孫玉江，樊建春，徐鵬誼

（中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102249）

石油鉆具在鉆進的過程中承受的載荷非常復雜，有可能同時受到內壓、外壓、軸向載荷、彎曲載荷和扭矩的作用；故鉆具接頭螺紋極易產生疲勞現(xiàn)象而發(fā)生突然斷裂、刺漏、磨損等事故。據(jù)全國鉆具失效事故統(tǒng)計，僅在1992年，鉆鋌事故中，接頭螺紋事故占了95.02%［1］。因此，鉆具螺紋的失效會給鉆井生產帶來很大的經濟損失。為了減少螺紋事故的發(fā)生，一般采用對舊鉆具接頭修扣的方式來改變接頭螺紋現(xiàn)有的應力集中。然而，在現(xiàn)有的條件下，現(xiàn)場一般憑經驗來進行修扣處理，即對螺紋切修的長度無法用有效的檢測手段來判斷，因此修扣后的鉆具可能會處于過度維修或欠維修狀態(tài)。這樣，不僅浪費了資源，更可能在鉆具使用過程中帶來安全隱患。

在文獻［2－3］中表明，一般情況下，鉆具螺紋在使用過程中達到緊扣扭矩后，公母接頭螺紋從密封面方向算起，第1個螺紋處所受應力最大，螺紋失效部位主要集中在前3個螺紋處，這是導致鉆具接頭螺紋疲勞失效的主要原因。根據(jù)鉆具接頭結構特點以及鉆具檢測中心的現(xiàn)場情況的需求，筆者將對鉆具接頭螺紋修扣前后的螺紋應力進行檢測并分析：① 鉆具螺紋修扣前后的磁記憶信號變化。② 修扣對改善鉆具螺紋應力集中分布的效果。

1 鉆具接頭磁記憶檢測

1.1 鉆具接頭磁記憶檢測原理

由磁記憶檢測的基本原理［4］可知：鐵磁構件在外應力作用下會產生磁致伸縮性質的形變，引起磁疇壁的位移，從而改變磁疇的自發(fā)磁化方向，以增加磁彈性能來抵消應力能的增加。這種在外應力和地磁場共同作用下，鐵磁體內產生的晶粒轉動和磁致伸縮逆效應會引起材料宏觀磁特性的不連續(xù)性分布；在應力撤除后，由應力集中所造成的該區(qū)域宏觀磁特性的不連續(xù)性會得到保留。實踐證明，在材料缺陷或應力集中區(qū)域磁場的切向分量Hp（x）具有最大值，法向分量Hp（y）改變正負符號且具有零值。一般通過檢測法向分量Hp（y）來完成部件的檢測。磁記憶傳感器能將檢測到的不同應力集中的大小轉化為不同的電壓輸出值，利用這些電壓輸出數(shù)據(jù)可分析被檢部件是否存在嚴重的應力集中。螺紋的磁記憶檢測原理如圖1所示（其中黑圈部分表示鉆具接頭螺紋牙部應力集中區(qū)域）。

2 鉆具接頭螺紋修扣前后應力集中的檢測

鉆具接頭螺紋修扣過程中，受到切削刀的作用，會在螺紋部位產生不同程度的應力集中，為了檢測這種應力集中程度，筆者利用磁記憶檢測的基本手段來檢測修鉆具螺紋在修扣前后的變化。依據(jù)現(xiàn)場的情況來看，鉆具螺紋在經過切削加工后，可能存在著如下三種情況：① 過度維修，即修扣后加大了螺紋整體或局部原有的應力集中程度。② 欠維修，即修扣后雖減小了螺紋整體或局部原有的應力集中程度，但是應力集中并未減小到鉆具螺紋安全使用的范圍內。③ 合理維修的情況，即修扣后減小了螺紋整體或局部原有的應力集中程度。經過前期在現(xiàn)場對不同等級的鉆具螺紋的反復多次實驗證明：最低安全標準下的螺紋磁記憶檢測信號梯度值是公螺紋不得低于0.009 6V／mm，母螺紋不得低于0.008 6V／mm。

2.1 檢測方案

采用成型刀具的加工機床對使用過的鉆具公接頭及母接頭螺紋（螺紋類型為NC50，螺紋牙型為V－0.038R）進行切修加工。鉆具螺紋應力集中檢測是采用筆者所在課題組自主研發(fā)的15通道鉆具公頭螺紋磁記憶檢測裝置（圖2，以下簡稱公螺紋檢測裝置）和12通道鉆具母頭螺紋磁記憶檢測裝置（圖3，以下簡稱母螺紋檢測裝置）分別對鉆具修扣前后的公頭、母頭螺紋進行檢測。公母螺紋檢測裝置核心部分分別由15，12組磁記憶傳感器組成環(huán)形結構，傳感器核心部分采用巨磁阻元件，其檢測磁場強度可以達到10－7～105mT［5］，而且之前所做的試驗表明公母螺紋檢測裝置的15，12組傳感器可以對螺紋進行360°檢測，幾乎不存在漏檢問題。傳感器依靠彈簧或彈簧片與螺紋緊密結合。公螺紋檢測位置及方向是從接頭的臺肩到密封面，檢測長度近似120mm；母螺紋檢測位置及方向是從水眼過渡段處螺紋到密封面，檢測長度近似為300mm。檢測方法分別如圖4所示。檢測簡要過程為：人在拉動檢測裝置的時候，連接傳感器的數(shù)據(jù)采集卡將采集到的電壓數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中，并通過軟件來分析判斷螺紋應力集中大小。為了消除測量誤差，每個接頭螺紋均檢測3次。

圖2 公螺紋檢測裝置

圖3 母螺紋檢測裝置

圖4 鉆具螺紋磁記憶檢測方法

2.2 檢測結果及分析

磁場信號的梯度是磁場強度的變化程度的反映，梯度值絕對值越大，磁場強度變化越劇烈，說明此處的應力集中程度越大［6］。因此，對于鉆具螺紋部分的磁記憶檢測信號，直接分析其梯度信號就可比較螺紋在修扣前后的應力集中程度的變化。此處，梯度值及范圍采用梯度云圖的方式來表示，即在灰度圖中以不同的亮度代表不同的梯度值，縱坐標代表各個通道，橫坐標代表數(shù)據(jù)點數(shù)；梯度值的曲線圖轉換為灰度圖方式來表示，對照云圖右邊亮度條上的數(shù)據(jù)（不同的亮度代表不同的值，亮度最低點對應的梯度值最高），便于觀察應力集中程度比較高的部位。

檢測一根5寸加重鉆桿公接頭螺紋在修扣前后所得到的磁記憶信號數(shù)據(jù)分析圖如圖5，6所示。其中梯度圖中的連續(xù)波峰波谷從圖形上構成了虛擬的螺紋齒牙。

對比圖5和圖6可看出，在修扣前，有4個通道所檢測到的螺紋應力集中程度比較大，圖5圈中表示后三扣（從檢測方向來看，下同）的應力集中程度比較大。查看經過梯度處理的信號的數(shù)據(jù)后可知，鉆具接頭螺紋在修扣之后，原有的平均應力集中程度下降了84.21%。梯度云圖的角度表明，此次修扣減小了整體及局部原有的應力集中程度，是一個合理維修的例子。

對一根8寸鉆鋌母接頭螺紋在修扣前后進行檢測，所得到的磁記憶信號數(shù)據(jù)分析如圖7，8所示。

對比圖7，8可看出：在修扣前，各通道的梯度值較低，最高為近似0.002V／mm，未超過安全標準（因車間還沒有正式建立相應的磁記憶檢測程序，因此對螺紋進行修扣處理時只分析修扣前后應力集中程度的變化）。從圖7圈中可看出后三扣的應力集中程度比較大。修扣后，多個通道的檢測數(shù)據(jù)梯度值都有顯著上升，最高達到近似0.006V／mm。由梯度數(shù)據(jù)表明，修扣后的平均應力集中程度要比修扣前的平均應力集中程度下降44.58%。螺紋經過修扣處理后，其平均應力集中程度雖然降低了，但從梯度云圖上可看出，9通道局部應力集中程度有顯著增加，所以判斷此次修扣為過度修扣。

對一根8寸鉆鋌母接頭螺紋在修扣前后進行檢測，所得到的磁記憶信號數(shù)據(jù)分析如圖9，10所示。

對比圖9，10的梯度云圖可看出，修扣前，8通道和9通道局部存在著應力集中程度過大的情況，最高處可達到0.015V／mm，超過了母接頭螺紋信號梯度值的正常使用的最低標準（0.008 6V／mm）。修扣后，9通道局部應力集中程度依然較高，查看經過梯度處理的信號數(shù)據(jù)后知，9通道的最高梯度值達到了0.008 9V／mm，依然超過安全使用的最低標準。雖然鉆具接頭螺紋在修扣之后，原有的平均應力集中程度下降了約11.6%，但是修扣后的局部螺紋磁記憶檢測信號梯度值并沒有達到安全使用的范圍，該鉆鋌應該返修。因此，該例為欠維修的例子。

圖5 公接頭螺紋修扣前數(shù)據(jù)分析

圖6 公接頭螺紋修扣后數(shù)據(jù)分析

圖7 母接頭修扣前數(shù)據(jù)分析

圖8 母接頭修扣后數(shù)據(jù)分析

圖9 母接頭修扣前數(shù)據(jù)分析

圖10 母接頭修扣后數(shù)據(jù)分析

3 結論

根據(jù)磁記憶檢測方法，課題組所設計的內外螺紋檢測裝置可以有效地檢測出螺紋應力集中的大小。通過對鉆具接頭公、母螺紋修扣前后的檢測，得出了現(xiàn)有的修扣手段可以有效降低整體原有的應力集中程度的結論。通過三例鉆具螺紋的檢測結果表明，其螺紋經修扣后，平均應力集中程度分別下降了84.21%，44.58%，11.6%；但是修扣后可能導致局部應力集中程度增加而產生過度維修，或是維修后沒有達到安全使用的標準而造成欠維修，因此修扣前后必須進行檢測并判斷應力是否達到了安全要求的標準。因此，利用內外螺紋檢測裝置能夠給車間修扣提供可靠的檢測手段和判斷依據(jù)，從而保證了鉆具在正常工作中的安全性，更有利于提高鉆井的工作效率。

［1］ 冉誠實.鉆鋌螺紋失效分析及改進方法研究［D］.重慶：西南石油學院，2003：1.

［2］ 林元華，施太和，姚振強，等.鉆具螺紋接頭力學性能計算方法及其應用［J］.上海交通大學學報，2005，7（7）：30－34.

［3］ 陶世軍，劉劍輝，馬建強，等.鉆鋌螺紋有限元分析及優(yōu)化改進［J］.石油機械，2009，37（10）：61－62.

［4］ 任吉林，林俊明，任文堅，等.金屬磁記憶檢測技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景［J］.無損檢測，2012，34（4）：6－14.

［5］ 鄭文培.復雜管體磁記憶檢測系統(tǒng)及應用技術研究［D］.北京：中國石油大學（北京），2010：38.

［6］ 蘇雪梅，樊建春，張仁慶，等.鉆具材料疲勞損傷的磁記憶檢測試驗研究［J］.中國安全科學學報，2012，22（8）：139－144.