石油鉆桿管體的裂紋檢測研究

路寶學

（渤海船舶職業學院，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，在那樣的環境中，由于受到各種復雜作用力的影響，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合作用力的影響。在這種復合作用力的影響下，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重影響鉆桿的使用性能，給生產帶來一定的安全隱患[1-3]。在鉆桿上容易發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校準

1.1 探頭的選擇

石油鉆桿管體規格為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 試塊的設計與制作

由于探頭帶有弧度，現有的校準試塊不能滿足條件，因此需要設計一個新的試塊。考慮耦合因素等效校準試塊測試面曲率半徑應與被檢鉆桿外圓曲率半徑相同，借鑒半圓試塊的思路，等效校準試塊另一圓弧曲率半徑應為定值，且圓心位于測試面的中心，試塊上應具備探頭K值測試的橫通孔。

1.2.1 校準試塊的設計與制作

準備尺寸為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 坐標系，在Y坐標負半軸上取一點O1，以O1點為圓心，以半徑R1=37 mm為半徑向正半軸方向畫弧，與Y坐標正半軸相交于O2點。

參考圖2（b），以O2為圓心，以R2=35 mm為半徑向Y坐標負半軸方向畫弧，與R1弧相交兩點，以6 mm 為圓心鉆φ2 mm通孔，雙弧校準試塊最終幾何形狀如圖3所示。

1.2.2 靈敏度調節對比試塊的制作

圖2 校準試塊設計

為了研究不同深度裂紋缺陷的回波顯示，在管子內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節對比試塊如圖4所示。

圖3 雙弧校準試塊

1.3 儀器的校準

圖4 靈敏度調節對比試塊（縱向缺陷）

檢測儀器為武漢中科HS610e便攜式超聲波探傷儀，耦合劑選擇機油。

1.3.1 掃描速度調節將探頭置于雙弧校準試塊上，移動探頭找到R35圓弧的一次回波和二次回波進行自動校準。

1.3.2 折射角測試

2 管體部位周向裂紋檢測系統校準

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

石油鉆桿管體規格為φ74×6 mm,考慮耦合因素探頭楔塊應進行修磨，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）校準試塊。校準試塊選擇GS-3試 塊， 如 圖7 所示。

2）靈敏度調節對比試塊的制作。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節對比試塊（周向）如圖8所示。

圖7 GS-3試塊

圖8 靈敏度調節對比試塊（周向缺陷）

2.3 儀器的校準

檢測儀器為武漢中科HS610e便攜式超聲波探傷儀，耦合劑選擇機油。

1）掃描速度調節。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個回波進行自動校準。

2）折射角測試。將探頭置于GS-3試塊，利用φ10 mm孔進行折射角測試。

3 靈敏度的確定

3.1 靈敏度的調節

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）的最大反射回波調到滿屏幕的80%高度，靈敏度即調節完成。

3.2 掃查靈敏度的調節

在基準靈敏度基礎上增加6 dB作為掃查靈敏度。

4 檢測

4.1 檢測工裝設計

管子長6 m，要進行周向掃查，滾動困難，因此設計旋轉臺架，旋轉臺架如圖9所示。

4.2 檢測面的準備

圖9 旋轉臺架

將管子外表面檢測區域的銹蝕、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油。

4.3 檢測方向的選擇

分別對周向檢測和軸向檢測進行正反兩個方向的100%檢測。

4.4 檢測速度的確定

首先設置閘門20%報警，以波形出現能夠引起報警為標準，管子每分鐘轉12圈，即2700 mm/min。管子轉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

內外壁縱向缺陷檢測結果如圖10所示。發現在掃查靈敏度下，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%，能夠對0.2 mm以上缺陷有效檢出。通過實驗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 內外壁縱向缺陷的檢測

內外壁周向缺陷的檢測結果如圖11所示。發現在掃查靈敏度下，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%，證明能夠對0.2 mm以上缺陷有效檢出。通過實驗測量位置偏差均小于0.5 mm。

5 結 論

圖11 內外壁周向缺陷的檢測

1）設計制作的雙弧校準試塊滿足外圓周向曲率探頭的測試及掃描速度調節要求；2）通過設計對比試塊，制定檢測工藝，可以有效檢測管體的縱向和周向裂紋，確保質量；3）檢測工裝的設計，提高了檢測效率；4）檢測結果準確，檢測發現位置偏差小，不超過0.5 mm；5）以外壁1 mm刻槽反射波80%高作為基準靈敏度，提高6 dB作為掃查靈敏度，能夠對0.2 mm深以上的缺陷有效檢出。