超聲波無損探傷技術在鉆桿螺紋檢測中的應用分析

馬金旺

摘要：在鉆井作業過程中，鉆桿要直接承受復雜的拉壓彎扭組合載荷，其安全性將直接關系到整個施工作業的安全。根據鉆井現場施工經驗，鉆桿的主要失效部分發生在螺紋扣接頭區域。為了提高接頭安全性，目前國內外鉆桿制造生產廠家大多采用熱處理的工藝來提高鉆桿的接頭螺紋質量。但是在日常熱處理過程中往往會產生多種缺陷，此時就需要采用無損檢測方法對鉆桿進行缺陷檢測，用以判定鉆桿質量合格與否。

關鍵詞：超聲波;鉆桿;螺紋;腐蝕;缺陷;探傷;應用

腐蝕疲勞與應力損傷是石油鉆桿損壞的最主要原因，鉆桿損傷檢測可以有效地預防和減少鉆具因失效而引起的質量事故。闡述了石油鉆桿健康監測中損傷識別的關鍵問題，介紹基于超聲波的損傷定位定量方法。根據其基本結構和受力特點，以石油鉆井中常用〞鉆桿為對象進行損傷研究，用超聲波縱波直接接觸法檢測鉆桿螺紋，并對探傷結果進行分析和應用。結果表明，超聲波可對已定位損傷的石油鉆桿螺紋的損傷進行定量分析，通過實例驗證了其對結構損傷診斷的有效性。

1.探傷檢測的必要性

石油鉆桿是石油天然氣勘探與開發過程中使用的一種主要工具。它是組成“鉆柱”的主體，占整個鉆柱長度的80%～90%，其上方接方鉆桿，下方連鉆鋌。鉆桿與方鉆桿、鉆鋌之間通過短節、接頭等用鉆桿螺紋連成整體，其主要作用是傳遞旋轉扭矩和輸送鉆井液。鉆桿在鉆井過程中要承受拉、壓、彎、扭、振動載荷、旋轉離心和起下鉆時附加的動載等交變作用，同時鉆井液、鉆井泥漿中溶解的酸性腐蝕介質及地層的氧化物等介質使鉆桿內表面產生嚴重的腐蝕;對于高壓氣體作介質的氣體鉆井，鉆頭破碎的巖屑顆粒對鉆桿外表面也有極大的沖蝕，這些受腐蝕、沖蝕的鉆桿在應力作用下易失效、裂斷，從而造成重大經濟損失。另因井隊使用維護鉆具不當造成的鉆桿絲扣粘結，或使鉆桿接頭體鉆桿螺紋根部產生裂紋，這些裂紋即使很小，若不能被及時發現而繼續使用就會釀成事故。

據資料介紹，平均每起鉆桿失效事故造成的直接經濟損失約10余萬元，若鉆桿斷裂造成埋井，其經濟損失可達數百萬元。為降低事故發生，提高井下鉆桿使用的可靠性，降低鉆井工程成本，提高經濟效益，對它們及時探傷是十分必要的，因而需要一種探傷設備，本文使用超聲波探傷儀對損傷加以檢測。

2.探傷的基本原理

2.1鉆桿損傷的原因分析

2.1.1鉆桿腐蝕

鉆桿腐蝕常發生在管體部分，且內壁較外壁更易發生腐蝕，這是因為外壁和井壁之間頻繁摩擦，有害物難以存留，不易被腐蝕。在使用過程中，腐蝕介質和交變應力的共同作用可以加速腐蝕過程，而腐蝕作用又加速了疲勞過程。腐蝕疲勞失效受腐蝕環境和疲勞載荷兩種因素支配，鉆桿在腐蝕介質中受交變載荷作用時，它的疲勞壽命顯著降低，即是腐蝕和疲勞交互作用的結果。鉆桿腐蝕對鉆桿主要是腐蝕坑，在實際工作中，在外加應力和介質的共同作用下，腐蝕坑加速擴大，在腐蝕坑底部導致應力集中，外加應力循環一定周次后，腐蝕坑開始萌生裂紋。

2.1.2鉆桿螺紋區應力集中

目前我們所使用鉆桿采用螺紋連接，外徑101.6～139.7mm，見圖1。G、S高鋼級鉆桿對此項沒規定，對管體螺紋連接區交界處遠角曲率半徑在中也均未規定，這就導致在螺紋連接區的應力集中較大，同時由于該處是截面突變處，易發生彎曲，見圖2。此處是鉆桿一個薄弱環節，是應力疲勞或腐蝕疲勞危險點。

2.2超聲波探傷主要原理

對鉆桿螺紋連接區采用A型脈沖回波法，用直探頭或斜探頭檢測，用超聲脈沖回波法檢測損傷的原理與脈沖回波法測厚的原理基本一致。由探傷儀發射電路給探頭一個電信號，激勵探頭壓電晶片產生0.5～25MHz的高頻超聲場，超聲場穿過工件（鉆桿），在工件中傳播，當遇到不連續時，超聲場中部分能量就會反射回探頭，探頭將聲信號轉換成電信號給接收電路，接收電路將電信號進行放大檢波，最后顯示到熒光屏上。熒光屏顯示回波幅度與反射回的能量大小有關，反射回的能量與不連續有關。

超聲波探頭發射的超聲波在工件中的傳播時間與工件厚度成正比，通過測量超聲波到達內外壁表面的時間差就可以計算管壁的厚度。設超聲波在工件中傳播的往返時間為t，見圖3，則工件厚度為：T₀=0.5tC，C為工件中聲波傳播速度。

如鉆桿發生的是均勻腐蝕，則剩余壁厚T₁為：T₁=0.5t₁C，式中t₁為聲波在均勻腐蝕試件中往返傳播所用的時間。

若鉆桿發生的是點蝕，為簡化起見，假設蝕坑底為平面，則底波前將會出現一蝕坑底面回波B（圖5），它與始波之間的時間差即為超聲波在剩余壁厚中往返的時間，蝕坑深度為：h=T₀-0.5t₂C，t₂為超聲波在點蝕坑處往返所用時間

3.探傷監測應用

3.1損傷檢測儀器

目前我們使用的超聲波探傷儀主要包括儀器和探頭、用于儀器校準用的標準試塊，以及自制的與被測工件特性相同的工作試塊和相應的耦合劑。

3.2損傷檢測實例

鉆桿螺紋連接區通常采用超聲檢測，主要檢測疲勞裂紋和腐蝕坑。螺紋連接區標準探頭角度為59.1度，系統增益56.5dB，這就是探傷標樣高度，也就是探傷標準，所有出現信號都要和它相比較。

我們對第一個回收鉆具檢測出的缺陷，性質為裂紋，該鉆桿為G105一級。此信號顯示非常高，信號狹長，降低增益13.9dB，深度顯示8.8mm，長度1.5mm。對第二個回收鉆桿檢測出信號與裂紋信號相同，信號狹長，比較高，深度顯示14.6mm，在坑的邊沿存在裂紋。對第三個回收報廢鉆桿檢測探傷發現信號不高，提高8.2dB才超過標樣，原因是坑邊沿很平滑。對第四個回收報廢鉆桿檢測探傷發現信號與裂紋信號相近，比較狹窄，有雙峰出現，經切開后發現兩處較深的腐蝕坑，且距離較近。

4.結論與認識

（1）鉆桿刺穿大都在螺紋連接區消失端或以下，管體壁厚都在9.19mm以下。（2）裂紋信號尖而狹窄，信號要高出標樣很多，通常要高50%以上，嚴重者達到100%，甚至通屏。（3）很深很大的腐蝕坑信號與裂紋信號基本相同，尖而狹窄，有一定長度的聲程，通過顯示深度可以確定坑的深度。（4）小的腐蝕坑信號不高，信號尖而狹窄，聲程長度很小。（5）大而淺的腐蝕坑，信號顯示很低或無信號顯示，聲程長度很大。（6）內臺肩信號與小腐蝕坑信號相似，信號不高，尖而狹窄，但長度較長，一般超過20mm。

參考文獻：

[1]任輝;API石油鉆桿接頭應力分析及結構改進研究[D];華東理工大學;2011年

[2]馬崇;超聲波TOFD檢測技術[J];華北電力技術;2003年09期