路寶學(xué)

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島125105）

0 引 言

鉆桿一般都是在幾百米，甚至上千米深的地下工作，在那樣的環(huán)境中，由于受到各種復(fù)雜作用力的影響，鉆桿可能會受到拉力、壓力、扭力和沖擊的綜合作用，另外還會受到周期性的復(fù)合作用力的影響。在這種復(fù)合作用力的影響下，鉆桿受到振動、沖擊和腐蝕性的作用下會發(fā)生開裂，疲勞開裂也是其中比較重要的失效形式。在鉆桿的使用過程中時常會發(fā)生裂紋的情況，而且很多的裂紋都是人眼觀察不到的，這些裂紋的存在會嚴(yán)重影響鉆桿的使用性能，給生產(chǎn)帶來一定的安全隱患[1-3]。在鉆桿上容易發(fā)生裂紋的位置一般是在管體和接頭的部位[4-5]，本文主要研究φ74×6 mm的石油鉆桿管體部位（縱向+周向）裂紋的檢測。

1 管體部位縱向裂紋檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)

1.1 探頭的選擇

石油鉆桿管體規(guī)格為φ74×6 mm,考慮耦合因素探頭楔塊選擇與被檢鉆桿外圓曲率半徑相同為R37 mm，晶片尺寸為5 mm×7 mm，頻率5 MHz,即5P 5×7βs45°R37,如圖1所示。

圖1 5P 5×7βs45°R37探頭

1.2 試塊的設(shè)計(jì)與制作

由于探頭帶有弧度，現(xiàn)有的校準(zhǔn)試塊不能滿足條件，因此需要設(shè)計(jì)一個新的試塊?？紤]耦合因素等效校準(zhǔn)試塊測試面曲率半徑應(yīng)與被檢鉆桿外圓曲率半徑相同，借鑒半圓試塊的思路，等效校準(zhǔn)試塊另一圓弧曲率半徑應(yīng)為定值，且圓心位于測試面的中心，試塊上應(yīng)具備探頭K值測試的橫通孔。

1.2.1 校準(zhǔn)試塊的設(shè)計(jì)與制作

準(zhǔn)備尺寸為100 mm×100 mm×14 mm碳鋼鋼板一塊，參考圖2（a），在鋼板上建立X、Y 坐標(biāo)系，在Y坐標(biāo)負(fù)半軸上取一點(diǎn)O1，以O(shè)1點(diǎn)為圓心，以半徑R1=37 mm為半徑向正半軸方向畫弧，與Y坐標(biāo)正半軸相交于O2點(diǎn)。

參考圖2（b），以O(shè)2為圓心，以R2=35 mm為半徑向Y坐標(biāo)負(fù)半軸方向畫弧，與R1弧相交兩點(diǎn)，以6 mm 為圓心鉆φ2 mm通孔，雙弧校準(zhǔn)試塊最終幾何形狀如圖3所示。

1.2.2 靈敏度調(diào)節(jié)對比試塊的制作

圖2 校準(zhǔn)試塊設(shè)計(jì)

為了研究不同深度裂紋缺陷的回波顯示，在管子內(nèi)壁和外壁分別制作了寬0.2 mm，長15 mm，深0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1 mm 的線切割槽。加工完成后的靈敏度調(diào)節(jié)對比試塊如圖4所示。

圖3 雙弧校準(zhǔn)試塊

1.3 儀器的校準(zhǔn)

圖4 靈敏度調(diào)節(jié)對比試塊（縱向缺陷）

檢測儀器為武漢中科HS610e便攜式超聲波探傷儀，耦合劑選擇機(jī)油。

1.3.1 掃描速度調(diào)節(jié)將探頭置于雙弧校準(zhǔn)試塊上，移動探頭找到R35圓弧的一次回波和二次回波進(jìn)行自動校準(zhǔn)。

1.3.2 折射角測試

2 管體部位周向裂紋檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)

2.1 探頭的選擇

圖5 折射角的測定探頭

圖6 折射角測試原理

石油鉆桿管體規(guī)格為φ74×6 mm,考慮耦合因素探頭楔塊應(yīng)進(jìn)行修磨，晶片尺寸為6 mm×6 mm，頻率為5 MHz,即5P 6×6K1。

2.2 試塊的選擇與制作

1）校準(zhǔn)試塊。校準(zhǔn)試塊選擇GS-3試 塊， 如 圖7 所示。

2）靈敏度調(diào)節(jié)對比試塊的制作。為了研究不同深度裂紋缺陷的回波顯示，在管子內(nèi)壁和外壁分別制作了寬為0.2 mm，長為6 mm，深為0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1 mm的電火花切割槽。加工完成后的靈敏度調(diào)節(jié)對比試塊（周向）如圖8所示。

圖7 GS-3試塊

圖8 靈敏度調(diào)節(jié)對比試塊（周向缺陷）

2.3 儀器的校準(zhǔn)

檢測儀器為武漢中科HS610e便攜式超聲波探傷儀，耦合劑選擇機(jī)油。

1）掃描速度調(diào)節(jié)。將探頭置于GS-3試塊上，移動探頭找到R25圓弧和R50圓弧的2個回波進(jìn)行自動校準(zhǔn)。

2）折射角測試。將探頭置于GS-3試塊，利用φ10 mm孔進(jìn)行折射角測試。

3 靈敏度的確定

3.1 靈敏度的調(diào)節(jié)

疲勞裂紋深0.1～1.0 mm之間斷裂速度緩慢，疲勞裂紋深大于1 mm時斷裂速度加快，因此選擇的人工刻槽（外壁深1 mm）的最大反射回波調(diào)到滿屏幕的80%高度，靈敏度即調(diào)節(jié)完成。

3.2 掃查靈敏度的調(diào)節(jié)

在基準(zhǔn)靈敏度基礎(chǔ)上增加6 dB作為掃查靈敏度。

4 檢測

4.1 檢測工裝設(shè)計(jì)

管子長6 m，要進(jìn)行周向掃查，滾動困難，因此設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)臺架，旋轉(zhuǎn)臺架如圖9所示。

4.2 檢測面的準(zhǔn)備

圖9 旋轉(zhuǎn)臺架

將管子外表面檢測區(qū)域的銹蝕、氧化皮除去，以利于管子表面與探頭圓弧的接觸保證耦合效果。耦合劑選用黏度較大的機(jī)油。

4.3 檢測方向的選擇

分別對周向檢測和軸向檢測進(jìn)行正反兩個方向的100%檢測。

4.4 檢測速度的確定

首先設(shè)置閘門20%報警，以波形出現(xiàn)能夠引起報警為標(biāo)準(zhǔn)，管子每分鐘轉(zhuǎn)12圈，即2700 mm/min。管子轉(zhuǎn)動速度即為檢測速度。

4.5 不同深度缺陷（縱向、周向）檢測情況

4.5.1 縱向缺陷的檢測情況

內(nèi)外壁縱向缺陷檢測結(jié)果如圖10所示。發(fā)現(xiàn)在掃查靈敏度下，只有外壁0.2 mm深刻槽反射體回波低于50%，其余回波均超過70%，能夠?qū)?.2 mm以上缺陷有效檢出。通過實(shí)驗(yàn)測量位置偏差均小于0.5 mm。

4.5.2 周向缺陷的檢測情況

圖10 內(nèi)外壁縱向缺陷的檢測

內(nèi)外壁周向缺陷的檢測結(jié)果如圖11所示。發(fā)現(xiàn)在掃查靈敏度下，只有外壁0.2 mm深刻槽反射體回波低于50%，其余回波均超過68%，證明能夠?qū)?.2 mm以上缺陷有效檢出。通過實(shí)驗(yàn)測量位置偏差均小于0.5 mm。

5 結(jié) 論

圖11 內(nèi)外壁周向缺陷的檢測

1）設(shè)計(jì)制作的雙弧校準(zhǔn)試塊滿足外圓周向曲率探頭的測試及掃描速度調(diào)節(jié)要求；2）通過設(shè)計(jì)對比試塊，制定檢測工藝，可以有效檢測管體的縱向和周向裂紋，確保質(zhì)量；3）檢測工裝的設(shè)計(jì)，提高了檢測效率；4）檢測結(jié)果準(zhǔn)確，檢測發(fā)現(xiàn)位置偏差小，不超過0.5 mm；5）以外壁1 mm刻槽反射波80%高作為基準(zhǔn)靈敏度，提高6 dB作為掃查靈敏度，能夠?qū)?.2 mm深以上的缺陷有效檢出。