鉆具在鉆進過程中常因所受的拉壓、彎曲載荷變化及氫脆、應力腐蝕以及疲勞等產生裂紋,裂紋的擴展往往造成鉆具的損壞斷裂,以致發生井下事故,帶來生產進度、企業效益等方面的損失。目前國內外已開發了多種鉆具缺陷檢測技術,主要有管體電磁檢測技術, 對螺紋進行磁粉探傷或渦流探傷,加厚區超聲波探傷等等。超聲、磁粉等常規靜態無損檢測方法很難發現氫脆、應力腐蝕以及疲勞斷裂等裂紋形成初期的小尺寸缺陷,而若裂紋尺寸較大時,往往又失去了檢測的意義。針對此問題需要開發能檢測出小尺寸裂紋的檢測方法。前人驗證了應用聲發射技術進行管道泄漏檢測的可行性 ,但沒有應用到鉆具裂紋的檢測上。聲發射檢測不同于破壞實驗,其原理基于裂紋受載后發生的亞臨界擴展并會發出微小的聲波信號的原理 ,檢測出聲發射源后,可根據相應的載荷水平進行鉆具的分級或判廢。筆者將聲發射檢測技術用于鉆具缺陷檢測,并對相關方法進行探討。
1 鉆具常見裂紋缺陷及其擴展機制
1.1 氫脆裂紋
管材在含H2 S等酸性環境中,因腐蝕產生的氫侵入鋼內而產生的裂紋稱為氫脆裂紋(H IC) ,不需要外加應力即可產生。
當鉆具表面含水時, H2 S在水中形成硫及氫的離子,體積很小的氫原子根據其分壓大小向鋼中擴散,一般首先聚集于非金屬夾雜物、氣孔中,氫原子變成氫氣分子,體積增大約20倍,局部壓力急劇增加,當超過金屬起裂應力時,就會產生多個細小的裂紋并不斷擴展,相互連接形成大尺寸的階梯狀裂紋。氫脆裂紋擴展速度取決于氫原子在金屬基體中的擴散速率,與材料所受應力無關,而與氫濃度和溫度等因素有關。
當裂紋尖端的壓力與材料所受的外加應力的合力超過材料的承載能力時,就會導致斷裂發生 。
1.2 疲勞裂紋
在交變載荷作用下,材料組織發生局部滑移�；凭�在某些局部區域內變粗形成滑移帶,這就是疲勞裂紋的萌生。材料表面缺陷或內部缺陷使應力集中,加速疲勞裂紋的萌生。
裂紋萌生后,在交變載荷作用下將沿著滑移帶的主滑移面向金屬內部伸展。這時裂紋的擴展主要是剪應力的作用,滑移面的取向大致與正應力成45°角。當裂紋擴展一定長度后,將改變方向,沿著與正應力相垂直的方向擴展。疲勞裂紋擴展速率與裂紋尖端的應力強度因子交變幅度及材料性能有關。
1.3 應力腐蝕裂紋
應力腐蝕裂紋指處在特定的腐蝕環境中受拉伸應力作用的金屬或合金,材料在外觀上沒有多大變化(如未產生全面腐蝕或明顯變形) 時產生的裂紋。對于應力腐蝕裂紋來說,存在一臨界應力強度因子K1SCC ,這是材料固有的性能,當裂紋尖端應力強度因子K1 < K1SCC時,材料不會發生應力腐蝕裂紋擴展;當K1 > K1SCC時,裂紋擴展速率急劇增加。
2 聲發射檢測技術
2. 1 技術原理
聲發射是一種新興的動態無損檢測技術,其原理見圖1。
聲發射是指材料局部因能量的釋放而發出瞬態彈性波的現象。聲發射波的頻率范圍很寬,從次聲頻、聲頻直到超聲頻,可包括數赫茲到數兆赫茲。金屬材料受載后形成的聲發射幅度在微觀的錯位運動到大規模宏觀斷裂之間的很大范圍內變化,傳感器的輸出可包括數微伏到數百毫伏。
聲發射源發出的彈性波,經介質傳播到被檢體表面,引起表面的機械振動。聲發射傳感器將表面的瞬態位移轉換成電信號,再經放大處理后,其波形或特性參數被記錄與顯示。最后,經過數據的分析與解釋,評定出聲發射源的特性 。
2.2 聲發射事件、聲發射源
引起聲發射的材料局部變化稱為聲發射事件,在工程材料中有許多損傷與破壞機制可產生聲發射波。石油鉆具的聲發射事件為鉆具使用或聲發射檢測過程中人為的模擬加載載荷。
對于金屬材料,主要的聲發射源有塑性變形、相變、夾雜物和亞臨界裂紋擴展等。對應石油鉆具,疲勞裂紋、氫脆裂紋及應力腐蝕裂紋等結構失效處,均為典型的聲發射源。
2.3 聲發射波的傳播
波源處的聲發射波形,一般為寬頻帶尖脈沖,包含著波源的定量信息。在介質中,聲發射波主要為縱波、橫波、表面波、板波等。石油鉆具中聲發射傳播有縱振波、扭轉波和表面波。由于表面波的能量隨傳播距離的增加而迅速衰減,故只須考慮縱振波和扭轉波。
石油鉆具聲發射事件引發聲發射源產生的聲發射縱振波與扭轉波在鉆具中傳播時,會經界面反射、折射和模式轉換,各以不同的波速、波程、時序到達傳感器。一般來說,傳播速度最快的是縱振波�？v振波波速cL 與扭轉波波速cT 分別為
式中, E為材料楊氏模量;ρ為密度;ν為泊松比。
2.4 凱塞效應
材料的受載歷史對重復加載聲發射特性有重要影響。重復載荷達到歷史最大載荷前不發生明顯聲發射,這種聲發射不可逆性稱為凱塞效應。多數金屬材料中,可觀察到明顯的凱塞效應。但是,重復加載前如產生新裂紋或其他可逆聲發射機制, 應重新考慮其凱塞效應。
凱塞效應在聲發射檢測中的作用體現在: ①臨界裂紋擴展的聲發射檢測; ②在役鉆具新生裂紋的定期過載聲發射檢測。
聲發射檢測的主要內容包括確定聲發射源的部位,鑒別聲發射源的類型, 評定聲發射源的嚴重性。其中,缺陷類型的鑒別需要經過大量的試驗總結。
3 聲發射檢測試驗
3.1 聲發射源的識別與定位
源定位是聲發射技術的重要功能,其類型主要有時差定位和區域定位。
3.1.1 時差定位法
時差定位法是一種通過測量不同傳感器接受聲發射信號的時差,結合波速、傳感器間距等參數來確定波源坐標或位置的定位方式。由于鉆桿為細長圓柱體,須進行軸向和周向分別定位。在圓周上布置一定數量的傳感器構成傳感器組, 由接收信號的早晚確定缺陷的圓周方位。在鉆桿軸向布置兩個傳感器組進行一維(線)時差定位圖2) 。
設缺陷坐標為X,傳感器組的軸向坐標為l1 和l2 ,則有
式中, c為縱波波速; t1 , t2 為聲發射波到達兩組傳感器的時間。當缺陷在兩組傳感器中間時, 所接收信號的初始相位相反,而在一側時則相位相同。如存在多個缺陷,可通過頻譜分析或時頻聯合分析來實現不同聲發射源的信號識別。
3.1.2 區域定位法
目前現場鉆具因裂紋擴展而引發的事故往往發生在螺紋根部以及距鉆具一端端面120 mm以內,因此可在鉆具兩端各設置一組傳感器進行局部定位。
3.2 鉆具聲發射檢測傳感系統以時差定位法為例,采用兩組傳感器,每組4個傳感器沿鉆具圓周均布。其信號調理電路、數據采集及信號分析等系統見圖3。
信號調理電路具有濾噪和信號放大功能;數據采集通過兩塊4通道PXI同步數據采集卡與控制器來實現,其中每塊采集卡上有4 個通道電路并聯。單個傳感器采用高靈敏壓電陶瓷聲波元件。
3.3 聲發射事件加載裝置
鉆具聲發射檢測系統的關鍵是聲發射事件加載裝置。經大量現場調研分析,設計了可模擬鉆具現場鉆進工況的液壓加載裝置,通過液力系統,簡單模擬鉆具的拉伸和扭曲載荷。
針對普光氣田油田使用的127 mm 加重鉆桿(鋼級4145H) ,依據經驗數據選擇拉伸載荷3.168MN及扭曲載荷10015 kN來進行測試,彈性模量E為200 GPa,泊松比為0.32,密度為7 850 kg/m3。由此計算出縱波波速為5.327 km / s。
3.4 加載測試
以127 mm加重鉆桿為測試對象,對經過現場工程試驗的4支防硫鋼加重鉆桿進行測試,同時選取工程試驗的6支普通加重鉆桿進行對比測試,測試采用盲測的方法進行,即整個測試操作在測試人員完全不知道被測試件狀況的情況下進行。在l1 =3.1 m及l2 = 5.36 m處安裝兩組傳感器。逐步加載拉伸和扭曲載荷,達到額定載荷后維持恒定,并同時接收數據。參照圖2中位置在周向間隔90°分布8個傳感器,實時讀取數據。經測試, 4支防硫鋼加重鉆桿均未接收到聲發射信號。6支普通加重鉆桿中編號S0115662EK25X有臨界裂紋擴展,其時域信號及Hilbert變換圖見圖4, 5。
結合l1 和l2 位置的信號時域波形,求解出缺陷距離l1 較近管端位置X 為6.85 m。
因為裂紋的產生存在未知性,測試樣品的選取存在一定難度,對10 支加重鉆桿分別進行加載測試,最終僅1根普通加重鉆桿接收到臨界裂紋擴展信號。與被測試鉆具用常規無損檢測方法如磁粉探傷和超聲探傷的結果進行對比,發現3種測試方法所得結果完全一致。
3.5 聲發射源缺陷評定
通過聲程、聲發射波信號的幅度以及其功率譜來判定聲發射源的裂紋程度。對于鉆具,按凱塞效應,通常重復加載不發生明顯聲發射的,可以認定其是安全的,即臨界裂紋不再發生擴展;否則為不安全。
依據上述觀點,對試驗中編號S0115662EK25X的127 mm加重鉆桿再次加載測試,未有異常波形出現,X位置處的臨界裂紋沒有再次擴展。因此判定該鉆桿X位置處的臨界裂紋是安全的,故不進行判廢處理。該結果與用超聲檢測和磁粉檢測的結果不太一致,因為常規無損檢測只能檢測出已經存在的缺陷,但不能判定這種缺陷是否安全,所以一旦用常規無損檢測方法檢測出裂紋等缺陷,首先想到的就是為了安全而對被測試鉆具進行報廢處理,而聲發射方法不僅可以發現臨界裂紋這樣的缺陷,而且可以通過進一步測試來確定這種裂紋缺陷的危險性,如果其危險性仍在安全范圍,就不會做判廢處理。
4 結束語
改進的鉆具加載裝置更貼近鉆具井下實際工況,可以獲取更好的試驗效果。該裝置目前僅能夠模擬鉆具井下承受的拉伸和扭轉載荷,尚不能模擬彎曲等工況條件,且未考慮實際現場檢測條件和設備的便攜性。由于被測試樣品數量少,故對缺陷的周向定位尚未能提取該類型工件臨界裂紋聲發射信號的幅值、帶寬等特征,同時也無法對裂紋缺陷類型進行識別�？梢酝ㄟ^在周向布置多傳感器,接收處理并判斷擴展的臨界裂紋位于周向哪一方位。
作者：王運美 張 宏 董為榮 邱 超
(1. 中國石油大學機電工程學院,北京102249; 2. 安東石油技術(集團)有限公司,北京100102)
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