基于磁记忆技术的钻具检测_于伟.pdf

2020年第12期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-03-18修回日期 2020-03-18 作者简介 于伟 （1982-） ， 男 （汉族） ， 黑龙江大庆人， 工程师， 现从事修井维修工作。 基于磁记忆技术的钻具检测 于 伟* （大庆钻探工程钻井二公司， 黑龙江 大庆 163413） 摘要 钻井工程中， 多数钻具在失效后都会经再制造技术修复后继续服役， 为了筛选出具有再制造 价值的旧钻具， 对其进行损伤检测与评价显得尤为重要。磁记忆检测作为一门新兴的无损检测技 术， 不仅能够检测宏观损伤， 还能有效评价钻具的应力集中与微观损伤， 介绍了磁记忆检测机理及检 测方法， 并对磁记忆检测结果进行分析， 较好地反映了钻具的应力集中与损伤状态， 为钻具的检测评 价与鉴定提供了一种新的方法。 关键词 金属磁记忆； 检测方法； 损伤钻杆； 钻具检测 中图分类号 TE921.2 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202012-0079-03 无损检测技术作为近年来零部件检测技术的重要 发展领域， 以其不会对所检测构件造成损伤的优点而备 受亲睐。目前， 钻具无损检测技术包括磁粉检测、 漏磁 检测、 超声波检测和射线检测等， 而这些无损检测技术 虽然可以有效地检测出构件中已经形成的宏观缺陷， 但 对构件中的比较细小的微观缺陷和局部的应力集中却 不能做出有效的检测和鉴定。金属磁记忆检测技术是 一种新兴的无损检测技术， 其原理是通过检测铁磁性材 料构件在地磁场作用下产生的漏磁场信息对构件的缺 陷和应力与变形集中区进行分析检测的， 因此该技术可 以有效地检测构件缺陷及对其质量进行评估[1-2]。 1金属磁记忆检测技术优势 金属磁记忆检测技术作为铁磁性部件早期诊断最 为有效的无损检测方法， 具有以下4点优势[3] （1） 金属磁记忆检测技术不仅可以检测到宏观缺 陷， 而且还可以检测出应力集中和早期损伤等微观缺 陷， 利用该技术对构件进行检测可提前预知危险区域 并加以预防。 （2） 金属磁记忆检测技术在检测中利用的是天然 磁场， 所以不需专门的磁化装置， 检测后也不需要进行 退磁等操作， 因此操作流程简单， 可减少人力物力。 （3） 磁记忆检测时被检测部件表面不需要提前处 理， 可进行非接触测量， 不需要耦合剂从而避免了耦合 剂的污染问题， 适用于现场和野外条件。 （4） 磁记忆检测装置小， 携带方便， 检测效率和检 测精度高。 2磁记忆检测机理 金属磁记忆检测技术是集无损检测、 磁性物理学、 力学和金属材料学于一体， 主要是基于铁磁材料在地磁 场和循环应力作用下的力磁效应机理。铁磁材料发生 损坏的主要原因是各种微观和宏观的应力集中， 在应力 集中区域， 腐蚀、 疲劳和蠕变过程的表现最为激烈。在 地磁场作用下， 处于应力集中区域的铁磁材料零件表面 的漏磁场就会变化， 变化的漏磁场就会记忆铁磁材料的 缺陷和应力集中的位置， 因此通过检测材料表面的磁场 分布情况， 就可以发现早期应力集中和宏观缺陷。 3钻杆检测方法 3.1检测材料和检测仪器 为了真实反映钻具实际工作中的磁记忆信号特征， 检测样本为钻井现场所使用的钻杆和钻铤， 钻具的组成 可分为三个部分， 即母扣、 钻具本体和公扣， 其中公扣和 母扣处有加工的螺纹， 钻具与钻具之间靠螺纹相连接。 钻具材料为S355低碳合金钢， 该钢为细晶粒钢， 力学性 能如表1所示， 材料的化学成分组成如表2所示。 用于磁记忆信号检测的设备是俄罗斯动力诊断公 司生产的TSC-2M-8型金属磁记忆检测仪， 如图1所 示。其扫描探头步长间隔为1mm， 该金属磁记忆检测 仪不仅可以检测磁场强度法向分量， 还可以检测到切 向分量， 并且可以去除周围磁场的干扰， 检测精度高， 其对应的磁记忆分析软件为MMM-System 3.0。 79 2020年第12期西部探矿工程 钻具由本体和两侧连接扣构成， 因此钻具检测分 为钻具本体检测和螺纹连接处检测两部分。当进行钻 具本体检测时， 其测试线有四条， 均位于钻具本体外表 面且沿钻具轴向分布， 其中每相邻两条轴向测试路线 的间隔为90。在进行钻具两侧螺纹连接处磁记忆测 量时， 其分别沿钻具公扣和母扣螺纹外表面进行轴向 测量， 测试线共四条， 且每相邻两条测试线间隔90。 此外， 螺纹连接处环向磁记忆测量路线共五条， 分别沿 螺纹轴向均匀分布， 如图2所示。 3.2损伤钻杆本体磁记忆检测 力学性能 强度值 σs（MPa） ≥345 σb（MPa） ≥450 表1S355低碳合金钢的力学性能 化学成分 所占百分比 C ≤0.24 Mn ≤1.60 Si ≤0.05 N ≤0.009 P ≤0.04 S ≤0.04 表2S355低碳合金钢的化学成分 图1TSC-2M-8型磁记忆检测仪 图2钻杆检测方法示意图 图3a和图3b分别为沿1号损伤钻杆轴向的磁场 强度曲线和梯度曲线， 该钻杆损伤位置为公扣螺纹处。 在图中可以看出磁场强度曲线和梯度曲线在 500～ 9000mm范围内曲线波动均非常微小， 在0～500mm范 围内曲线磁场强度曲线和梯度曲线有微小波动， 而在 9000～9500mm范围内曲线波动非常明显， 其切向磁场 强度具有极值且对应梯度相对而言较大， 法向磁场梯度 较其附近而言也比较大， 而该范围处于钻杆的公扣螺纹 损伤位置附近， 因此磁记忆曲线可用于检测损伤位置。 3.3损伤钻具螺纹连接处磁记忆检测 通过对损伤钻具本体的磁记忆信号分析可知， 钻 具的螺纹连接处应为失效分析的重点且该处的磁记忆 曲线有明显的信号特征。因此， 应着重分析螺纹连接 处的磁记忆特征曲线。 图4a和图4b分别为沿1号损伤钻杆公扣螺纹轴 向磁场强度曲线和梯度曲线， 图5a和图5b分别为其环 向磁场强度曲线和梯度曲线。由图4可得， 其磁场强度曲 线在20mm和100mm附近变化较明显， 且该两处的法向 梯度和切向梯度值较大， 说明此两处应力集中严重， 即为 损伤位置。而该两处位置分别为钻杆公扣螺纹边缘和其 根部， 分别为钻井液容易侵蚀和受力较大处， 因此损伤较 为严重， 符合实际情况。在图5中， 其磁场强度曲线在 60mm和120mm处变化较明显， 而其位置对应的磁场梯 度也出现了极大值， 因此可以判定该两处应力集中程度 大。此外， 由于公扣螺纹失效时一般是螺纹牙齿损坏， 因 此其轴向磁场梯度最大值会大于环向磁场梯度最大值。 4结论 （1） 以铁磁物质的磁化机理为基础， 金属磁记忆检 测技术的检测机理， 为更好地分析钻具磁记忆信号奠 定良好的理论基础。 （2） 根据钻具的自身结构和其失效方式的特征制 定了适用于钻具磁记忆检测的测量方案。 （3） 通过磁记忆检测装置对钻具进行损伤检测并 对磁记忆信号进行分析， 得出钻具在不同损伤状态下 的磁记忆信号特征， 结果表明磁记忆信号可反映出钻 具的损伤位置及其损伤度的大小。 （4） 通过分析新钻具和具有不同损伤钻具的磁记 忆信号可知钻具在加工过程中会产生残余应力从而产 80 2020年第12期西部探矿工程 生应力集中， 此外， 钻具的螺纹连接处磁记忆信号明显 且公扣和母扣处螺纹信号有较大差异。 参考文献 [1]苏雪梅,樊建春,张仁庆,等.钻具材料疲劳损伤的磁记忆检测 试验研究[J].中国安全科学学报,2012,228139-144． [2]任吉林,林俊明,任文坚,等.金属磁记忆检测技术研究现状与 发展前景[J].无损检测,2012,3446-14． [3]徐海波,樊建春,张来斌,等.钻具试样的磁记忆检测技术研究 [J].无损检测,2008,305301-304. 图31号损伤钻杆磁记忆曲线 图41号损伤钻杆公扣轴向磁记忆曲线 图51号损伤钻杆公扣环向磁记忆曲线 81