孫玉江，樊建春，徐鵬誼

（中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249）

石油鉆具在鉆進(jìn)的過程中承受的載荷非常復(fù)雜，有可能同時(shí)受到內(nèi)壓、外壓、軸向載荷、彎曲載荷和扭矩的作用；故鉆具接頭螺紋極易產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象而發(fā)生突然斷裂、刺漏、磨損等事故。據(jù)全國鉆具失效事故統(tǒng)計(jì)，僅在1992年，鉆鋌事故中，接頭螺紋事故占了95.02%［1］。因此，鉆具螺紋的失效會(huì)給鉆井生產(chǎn)帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失。為了減少螺紋事故的發(fā)生，一般采用對(duì)舊鉆具接頭修扣的方式來改變接頭螺紋現(xiàn)有的應(yīng)力集中。然而，在現(xiàn)有的條件下，現(xiàn)場(chǎng)一般憑經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行修扣處理，即對(duì)螺紋切修的長度無法用有效的檢測(cè)手段來判斷，因此修扣后的鉆具可能會(huì)處于過度維修或欠維修狀態(tài)。這樣，不僅浪費(fèi)了資源，更可能在鉆具使用過程中帶來安全隱患。

在文獻(xiàn)［2－3］中表明，一般情況下，鉆具螺紋在使用過程中達(dá)到緊扣扭矩后，公母接頭螺紋從密封面方向算起，第1個(gè)螺紋處所受應(yīng)力最大，螺紋失效部位主要集中在前3個(gè)螺紋處，這是導(dǎo)致鉆具接頭螺紋疲勞失效的主要原因。根據(jù)鉆具接頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及鉆具檢測(cè)中心的現(xiàn)場(chǎng)情況的需求，筆者將對(duì)鉆具接頭螺紋修扣前后的螺紋應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)并分析：① 鉆具螺紋修扣前后的磁記憶信號(hào)變化。② 修扣對(duì)改善鉆具螺紋應(yīng)力集中分布的效果。

1 鉆具接頭磁記憶檢測(cè)

1.1 鉆具接頭磁記憶檢測(cè)原理

由磁記憶檢測(cè)的基本原理［4］可知：鐵磁構(gòu)件在外應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮性質(zhì)的形變，引起磁疇壁的位移，從而改變磁疇的自發(fā)磁化方向，以增加磁彈性能來抵消應(yīng)力能的增加。這種在外應(yīng)力和地磁場(chǎng)共同作用下，鐵磁體內(nèi)產(chǎn)生的晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)和磁致伸縮逆效應(yīng)會(huì)引起材料宏觀磁特性的不連續(xù)性分布；在應(yīng)力撤除后，由應(yīng)力集中所造成的該區(qū)域宏觀磁特性的不連續(xù)性會(huì)得到保留。實(shí)踐證明，在材料缺陷或應(yīng)力集中區(qū)域磁場(chǎng)的切向分量Hp（x）具有最大值，法向分量Hp（y）改變正負(fù)符號(hào)且具有零值。一般通過檢測(cè)法向分量Hp（y）來完成部件的檢測(cè)。磁記憶傳感器能將檢測(cè)到的不同應(yīng)力集中的大小轉(zhuǎn)化為不同的電壓輸出值，利用這些電壓輸出數(shù)據(jù)可分析被檢部件是否存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中。螺紋的磁記憶檢測(cè)原理如圖1所示（其中黑圈部分表示鉆具接頭螺紋牙部應(yīng)力集中區(qū)域）。

2 鉆具接頭螺紋修扣前后應(yīng)力集中的檢測(cè)

鉆具接頭螺紋修扣過程中，受到切削刀的作用，會(huì)在螺紋部位產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力集中，為了檢測(cè)這種應(yīng)力集中程度，筆者利用磁記憶檢測(cè)的基本手段來檢測(cè)修鉆具螺紋在修扣前后的變化。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況來看，鉆具螺紋在經(jīng)過切削加工后，可能存在著如下三種情況：① 過度維修，即修扣后加大了螺紋整體或局部原有的應(yīng)力集中程度。② 欠維修，即修扣后雖減小了螺紋整體或局部原有的應(yīng)力集中程度，但是應(yīng)力集中并未減小到鉆具螺紋安全使用的范圍內(nèi)。③ 合理維修的情況，即修扣后減小了螺紋整體或局部原有的應(yīng)力集中程度。經(jīng)過前期在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)不同等級(jí)的鉆具螺紋的反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)證明：最低安全標(biāo)準(zhǔn)下的螺紋磁記憶檢測(cè)信號(hào)梯度值是公螺紋不得低于0.009 6V／mm，母螺紋不得低于0.008 6V／mm。

2.1 檢測(cè)方案

采用成型刀具的加工機(jī)床對(duì)使用過的鉆具公接頭及母接頭螺紋（螺紋類型為NC50，螺紋牙型為V－0.038R）進(jìn)行切修加工。鉆具螺紋應(yīng)力集中檢測(cè)是采用筆者所在課題組自主研發(fā)的15通道鉆具公頭螺紋磁記憶檢測(cè)裝置（圖2，以下簡(jiǎn)稱公螺紋檢測(cè)裝置）和12通道鉆具母頭螺紋磁記憶檢測(cè)裝置（圖3，以下簡(jiǎn)稱母螺紋檢測(cè)裝置）分別對(duì)鉆具修扣前后的公頭、母頭螺紋進(jìn)行檢測(cè)。公母螺紋檢測(cè)裝置核心部分分別由15，12組磁記憶傳感器組成環(huán)形結(jié)構(gòu)，傳感器核心部分采用巨磁阻元件，其檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度可以達(dá)到10－7～105mT［5］，而且之前所做的試驗(yàn)表明公母螺紋檢測(cè)裝置的15，12組傳感器可以對(duì)螺紋進(jìn)行360°檢測(cè)，幾乎不存在漏檢問題。傳感器依靠彈簧或彈簧片與螺紋緊密結(jié)合。公螺紋檢測(cè)位置及方向是從接頭的臺(tái)肩到密封面，檢測(cè)長度近似120mm；母螺紋檢測(cè)位置及方向是從水眼過渡段處螺紋到密封面，檢測(cè)長度近似為300mm。檢測(cè)方法分別如圖4所示。檢測(cè)簡(jiǎn)要過程為：人在拉動(dòng)檢測(cè)裝置的時(shí)候，連接傳感器的數(shù)據(jù)采集卡將采集到的電壓數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，并通過軟件來分析判斷螺紋應(yīng)力集中大小。為了消除測(cè)量誤差，每個(gè)接頭螺紋均檢測(cè)3次。

圖2 公螺紋檢測(cè)裝置

圖3 母螺紋檢測(cè)裝置

圖4 鉆具螺紋磁記憶檢測(cè)方法

2.2 檢測(cè)結(jié)果及分析

磁場(chǎng)信號(hào)的梯度是磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化程度的反映，梯度值絕對(duì)值越大，磁場(chǎng)強(qiáng)度變化越劇烈，說明此處的應(yīng)力集中程度越大［6］。因此，對(duì)于鉆具螺紋部分的磁記憶檢測(cè)信號(hào)，直接分析其梯度信號(hào)就可比較螺紋在修扣前后的應(yīng)力集中程度的變化。此處，梯度值及范圍采用梯度云圖的方式來表示，即在灰度圖中以不同的亮度代表不同的梯度值，縱坐標(biāo)代表各個(gè)通道，橫坐標(biāo)代表數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)；梯度值的曲線圖轉(zhuǎn)換為灰度圖方式來表示，對(duì)照云圖右邊亮度條上的數(shù)據(jù)（不同的亮度代表不同的值，亮度最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的梯度值最高），便于觀察應(yīng)力集中程度比較高的部位。

檢測(cè)一根5寸加重鉆桿公接頭螺紋在修扣前后所得到的磁記憶信號(hào)數(shù)據(jù)分析圖如圖5，6所示。其中梯度圖中的連續(xù)波峰波谷從圖形上構(gòu)成了虛擬的螺紋齒牙。

對(duì)比圖5和圖6可看出，在修扣前，有4個(gè)通道所檢測(cè)到的螺紋應(yīng)力集中程度比較大，圖5圈中表示后三扣（從檢測(cè)方向來看，下同）的應(yīng)力集中程度比較大。查看經(jīng)過梯度處理的信號(hào)的數(shù)據(jù)后可知，鉆具接頭螺紋在修扣之后，原有的平均應(yīng)力集中程度下降了84.21%。梯度云圖的角度表明，此次修扣減小了整體及局部原有的應(yīng)力集中程度，是一個(gè)合理維修的例子。

對(duì)一根8寸鉆鋌母接頭螺紋在修扣前后進(jìn)行檢測(cè)，所得到的磁記憶信號(hào)數(shù)據(jù)分析如圖7，8所示。

對(duì)比圖7，8可看出：在修扣前，各通道的梯度值較低，最高為近似0.002V／mm，未超過安全標(biāo)準(zhǔn)（因車間還沒有正式建立相應(yīng)的磁記憶檢測(cè)程序，因此對(duì)螺紋進(jìn)行修扣處理時(shí)只分析修扣前后應(yīng)力集中程度的變化）。從圖7圈中可看出后三扣的應(yīng)力集中程度比較大。修扣后，多個(gè)通道的檢測(cè)數(shù)據(jù)梯度值都有顯著上升，最高達(dá)到近似0.006V／mm。由梯度數(shù)據(jù)表明，修扣后的平均應(yīng)力集中程度要比修扣前的平均應(yīng)力集中程度下降44.58%。螺紋經(jīng)過修扣處理后，其平均應(yīng)力集中程度雖然降低了，但從梯度云圖上可看出，9通道局部應(yīng)力集中程度有顯著增加，所以判斷此次修扣為過度修扣。

對(duì)一根8寸鉆鋌母接頭螺紋在修扣前后進(jìn)行檢測(cè)，所得到的磁記憶信號(hào)數(shù)據(jù)分析如圖9，10所示。

對(duì)比圖9，10的梯度云圖可看出，修扣前，8通道和9通道局部存在著應(yīng)力集中程度過大的情況，最高處可達(dá)到0.015V／mm，超過了母接頭螺紋信號(hào)梯度值的正常使用的最低標(biāo)準(zhǔn)（0.008 6V／mm）。修扣后，9通道局部應(yīng)力集中程度依然較高，查看經(jīng)過梯度處理的信號(hào)數(shù)據(jù)后知，9通道的最高梯度值達(dá)到了0.008 9V／mm，依然超過安全使用的最低標(biāo)準(zhǔn)。雖然鉆具接頭螺紋在修扣之后，原有的平均應(yīng)力集中程度下降了約11.6%，但是修扣后的局部螺紋磁記憶檢測(cè)信號(hào)梯度值并沒有達(dá)到安全使用的范圍，該鉆鋌應(yīng)該返修。因此，該例為欠維修的例子。

圖5 公接頭螺紋修扣前數(shù)據(jù)分析

圖6 公接頭螺紋修扣后數(shù)據(jù)分析

圖7 母接頭修扣前數(shù)據(jù)分析

圖8 母接頭修扣后數(shù)據(jù)分析

圖9 母接頭修扣前數(shù)據(jù)分析

圖10 母接頭修扣后數(shù)據(jù)分析

3 結(jié)論

根據(jù)磁記憶檢測(cè)方法，課題組所設(shè)計(jì)的內(nèi)外螺紋檢測(cè)裝置可以有效地檢測(cè)出螺紋應(yīng)力集中的大小。通過對(duì)鉆具接頭公、母螺紋修扣前后的檢測(cè)，得出了現(xiàn)有的修扣手段可以有效降低整體原有的應(yīng)力集中程度的結(jié)論。通過三例鉆具螺紋的檢測(cè)結(jié)果表明，其螺紋經(jīng)修扣后，平均應(yīng)力集中程度分別下降了84.21%，44.58%，11.6%；但是修扣后可能導(dǎo)致局部應(yīng)力集中程度增加而產(chǎn)生過度維修，或是維修后沒有達(dá)到安全使用的標(biāo)準(zhǔn)而造成欠維修，因此修扣前后必須進(jìn)行檢測(cè)并判斷應(yīng)力是否達(dá)到了安全要求的標(biāo)準(zhǔn)。因此，利用內(nèi)外螺紋檢測(cè)裝置能夠給車間修扣提供可靠的檢測(cè)手段和判斷依據(jù)，從而保證了鉆具在正常工作中的安全性，更有利于提高鉆井的工作效率。

［1］ 冉誠實(shí).鉆鋌螺紋失效分析及改進(jìn)方法研究［D］.重慶：西南石油學(xué)院，2003：1.

［2］ 林元華，施太和，姚振強(qiáng)，等.鉆具螺紋接頭力學(xué)性能計(jì)算方法及其應(yīng)用［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，7（7）：30－34.

［3］ 陶世軍，劉劍輝，馬建強(qiáng)，等.鉆鋌螺紋有限元分析及優(yōu)化改進(jìn)［J］.石油機(jī)械，2009，37（10）：61－62.

［4］ 任吉林，林俊明，任文堅(jiān)，等.金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景［J］.無損檢測(cè)，2012，34（4）：6－14.

［5］ 鄭文培.復(fù)雜管體磁記憶檢測(cè)系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)研究［D］.北京：中國石油大學(xué)（北京），2010：38.

［6］ 蘇雪梅，樊建春，張仁慶，等.鉆具材料疲勞損傷的磁記憶檢測(cè)試驗(yàn)研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，22（8）：139－144.