高壓由壬缺陷檢測試驗及力磁耦合模擬研究*

王彥然 樊建春 楊思齊 馬昕昱

(中國石油大學(北京)安全與海洋工程學院)

0 引 言

在頁巖氣壓裂作業現場，高壓由壬件由于長期承受高溫高壓及交變載荷的作用，不可避免地會產生疲勞裂紋或應力腐蝕裂紋[1]。由高壓管件損傷統計數據可知，高壓由壬內接頭螺紋齒根處為損傷裂紋的高發部位。由壬一旦產生疲勞裂紋、接頭滑移甚至斷裂事故，將會直接導致密封失效，壓裂液外漏，嚴重影響現場作業[2]。目前，對壓裂用高壓管匯損傷失效預警的相關研究多集中于彎頭和直管部位，如高壓彎頭拱背內壁的沖蝕磨損研究[3]、管體損傷的聲發射試驗研究[4-5]以及三通管件的疲勞斷裂分析等[6]，針對復雜連接件的相關討論較少。因此開展由壬連接部位的損傷檢測研究具有重要意義。

目前，常規的連接部位檢測技術有磁粉檢測、超聲波檢測及超聲相控陣檢測等[7]，但在現場應用中均具一定的局限性。磁粉檢測必須對檢測部位進行磁化，操作較為繁瑣，管件清潔程度也會影響檢測效果[8]；由于高壓由壬結構復雜，使用超聲檢測到的缺陷回波信號難以準確識別[9]，且各類檢測手段均需在管匯拆卸的狀態下進行操作，無法滿足壓裂現場長周期連續作業的需求，難以推廣應用。

金屬磁記憶效應最早由俄羅斯專家A.A.DUBOV于1997年提出，將其定位為鐵磁性材料的應力集中與疲勞損傷檢測新技術[10-11]。作為一種非接觸、高靈敏度的早期缺陷檢測手段，在現場應用中具有其獨特的技術優勢[12]。該技術無需磁化即可檢測的特點，以及其高精度、體積小、具有一定壁厚穿透力的探頭，可實現結構復雜的連接結構的無拆卸缺陷檢測。筆者開展了高壓管匯的現場振動監測試驗，并針對壓裂現場“易損傷、難檢測”的由壬管件進行了磁記憶損傷檢測試驗研究，由此提出并驗證了在役高壓由壬件損傷檢測的新方法，對含缺陷高壓由壬件進行了力磁耦合模擬分析，為通過磁記憶檢測實現高壓由壬損傷狀態的量化評定奠定了理論基礎。

1 高壓由壬件現場振動監測試驗

1.1 監測系統原理

振動監測系統可對選定測點X、Y、Z軸 3個方向上的參數進行測量，從而實時掌握在役高壓管匯各部位的振動情況，其原理如圖1所示。

圖1 監測系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of monitoring system

1.2 現場振動監測試驗

高壓管匯在多排壓裂車之間集中排布，根據實際需求，使用由壬、三通等連接件對直管和彎頭等管件進行組合連接。復雜的管匯排布對在線檢測的靈活性提出了很高要求[13]。本次振動監測試驗的測點選在壓裂車柱塞泵液力端出口的彎管、三通和直管部位，共設置了4個測點。在配液停工階段，將加速度傳感器采用磁吸附的方式安裝于各測點，設置采樣頻率500 Hz。圖2為由壬和三通測點的布設情況。壓裂施工作業一般會經歷電橇驅動、啟泵及排量平穩3個階段，由于各階段的振動劇烈程度不同，所以將采集到的振動數據按階段劃分。

圖2 振動測點現場布置圖Fig.2 Field layout of vibration measuring points

1.3 現場振動監測試驗數據分析

以由壬測點Y軸方向的振動信號為例，在排量穩定階段降噪后獲得的振動時域信號如圖3所示。

圖3 降噪后的振動時域信號Fig.3 Vibration time domain signal after noise reduction

為了明確各測點在不同振動方向上的振動情況，使用MATLAB軟件求解以上3個階段各個測點的振動均方根(RMS)值，結果如表1所示。

表1 管匯各測點各階段振動均方根Table 1 RMS value of vibration of measuring points in manifold at different stages

根據表1統計的各測點振動加速度值，繪制各階段各測點不同方向的加速度值分布，如圖4所示。

圖4 各階段不同測點加速度值分布Fig.4 Acceleration value distribution of different measuring points in different stages

通過對比分析，在電橇驅動階段，各測點各方向的振動程度普遍較低，到達啟泵階段后，振動劇烈程度增加，各測點加速度值較上一階段有所增加。其中，由壬及彎頭處的增幅更為明顯，且振動程度遠大于三通和直管處。在排量穩定階段，管匯各測點處的振動程度達到最大值。從振動加速度的均方根值可以看出，啟泵后的各測點中，由壬部位振動程度最大，考慮振動方向，由壬的軸向與徑向方向上的振動程度最大，豎直方向的振動程度較小。

振動監測結果進一步表明，由壬連接部位在壓裂過程中與彎頭部位一樣承受著較強的流固耦合沖擊，其產生的低頻振動容易誘發由壬內外接頭及內部密封元件的疲勞磨損及裂紋產生，使由壬面臨嚴峻的失效風險。

2 高壓由壬件磁記憶檢測試驗

現場振動監測試驗結果明確了管匯體系的薄弱環節，為后續的管匯損傷檢測提供了重點工作方向。針對由壬部位的失效情況，本文基于磁記憶原理搭建了適用于高壓由壬易損部位的檢測系統，并開展了室內及現場檢測試驗，以實現在役由壬件的損傷預警，對關鍵設備失效事故進行防控，最終達到降低作業風險的目的。

2.1 高壓管匯件缺陷判定標準

為了量化材料的應力分布及損傷程度，引入磁記憶信號梯度值和磁記憶信號峰峰值兩項參數。磁信號梯度值K表征選定檢測路徑上的應力分布狀態，其計算公式為：

(1)

式中：HN+n、HN表示在N+n、N點的信號值;LN+n、LN為兩點的位置坐標。

信號的梯度峰峰值σ表示當檢測信號的梯度值發生驟變時，梯度最大值Kmax減去最小值Kmin所得的值，測點的峰峰值越大，則說明該測點的應力集中程度越嚴重。其表達式為：

σ=Kmax-Kmin

(2)

將管道內部壓力達到管匯產生塑性變形臨界強度時的磁記憶信號的峰峰值σ作為評判高壓管匯失效的標準。根據室內試驗及相關數值模擬結果，建立105 MPa級?50.8 mm(2 in)規格壓裂管匯件抗內壓強度與磁記憶信號峰峰值之間的關系曲線，如圖5所示。

圖5 抗內壓強度與信號峰峰值的關系曲線Fig.5 Internal pressure strength vs.peak-to-peak value of signal

在保證105 MPa的安全抗內壓強度下，含縱向槽形裂紋額度管匯具有最小的梯度峰峰值，取其值0.326 V/mm為此規格管匯件的損傷臨界梯度峰峰值。

2.2 金屬磁記憶檢測系統

金屬磁記憶檢測系統的構成主要分為3個模塊：主體為磁記憶檢測模塊，其次是接收磁記憶信號并將其進行轉換與輸出的信號采集模塊，最后是信號處理模塊。由此構成了如圖6所示的磁記憶檢測系統。裝置設計時綜合考慮了壓裂現場工況及檢測難點，制作了可自由彎折的手持式檢測環，容易實現狹小區域的檢測，滿足由壬連接部位的掃查需求，能夠探測出復雜管匯件內部的細小裂紋和腐蝕坑等早期缺陷。

圖6 磁記憶檢測系統Fig.6 Magnetic memory detection system

2.3 高壓由壬磁記憶檢測室內檢測試驗

為了測試自行設計的磁記憶檢測系統在高壓由壬件缺陷檢測中的檢測效果，驗證該系統在復雜結構管件檢測當中的適用性，現利用三維檢測平臺開展室內試驗研究。

依據現場調研結果，對?50.8 mm(2 in)規格、fig1502型的由壬件進行刻傷，刻傷位置位于由壬內接頭齒根末端，并將管件置于三維檢測平臺上，調整探頭位置，保證合適的提離值，利用電機帶動磁記憶探頭沿管件軸向進行勻速掃查，檢測過程如圖7所示。同時選取完好由壬件的檢測結果進行對照。

圖7 室內試驗檢測過程Fig.7 Laboratory test detection process

選取覆蓋缺陷位置處的單通道檢測結果，對被采集信號進行梯度處理。刻傷由壬件與完好由壬件相同位置處的磁信號梯度值檢測結果分別如圖8a和圖8b所示。

圖8 有、無缺陷檢測結果對比Fig.8 Comparison of detection results with/without defects

對比2種情況下的檢測結果可知：探頭在保持一定提離值的情況下，在靠近缺陷位置處的檢測結果存在明顯的信號突變；在相同檢測路徑下，完好由壬件的磁信號梯度值曲線則比較平緩，幾乎無明顯信號突變。由此可驗證磁記憶探頭能夠較好地反映出位于由壬內接頭齒根末端處的缺陷。

2.4 高壓由壬磁記憶檢測現場檢測試驗

在壓裂作業停工配液期間，對頁巖氣壓裂現場的fig1502型由壬件進行磁記憶檢測，檢測部位為疲勞裂紋高發的由壬內接頭，檢測裝置由遠離由壬緊帽端向靠近端掃描，至端面結束，并對現場檢測結果進行梯度分析及可視化云圖分析處理。

在現場檢測過程中發現了由壬件2處帶缺陷，其磁記憶檢測結果及實物如圖9和圖10所示。由圖9和圖10的試驗結果可知：2個由壬在內接頭端面附近均存在應力集中區域，前者的磁記憶梯度峰峰值為0.174 V/mm，屬于安全峰峰值范圍；后者的磁記憶梯度峰峰值為0.303 V/mm，十分接近臨界梯度峰峰值(0.326 N/mm)，需要在未來壓裂周期的配液階段加強檢測頻率。

圖9 現場檢測結果1Fig.9 Field detection result 1

圖10 現場檢測結果2Fig.10 Field detection result 2

由現場經驗及振動檢測分析結果可知，由壬處受到的振動影響較為強烈，且由于加工原因，內接頭根槽端面極易因壁厚減薄而產生裂紋。因此，現場在線檢測中，應提高對高壓由壬的檢測頻率，以便在失效前及時更換，減少事故的發生。

3 高壓由壬力磁耦合模擬分析研究

作為結構復雜、失效風險高的管匯關鍵連接部位，高壓由壬的相關力磁學模擬研究資料較為匱乏。鑒于此，筆者基于COMSOL軟件建立fig1502型高壓由壬模型，并進行力磁耦合模擬研究，求解在役高壓由壬件的應力分布和磁場強度分布，分析承受內壓條件下，由壬件缺陷部位對附近表面空間磁信號的影響。

3.1 應力-磁導率之間的關系

當鐵磁性構件上存在應力時，構件會對外顯示磁各向異性，各項磁學參數值會隨外力發生改變[14]。為了探究在地磁場作用下高壓由壬材料35CrMo所受外部應力和磁場之間的線性關系，通過實驗室的靜載拉伸試驗臺，對由壬材料進行軸向拉伸，并利用磁阻探頭測量材料在受力過程中的磁場變化，結果如圖11所示。

圖11 拉伸應力與磁感應強度的關系曲線Fig.11 Tensile stress vs.magnetic induction intensity

由圖11可知，由壬材料在地磁場環境下受外部應力作用時，其磁感應強度值隨應力的增長呈線性增長趨勢。擬合可得磁感應強度B和應力σ之間的關系式為：

B=3.874×10-4σ+1.247

(3)

建立鐵磁特性和應力的耦合關系模型，可以得到更好的力磁耦合模擬結果。本節從磁導率特性入手，基于能量守恒定律建立了無外磁場激勵下的鐵磁性材料應力-磁導率關系式[15]：

(4)

式中：Bm為飽和磁感應強度，A/m；λm為飽和磁致伸縮系數，10-6；μ0為材料初始未受外力條件下的磁導率，H/m；μσ表示應力值為σ時構件的磁導率，H/m。

3.2 地磁場中的高壓由壬模型

高壓由壬件由由壬外接頭、由壬內接頭、密封圈及由壬緊帽組成。本次的模擬對象為壓裂現場常用的fig1502型由壬，其結構如圖12所示。根據磁記憶檢測機理和應力-磁導率關系式，選擇軟件中的固體力學場和靜磁場進行耦合；由于要分析含缺陷狀態下的力磁場分布情況，所以建模時在由壬內接頭模型螺紋齒根處預置了不同深度的缺陷。按照表2中的參數設置高壓由壬材料的固體力學及磁學參數。本次研究過程分為2步：首先是力學研究，對比不同載荷情況下，含缺陷與不含缺陷由壬件的應力分布情況；其次是根據應力-磁導率關系式對試件的磁導率進行迭代求解，得到不同內壓下由壬試件內的磁場強度分布。

1—由壬外接頭；2—由壬緊帽；3—由壬內接頭；4—密封圈圖12 由壬結構圖Fig.12 Union structure

表2 高壓由壬材料參數Table 2 High-pressure union material parameters

在此研究結果的基礎上，根據磁記憶損傷檢測的需求創建分析路徑，對路徑下由壬件的力磁學模擬結果進行對比分析，分析結果可為磁記憶手段檢測高壓由壬缺陷提供理論參考。

3.3 高壓由壬力磁耦合模擬結果

3.3.1 不同載荷下的應力分布

由于現場泄壓狀態的管匯內壓一般為30 MPa，壓裂階段的管匯內壓通常處于70～90 MPa之間，而目前管匯的最大承壓極限為140 MPa，所以分別對無缺陷管匯和含缺陷管匯依次施加30、90和140 MPa的內壓，在由壬內接頭末端齒根部位預置了深5 mm、寬2 mm的裂紋缺陷。選取高壓由壬模型的剖面，分析其應力分布情況。

圖13為不同內壓且有、無缺陷情況下高壓由壬的應力分布對比云圖。在內壓為30 MPa、無缺陷情況下，由壬件的應力集中部位分別位于外接頭端面與由壬緊帽的接觸端，以及由壬內接頭與由壬緊帽接觸端的齒根部位，在尖點處達到最大值。兩處的應力最大值分別為138和121 MPa；而相同內壓下，含缺陷的高壓由壬應力集中部位在由壬緊帽與由壬外接頭的接觸端以及位于由壬內接頭齒根部位的缺陷處，2處的應力最大值分別為138以及261 MPa。

圖13 不同內壓且有、無缺陷情況下高壓由壬的應力分布云圖Fig.13 Stress distribution cloud chart of high-pressure union with/without defects under different internal pressures

內壓升至90 MPa后，有、無缺陷的高壓由壬應力集中部位與內壓30 MPa時的兩處位置相同。無缺陷由壬的應力集中區域應力最大值分別為413和344 MPa；含缺陷由壬的應力最大值分別為435以及783 MPa。

內壓升至最大工作壓力140 MPa后，有、無缺陷的高壓由壬的應力集中部位與前2階段相同，且應力集中區域明顯擴大，無缺陷情況下2處應力集中區域的應力最大值分別為689和528 MPa；含缺陷高壓由壬則為723和1 220 MPa。

由表2可知，當內壓p1=90 MPa時，由壬內接頭齒根5 mm深度缺陷部位周圍的應力值已經逼近材料的屈服極限835 MPa，壓裂作業時，內壓若繼續增加，則會加速裂紋擴展速度，導致由壬內接頭末端發生嚴重損傷。當內壓p1增大至140 MPa時，由壬緊帽與由壬內、外接頭的2處接觸端的最大應力值大幅增加，疲勞失效風險增大；缺陷部位的應力已遠超材料的屈服極限，易引發由壬接頭斷裂事故。

3.3.2 不同載荷下的磁信號分布

在弱磁環境下，外載荷變化時，材料內部磁信號的變化較為細微[16]。為了給由壬的磁記憶檢測提供理論量化依據，依照現場檢測過程中的常規掃描路徑，選取由壬內接頭端面下方、距離管壁提離值為6 mm、長10 mm的線段進行分析。

在無缺陷條件和在30、90和140 MPa這3個典型工作內壓下，檢測路徑上的磁感應強度分布情況如圖14所示。由圖14可知：3種不同內壓下的磁感應強度信號變化趨勢相同；隨著內壓增大，由壬件所承受的應力增大，磁感應強度也隨之呈遞增趨勢；內壓從30 MPa增加到90 MPa，磁感應強度變化量在0.19×10-4T左右；內壓從90 MPa增加至140 MPa時，磁感應強度變化量在0.24×10-4T左右。

圖14 不同內壓下的磁感應強度分布圖Fig.14 Magnetic induction intensity distribution under different internal pressures

繪制檢測路徑上選定點的磁感應強度與內壓之間的關系曲線，如圖15所示。由圖15可知，隨著內壓的增大，磁感應強度呈增大趨勢，二者之間具有良好的線性關系，其變化規律符合公式：

圖15 內壓與磁感應強度的關系曲線Fig.15 Internal pressure vs magnetic induction intensity

B=0.008 69pi+3.692 72

(5)

3.3.3 不同缺陷深度下的磁信號分布

根據現場由壬的開裂情況，在由壬內接頭末端齒根處預置1處寬1 mm、深5 mm的裂紋缺陷，對比研究有缺陷與無缺陷由壬件的磁感應強度分布，在內壓為90 MPa的情況下，研究結果如圖16所示。

圖16 有無缺陷由壬件的磁感應強度對比曲線Fig.16 Magnetic induction intensity comparison curve of union with/without defects

由圖16可知，不論是否存在缺陷，磁感應強度的變化趨勢均一致。有缺陷由壬件的磁信號曲線在靠近缺陷處有較為明顯的磁信號畸變。這是由于裂紋尖端應力集中處產生的漏磁信號導致磁場發生疊加，從而引起了磁感應強度值的增大。該異常幅值變化量在0.2×10-4T左右。

為了確定裂紋深度對其附近磁感應強度的影響，在內壓為90 MPa時，設定裂紋深度在1～5 mm之間，取缺陷附近任意一點進行研究，該點處的磁感應強度大小隨裂紋深度的變化情況如圖17所示。

圖17 裂紋深度與磁感應強度的關系曲線Fig.17 Crack depth vs.magnetic induction intensity

從圖17可知，隨著裂紋深度的增大，磁感應強度信號呈增大趨勢。裂紋深度t與磁感應強度B之間的變化規律符合公式：

B=1.628 4t+5.621 55

(6)

4 結論及認識

(1)結合現場調研結果，對在役高壓管匯系統開展了振動監測試驗，明確了由壬部位在壓裂工況下的振動情況，同時指出由壬是在役高壓管匯的薄弱環節。

(2)基于磁記憶檢測手段開展了室內測試試驗及現場由壬件損傷檢測試驗，并根據高壓管匯件缺陷判定標準對現場檢測結果進行了初步評判。

(3)對高壓由壬進行了力磁耦合仿真分析，明確了不同內壓下,有、無缺陷由壬件應力的分布情況；研究了內壓及缺陷深度對由壬件力磁分布的影響，并建立了內壓-磁感應強度、缺陷深度-磁感應強度的線性關系。模擬結果為在役由壬件的磁記憶損傷檢測定量分析與安全評價提供了理論依據。

(4)對不同管徑及承壓能力的由壬件，其所受內壓與缺陷類型、缺陷深度的定量關系還有待繼續研究。