超声波无损探伤技术在钻杆螺纹检测中的应用分析

马金旺

摘要：在钻井作业过程中，钻杆要直接承受复杂的拉压弯扭组合载荷，其安全性将直接关系到整个施工作业的安全。根据钻井现场施工经验，钻杆的主要失效部分发生在螺纹扣接头区域。为了提高接头安全性，目前国内外钻杆制造生产厂家大多采用热处理的工艺来提高钻杆的接头螺纹质量。但是在日常热处理过程中往往会产生多种缺陷，此时就需要采用无损检测方法对钻杆进行缺陷检测，用以判定钻杆质量合格与否。

关键词：超声波;钻杆;螺纹;腐蚀;缺陷;探伤;应用

腐蚀疲劳与应力损伤是石油钻杆损坏的最主要原因，钻杆损伤检测可以有效地预防和减少钻具因失效而引起的质量事故。阐述了石油钻杆健康监测中损伤识别的关键问题，介绍基于超声波的损伤定位定量方法。根据其基本结构和受力特点，以石油钻井中常用〞钻杆为对象进行损伤研究，用超声波纵波直接接触法检测钻杆螺纹，并对探伤结果进行分析和应用。结果表明，超声波可对已定位损伤的石油钻杆螺纹的损伤进行定量分析，通过实例验证了其对结构损伤诊断的有效性。

1.探伤检测的必要性

石油钻杆是石油天然气勘探与开发过程中使用的一种主要工具。它是组成“钻柱”的主体，占整个钻柱长度的80%～90%，其上方接方钻杆，下方连钻铤。钻杆与方钻杆、钻铤之间通过短节、接头等用钻杆螺纹连成整体，其主要作用是传递旋转扭矩和输送钻井液。钻杆在钻井过程中要承受拉、压、弯、扭、振动载荷、旋转离心和起下钻时附加的动载等交变作用，同时钻井液、钻井泥浆中溶解的酸性腐蚀介质及地层的氧化物等介质使钻杆内表面产生严重的腐蚀;对于高压气体作介质的气体钻井，钻头破碎的岩屑颗粒对钻杆外表面也有极大的冲蚀，这些受腐蚀、冲蚀的钻杆在应力作用下易失效、裂断，从而造成重大经济损失。另因井队使用维护钻具不当造成的钻杆丝扣粘结，或使钻杆接头体钻杆螺纹根部产生裂纹，这些裂纹即使很小，若不能被及时发现而继续使用就会酿成事故。

据资料介绍，平均每起钻杆失效事故造成的直接经济损失约10余万元，若钻杆断裂造成埋井，其经济损失可达数百万元。为降低事故发生，提高井下钻杆使用的可靠性，降低钻井工程成本，提高经济效益，对它们及时探伤是十分必要的，因而需要一种探伤设备，本文使用超声波探伤仪对损伤加以检测。

2.探伤的基本原理

2.1钻杆损伤的原因分析

2.1.1钻杆腐蚀

钻杆腐蚀常发生在管体部分，且内壁较外壁更易发生腐蚀，这是因为外壁和井壁之间频繁摩擦，有害物难以存留，不易被腐蚀。在使用过程中，腐蚀介质和交变应力的共同作用可以加速腐蚀过程，而腐蚀作用又加速了疲劳过程。腐蚀疲劳失效受腐蚀环境和疲劳载荷两种因素支配，钻杆在腐蚀介质中受交变载荷作用时，它的疲劳寿命显著降低，即是腐蚀和疲劳交互作用的结果。钻杆腐蚀对钻杆主要是腐蚀坑，在实际工作中，在外加应力和介质的共同作用下，腐蚀坑加速扩大，在腐蚀坑底部导致应力集中，外加应力循环一定周次后，腐蚀坑开始萌生裂纹。

2.1.2钻杆螺纹区应力集中

目前我们所使用钻杆采用螺纹连接，外径101.6～139.7mm，见图1。G、S高钢级钻杆对此项没规定，对管体螺纹连接区交界处远角曲率半径在中也均未规定，这就导致在螺纹连接区的应力集中较大，同时由于该处是截面突变处，易发生弯曲，见图2。此处是钻杆一个薄弱环节，是应力疲劳或腐蚀疲劳危险点。

2.2超声波探伤主要原理

对钻杆螺纹连接区采用A型脉冲回波法，用直探头或斜探头检测，用超声脉冲回波法检测损伤的原理与脉冲回波法测厚的原理基本一致。由探伤仪发射电路给探头一个电信号，激励探头压电晶片产生0.5～25MHz的高频超声场，超声场穿过工件（钻杆），在工件中传播，当遇到不连续时，超声场中部分能量就会反射回探头，探头将声信号转换成电信号给接收电路，接收电路将电信号进行放大检波，最后显示到荧光屏上。荧光屏显示回波幅度与反射回的能量大小有关，反射回的能量与不连续有关。

超声波探头发射的超声波在工件中的传播时间与工件厚度成正比，通过测量超声波到达内外壁表面的时间差就可以计算管壁的厚度。设超声波在工件中传播的往返时间为t，见图3，则工件厚度为：T₀=0.5tC，C為工件中声波传播速度。

如钻杆发生的是均匀腐蚀，则剩余壁厚T₁为：T₁=0.5t₁C，式中t₁为声波在均匀腐蚀试件中往返传播所用的时间。

若钻杆发生的是点蚀，为简化起见，假设蚀坑底为平面，则底波前将会出现一蚀坑底面回波B（图5），它与始波之间的时间差即为超声波在剩余壁厚中往返的时间，蚀坑深度为：h=T₀-0.5t₂C，t₂为超声波在点蚀坑处往返所用时间

3.探伤监测应用

3.1损伤检测仪器

目前我们使用的超声波探伤仪主要包括仪器和探头、用于仪器校准用的标准试块，以及自制的与被测工件特性相同的工作试块和相应的耦合剂。

3.2损伤检测实例

钻杆螺纹连接区通常采用超声检测，主要检测疲劳裂纹和腐蚀坑。螺纹连接区标准探头角度为59.1度，系统增益56.5dB，这就是探伤标样高度，也就是探伤标准，所有出现信号都要和它相比较。

我们对第一个回收钻具检测出的缺陷，性质为裂纹，该钻杆为G105一级。此信号显示非常高，信号狭长，降低增益13.9dB，深度显示8.8mm，长度1.5mm。对第二个回收钻杆检测出信号与裂纹信号相同，信号狭长，比较高，深度显示14.6mm，在坑的边沿存在裂纹。对第三个回收报废钻杆检测探伤发现信号不高，提高8.2dB才超过标样，原因是坑边沿很平滑。对第四个回收报废钻杆检测探伤发现信号与裂纹信号相近，比较狭窄，有双峰出现，经切开后发现两处较深的腐蚀坑，且距离较近。

4.结论与认识

（1）钻杆刺穿大都在螺纹连接区消失端或以下，管体壁厚都在9.19mm以下。（2）裂纹信号尖而狭窄，信号要高出标样很多，通常要高50%以上，严重者达到100%，甚至通屏。（3）很深很大的腐蚀坑信号与裂纹信号基本相同，尖而狭窄，有一定长度的声程，通过显示深度可以确定坑的深度。（4）小的腐蚀坑信号不高，信号尖而狭窄，声程长度很小。（5）大而浅的腐蚀坑，信号显示很低或无信号显示，声程长度很大。（6）内台肩信号与小腐蚀坑信号相似，信号不高，尖而狭窄，但长度较长，一般超过20mm。

参考文献：

[1]任辉;API石油钻杆接头应力分析及结构改进研究[D];华东理工大学;2011年

[2]马崇;超声波TOFD检测技术[J];华北电力技术;2003年09期