANSYS提供了多種方式的求解器，筆者選用稀疏矩陣直接求解器對(duì)模型進(jìn)行求解計(jì)算。計(jì)算完成后，在后處理中，通過(guò)缺陷平面的磁通量密度等值云圖切片(圖4)便可觀察到缺陷處漏磁場(chǎng)的產(chǎn)生。通過(guò)缺陷處的路徑提取，即可獲得缺陷處軸向與徑向的磁通量密度與磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線。

圖4 缺陷處磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖切片

2 鉆桿存在缺陷時(shí)的漏磁場(chǎng)參量分析

2.1漏磁場(chǎng)信號(hào)隨圓柱形缺陷直徑大小的遞變規(guī)律分析

為了分析鉆桿較易產(chǎn)生的圓柱形腐蝕坑對(duì)漏磁場(chǎng)的影響規(guī)律，通過(guò)布爾求減操作，利用控制變量法，在壁厚9.19mm的桿壁上人為設(shè)定了深度50%(即深4.6mm)，直徑大小分別為2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5mm的圓柱形缺陷，并在計(jì)算后分別提取缺陷上方1mm處的磁通量密度軸向與徑向分量值(圖5)。由圖5可以看出磁通量密度軸向分量呈軸對(duì)稱，在缺陷中心達(dá)到峰值；徑向分量以原點(diǎn)呈中心對(duì)稱，并在缺陷兩邊緣分別達(dá)到正負(fù)峰值。

a. 軸向分量

b. 徑向分量

a. 軸向方向

b. 徑向方向

圖6為不同直徑下磁通量密度峰值擬合曲線，從圖6可以看到，磁通量密度軸向分量在開(kāi)始階段，隨著缺陷直徑的增大而變大，擬合曲線近似線性增長(zhǎng)，超過(guò)4.5mm后，增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩，在達(dá)到6.5mm處獲得峰值，其后開(kāi)始遞減；磁通量密度徑向分量在開(kāi)始階段，隨著缺陷直徑的增大而增大，增長(zhǎng)趨勢(shì)迅猛，在缺陷直徑超過(guò)4.5mm左右時(shí)，開(kāi)始有增長(zhǎng)減緩趨勢(shì)，超過(guò)6.5mm時(shí)達(dá)到峰值并開(kāi)始逐步減小。

2.2漏磁場(chǎng)信號(hào)隨圓柱形缺陷深度大小的遞變規(guī)律分析

同樣利用控制變量法，在鉆桿壁表面，制作直徑4.5mm，深度分別為10%～90%的缺陷。在計(jì)算后同樣提取缺陷上方1mm處的漏磁場(chǎng)信號(hào)，獲得磁通量密度軸向分量與徑向分量的對(duì)比(圖7)。

a. 軸向分量

b. 徑向分量

如圖8可以看出，在深度10%～90%的范圍內(nèi)，磁通量密度軸向分量隨缺陷深度的增加近似線性增長(zhǎng)，磁通量密度徑向分量隨著缺陷深度的增加而增大，二者的增長(zhǎng)趨勢(shì)都較為明顯，規(guī)律性較強(qiáng)。

a. 軸向分量

b. 徑向分量

2.3漏磁場(chǎng)信號(hào)隨磁化氣隙的遞變規(guī)律分析

由于本模型在未來(lái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的特殊性，故需對(duì)磁化氣隙進(jìn)行研究，確定最佳距離既滿足需求，又避免磁力過(guò)大影響使用。被檢鉆桿外徑為73mm，在分析過(guò)程中，分別設(shè)定氣隙高度為1、2、3mm用于模擬求解，求解后獲得的磁通量密度軸向與徑向分量如圖9所示。

a. 軸向分量

b. 徑向分量

從圖9可以看出，在3種氣隙高度的比較中，氣隙高度為3mm的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度雖然相比較弱，但考慮到未來(lái)儀器制造使用中，氣隙過(guò)小會(huì)導(dǎo)致磁化結(jié)構(gòu)貼近鉆桿壁外表面，為避免與桿壁吸引力過(guò)大而造成操作者勞動(dòng)強(qiáng)度大，故選用3mm氣隙高度是合理的。

2.4內(nèi)、外壁缺陷的漏磁信號(hào)差異分析

由于鉆桿工況性質(zhì)，缺陷易生位置多樣，其中鉆桿內(nèi)壁缺陷更為危險(xiǎn)且難以發(fā)現(xiàn)。故分別在鉆桿內(nèi)、外壁表面制作尺寸直徑4mm，深度4.5mm的圓柱形缺陷，用以分析內(nèi)、外壁信號(hào)的差異，鉆桿內(nèi)表面缺陷的有限元分析如圖10所示，磁通量密度徑向分量?jī)?nèi)、外壁對(duì)比如圖11所示。

圖10 鉆桿內(nèi)壁缺陷分析建模

圖11 鉆桿內(nèi)、外壁缺陷信號(hào)對(duì)比

從圖11可以看出，相同內(nèi)、外壁缺陷的信號(hào)差異并不是十分明顯，獲得的曲線數(shù)值和峰值近似相同，若在實(shí)際檢測(cè)中出現(xiàn)此類問(wèn)題，應(yīng)根據(jù)被測(cè)鉆桿的實(shí)際情況做出現(xiàn)場(chǎng)判斷。

3 結(jié)論

3.1建立了關(guān)于φ73mm鉆桿漏磁檢測(cè)的有限元模型，獲得了鉆桿漏磁檢測(cè)缺陷處的漏磁場(chǎng)分布。

3.2圓柱形腐蝕坑的直徑與深度影響著漏磁信號(hào)。在一定范圍內(nèi)，漏磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著腐蝕坑直徑的增大而增加，達(dá)到直徑變化到達(dá)臨界點(diǎn)時(shí)，漏磁場(chǎng)強(qiáng)度即開(kāi)始減小；而漏磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著腐蝕坑深度的增加，近似線性增長(zhǎng)，增長(zhǎng)趨勢(shì)較為明顯。

3.3磁化氣隙也是漏磁場(chǎng)信號(hào)的影響因素之一，隨著磁化氣隙的增大，磁化強(qiáng)度減弱。

3.4鉆桿壁的內(nèi)、外缺陷進(jìn)行了分析對(duì)比，對(duì)比結(jié)果表明，本方法適用于鉆桿內(nèi)壁缺陷的檢測(cè)，相同缺陷情況下，鉆桿內(nèi)、外壁信號(hào)差異較小。

參考文獻(xiàn)

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