鉆桿管體超聲波探傷誤報分析及措施

岳 鵬，李志昊，劉一芳，楊勇平

（1.中國石油渤海裝備鉆井裝備公司，河北滄州 062658；2.中國石油渤海裝備第一機械廠，河北滄州 062658）

0 引言

鉆桿是石油天然氣開采過程中必不可少的關鍵性工具，其性能的好壞直接關系到鉆井作業(yè)的成功與否。鉆井過程中鉆桿的主要作用是傳遞扭矩、加深井眼。鉆桿通常要深入到幾千米地層中工作，工作條件極為復雜，鉆桿承受拉、壓、彎曲、扭轉和不均衡沖擊載荷等應力作用。鉆桿管體是由材質為低碳合金鋼的薄壁無縫管制造，由于鉆桿的工作條件惡劣，除對管材強度、硬度、耐磨性和沖擊韌性等方面有要求較高外，對管體上可能存在的裂紋、折迭、夾雜、劃傷等缺陷有嚴格的檢測要求。

鉆桿管體在制造過程因各種原因中可能會產生缺陷，這些缺陷經常沿管體軸向延伸，在管材橫截面上呈徑向分布，當鉆桿在高溫、高壓、交變扭矩等惡劣條件下工作時，這些缺陷成為了鉆桿刺穿或斷裂的危險因素。因此，在鉆桿管體要進行100%的無損檢測，目前鉆桿廠家普遍使用超聲波、電磁超聲、漏磁、渦流等方法，對管體進行有效的檢測和測試，評估其連續(xù)性、完整性。在眾多的檢測方式中，超聲波探傷可對缺陷準確定位，對管體內部裂紋、疊層、分層等平面狀缺陷具有較強的檢出能力等優(yōu)點而受到廣大廠家的歡迎。

1 基本情況

2019 年中石油渤海裝備鉆井裝備公司購進了一套48 通道鉆桿管體超聲自動探傷設備，該探傷設備采用鉆桿管體旋轉呈螺旋線穿過探傷設備的方式進行檢測，可用于Ф60～210 mm 的鉆桿管體無損檢驗。超聲波探傷共有2 套檢測主機：第一套主機實現管體的橫傷檢測，橫傷檢測使用24 個檢測通道，分別從兩個方向入射各12 通道的超聲波探測。第二套主機中實現管體縱傷檢測和測厚分層檢測，縱傷檢測使用12 個檢測通道，分別實現兩個方向入射各6 通道的超聲波探傷。測厚分層檢測使用12 個檢測通道，探頭聲束入射點指向鉆桿管體中心位置。橫傷檢測、縱傷檢測、測厚分層檢測均采用局部水浸耦合法，48 個探傷檢測超聲波探頭排放置于探傷水碗底部。設備檢測速度采用交流變頻器無級調速控制管體螺旋前進速度，有效聲束100%覆蓋，探頭螺距覆蓋為115%。

在檢測過程中，鉆桿管體通過撥料機構從上料臺架取料至上料輥道上。鉆桿管體沿螺旋傳輸輥道傳輸至檢測主機處，通過檢測傳感器控制壓輥、螺旋傳輸輥道張合及檢測跟蹤機構和探頭動作，鉆桿螺旋前進完成整個探傷過程。鉆桿管體到達上述檢測主機時，各水碗耦合裝置在光電開關控制下分別讓過鉆桿管體端頭后，向上頂至鉆桿管體底面，實施隨動跟蹤的超聲波縱傷、橫傷和測厚分層探測。檢測主機前后有均一套壓緊驅動裝置，用以保證鉆桿管體通過檢測主機時勻速、穩(wěn)定。鉆桿管體在傳輸輥道上螺旋前進經過中央檢測主機后，根據檢測的結果進行缺陷定位，并根據是否有缺陷分選至待判區(qū)或正常放管進入下一流程。

該設備經自動化調試后投入試運行，但在試生產過程中，探傷誤報率較高，其中橫傷誤報率在21%左右，縱傷誤報率在16%左右。由于探傷缺陷必須人工100%復探，這即影響生產效率，又無法確保每支鉆桿的產品質量。因此研究誤報產生的原因并實施有效措施至關重要，問題解決后該設備方能投入正常生產運行。

2 誤報原因分析及措施

在實際檢測過程中，鉆桿管體橫向、縱向探傷誤報率均較高。鉆桿管體在探傷時，進行橫向、縱向、分層測厚（圖1），該類型探傷設備在油井管、鉆桿行業(yè)已有20 多套成熟應用案例，在其他使用廠家未發(fā)生誤報率高的問題，初步分析產生原因為外部干擾因素。

2.1 外部因素原因分析

造成超聲波探傷誤報的原因很多，包括電源純凈度不夠、周圍電磁環(huán)境干擾、耦合不良、氣泡干擾、氧化皮脫落等一系列原因，需要對其進行逐一排查。

2.1.1 耦合循環(huán)水的處理

圖1 鉆桿管體探傷過程俯視

該設備檢測方式為檢測探頭固定在水碗底部，鉆桿螺旋前進穿過探傷設備完成檢測掃查，在探頭與鉆桿之間為水浸耦合，因水中氣泡造成誤報的可能性較大。通過目視觀察，循環(huán)水在水碗中流動確實存在少量的微小氣泡。為了保證循環(huán)水不攜帶氣泡，在循環(huán)水泵口增加了1 組細密紗網，并在設備附近安裝了一個高2 m、1 m3的儲水箱。用于耦合的循環(huán)水由水泵抽送至儲水箱，靜置30 min 待小氣泡溢出后，循環(huán)水靠自重流入水碗。通過目視觀察，水碗中的微小氣泡幾乎完全消除。再次進行鉆桿管體探傷作業(yè)，誤報率變化不大。

2.1.2 電源環(huán)境的檢查

探傷儀界面顯示的誤報沒有明顯的規(guī)律性，與一般電源干擾波有較大不同。但為了排除該干擾因素依然進行了測試試驗。首先對探傷設備主機、探傷儀器、操作臺3 處獨立接地電阻分別進行測量，測量結果分別為2.8 Ω、1.6 Ω 和1.9 Ω，滿足廠家技術要求。第二步將探傷設備周邊用電設施、中高頻設備關停，探傷設備所用高壓柜的同源設備電源切斷，探傷設備自身的變頻器停用，再次進行探傷，結果顯示探傷誤報率依舊未發(fā)生變化。

2.1.3 管體表面氧化皮的處理

管體超聲波探傷前的工序為管體熱處理調質，熱處理后的管體表面存在松散氧化皮。在管體探傷前，對管體表面進行了打磨預處理，并對其進行沖洗，松散氧化皮基本處理干凈。對循環(huán)水中氧化皮進行過濾，清理水碗及水碗中的探頭后，再次進行探傷試驗，橫傷誤報率降低為0.5%以下，縱傷誤報率為8%。在試驗中發(fā)現每探傷90～100 支鉆桿后，橫傷誤報率再次升高，檢查原因發(fā)現這與探頭表面氧化皮持續(xù)積累有關（圖2）。在探傷生產過程要求每檢測80 支管體，即使用毛刷清理探頭表面，通過批量試驗，橫傷誤報率降低為0.3%左右。部分鉆桿管體在檢測時，同時發(fā)生橫向、縱向的誤報。

該措施解決了橫傷誤報率問題，但綜合誤報率依舊為8%，改進前后127 mm×9.17 mm 管體的探傷情況見表1。

為了確認誤報率依然有8%是否因氧化皮未打磨徹底造成，對未經熱處理的無縫管進行批量檢測，試驗結果顯示誤報率依舊在8%左右，因此除氧化皮外還有其他因素影響誤報率。

圖2 氧化皮沉積影響橫向探傷誤報率

2.2 設備本身因素分析

造成超聲波探傷誤報的設備本身因素包括超聲探頭制作不精良、探傷儀設置問題、機械結構缺陷等，需要對其進行逐一排查。

2.2.1 探傷儀器及探頭檢查

對多通道超聲波探傷儀、縱向超聲探頭、橫向超聲探頭、連接信號線進行了檢查，各器件完好，信號線連接緊固。但現場也發(fā)現一些可能造成誤報率的隱患：橫向探頭、縱向探頭的表面略顯粗糙，光潔度不足，為消除導致誤報率的隱患，統(tǒng)一返廠修磨處理?？紤]到主機探傷儀器與探頭有一定距離，為排除信號線距離長造成信號損失，采用臨時信號線不經電纜溝最短距離連接，再次進行探傷試驗，誤報率未發(fā)生明顯變化。

2.2.2 探傷儀器的校驗鑒定

為驗證探傷儀器的準確性，委托北京鋼鐵研究院按照GB/T5777—2008 L2 級，對設備儀器的綜合性能進行檢測，檢測結果符合國家標準規(guī)定，因此排除了儀器問題造成的誤報率。

表1 去除氧化皮前后鉆桿誤報率對比

2.2.3 機械結構的檢查

對探傷設備所有輸送旋轉輥的標高進行測量，保證管體各部位處于同一高度，管體螺旋前進時無甩頭或大幅的晃動情況。檢查調整壓緊驅動裝置位置，保證管體通過水碗機構時的穩(wěn)定狀態(tài)。檢查水碗下側的升降機構及彈簧壓緊力，確保管體與探頭的耦合接觸。通過檢查調整，再次進行探傷試驗，縱傷誤報率沒有改觀。

對大量的探傷結果進行數據分析發(fā)現，縱傷誤報率95%產生于25#～30#的6 個通道，而這些通道都安裝在縱傷1#支架上。經觀察發(fā)現在管體旋轉入水時，管體會將空氣帶入水碗中形成微小的氣泡，對1#支架上探頭造成誤報影響，現場情況如圖3 所示。

通過調整水碗機械結構、加寬鉆桿支撐輥輪間距，使鉆桿浸水位置加深，氣泡受浮力作用難以帶入至縱傷探頭與管體之間；同時在縱傷探傷時增加預淋水，使鉆桿表面在探傷前有一層水膜，減少管體旋轉入水時氣泡的形成。通過以上2 個措施，基本避免了探頭和鉆桿管體間存在氣泡的可能性。在措施實施后，縱傷誤報率降低至0.5%以下，滿足了設備投用的技術要求，機械結構優(yōu)化后127 mm×9.17 mm 管體的探傷情況見表2。

圖3 微小氣泡影響縱向探傷誤報率

表2 優(yōu)化水碗機械結構前后鉆桿誤報率對比

3 結論與建議

鉆桿管體的超聲波探傷是鉆桿制造過程的關鍵工序，因此分析總結出一套查找誤報率原因的方法很有必要。處理誤報率問題時首先要排除原材料本身、電源環(huán)境、循環(huán)水等外圍干擾因素。通過積累分析大量的試驗數據，分類查找引起誤報率的基本方向，逐一排查該方向造成影響的潛在因素，根據分析結論采取相關措施將誤報產生原因消除。