论油管螺纹受力特征与疲劳损伤磁记忆检测
摘要：本文研究了油管的破坏形式及磁记忆检测方法，使用应力集中磁指示仪对油管螺纹和周向裂纹进行了检测和数据分析。结果表明，磁记忆是检测油管缺陷和应力集中程度的有效方法。得出了油井中应重点检测靠近井口的1～10和80～90根油管，给出了油管上的重点检测部位。
关键词：磁记忆检测;缺陷;应力集中;油管螺纹
油管在采油过程中承受复杂的循环载荷作用，易形成强烈的应力集中区，在油管的非正常失效期里(1～2a(年))不作早期的状态诊断，发生油管事故是不可避免的。油管失效分轴向和周向两种形式，轴向失效主要在井筒上部油管螺纹处。周向失效主要是油管轴向裂纹，该失效集中在井筒下部油管处。由于油管螺纹结构的特殊性，常规的无损检测方法(超声、磁粉和渗透检测等)不适用于该部位的检测，且不能检测油管螺纹的早期应力集中。磁记忆检测技术是一种崭新的对铁磁性构件进行损伤早期诊断的无损检测方法。该技术利用构件中本身散射磁场的检测，确定构件的应力集中和损伤程度，可检测宏观和微观两种缺陷，特别是通过对构件微观缺陷的检测，实现损伤的早期诊断。
一、金属磁记忆检测原理
处于地磁环境下的铁制工件受工作载荷的作用，其内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向，并在应力与变形集中区形成最大的散射磁场HP的变化，即磁场的切向分量HP(x)具有最大值，而法向分量HP(y)改变符号且具有零值点，这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后继续保留，从而通过对散射磁场法向分量HP(y)的测定，便可准确地对部件缺陷和(或)应力集中区域进行诊断
二、油管螺纹的受力特征及磁记忆检测方法
2.1 油管的工作载荷特点及其磁记忆效应
油管在采油过程中所受的应力具有交变的特点。油管始终处于振动状态，一次强迫振动之后，随之是衰减，然后周而复始，与抽油杆振动同步。油管的各部位疲劳载荷及重力载荷均不同，螺纹处存在应力集中。对内径D=34.4 mm、壁厚2.4 mm的油管螺纹处进行应力分析，在材料的杨氏模量、所受轴向拉力相同的情况下，螺纹牙数N分别为6，8和10情况下的螺纹不同部位的应力分布规律。不同牙数螺纹的载荷分布实质性改变，螺纹的载荷分布中，最下端的啮合力最大，其值约为总载荷T的三分之一。油管采油和井下作业过程中所受的应力不同井筒中不同部位油管的受力状态和危险性也不同。靠近井口1～10根油管在日常生产过程中由于下面油管的重力作用，所受轴向应力要较其它油管大，在井下作业起、下管柱工序过程中这种轴向拉力更大，在油管与接箍旋合的螺纹根部易存在应力集中而发生断裂等事故，加之井口安装精度不够，使得油管柱不能处于铅直位置，从而在油管柱的上部存在附加弯矩，使油管易于断裂;靠近井口的80～90根及其以下油管主要受上面油管和管内液柱压力作用，其周向应力是轴向应力的两倍，油管螺纹和表面的周向易发生裂纹等缺陷。油井管柱中，最危险的是靠近井口1～10根油管的螺纹部位。油管在工作过程中，受到周期性疲劳载荷作用，不断有磁记忆效应的积累，并且在应力集中部位存在漏磁场的异常变化。
2.2 油管的磁记忆检测方法
根据油管工况分析，结合疲劳试验，建议油管疲劳损伤检测时，将靠近井口的1～10和80～90根油管作为检测重点。前者的重点检测部位是油管与接箍旋合的螺纹根部;后者的重点检测部位是油管螺纹和油管表面的.周向方向。为克服地磁场对检测结果的影响，检测时将油管南北方向水平放置。如图6所示，磁记忆诊断仪的传感器与螺纹表面垂直且对地静止，旋转油管，沿被测油管螺纹圆周按箭头方向进行扫查，测量散射磁场强度HP(y)。当被测油管螺纹上发现某处HP(y)值变成相反符号时，且有HP(y)=0，应将这些区域作好标记。在油管螺纹周向用传感器作“之”字形移动，找出HP(y)值出现相反符号的线段边界点，标出HP(y)=0的线段边界，此边界线表示应力集中线或变形线。根据散射磁场的法向分量幅值HP MAX(y)，HP(y)=0线的形状和位置以及散射磁场法向分量的变化梯度K可得到油管螺纹表面的应力分布情况。如应力集中线在螺纹根部，并且沿螺纹周向分布，这样的应力集中是比较危险的。由K值来判断该应力集中的危险程度。油管周向破坏情况检测与油管螺纹检测方法相似。
三、疲劳损伤油管磁记忆检测
3.1 被测油管和检测仪器的物理参量
油管缺陷是在日常生产中形成的，并非人工缺陷，所承受载荷是油管生产过程中的实际载荷。使用TSC-1M-4应力集中磁指示仪对1号油管螺纹处和2号油管轴向裂纹处进行磁记忆检测。仪器参数设置为，背景磁场抑制为“减CH1”，显示方式为“时基”，步距为2 mm，提离值为3 mm，传感器间距为19 mm，扫描速度为5 cm/s。扫描时传感器对地水平静止放置，油管沿纵轴旋转，按上述方法进行磁记忆检测。
3.2 检测结果分析
对1号油管螺纹处进行扫描，将其中5个通道扫描结果组合得到第2通道扫查位置为油管螺纹下公扣尾部与接箍旋合的第1扣齿根处。第2通道的检测信号在20～38 mm区域有过零线，且过零线形状封闭，其散射磁场强度法向分量的梯度较高。进行1号油管螺纹清洗和油压试验，发现该处存在13 mm×0.05 mm穿透性裂纹，且沿油管周向分布，因此该油管不能继续使用。对2号油管裂纹处进行了两次扫描，对6个通道扫描结果组合得到标记部分是轴向裂纹处的磁记忆检测结果，在整个裂纹区域存在漏磁场过零线，且过零线形状封闭。分析得出该油管裂纹宽度与漏磁场梯度的关系图。纵坐标表示传感器扫描一周所经路线中K值的最大值Kmax，即裂纹处的K值。发现当裂纹宽度增加时，总体上Kmax是增加的，裂纹最大时，Kmax并不是最大的，同一油管相同宽度裂纹对应的Kmax并不相同。这是由于漏磁场的状况取决于疲劳损伤过程中的励磁状况及裂纹形成后实际漏磁场的大小，裂纹形成过程中应力集中位置将发生移动。
四、结论
通过检测发现，金属磁记忆检测技术用于油管的疲劳损伤早期诊断是可行的。通过采集大量油管螺纹磁记忆检测数据，发现应力集中大都发生在油管的公扣尾部与接箍旋合的第1啮合齿根处。油管螺纹表面的散射磁场强度法向分量值和梯度是判断应力集中是否存在和严重程度的依据。应力集中线出现在油管螺纹尾部，且沿螺纹周向分布，同时散射磁场强度法向分量的梯度较大，这样的应力集中是最危险的。油管检测时，不同部位的油管检测的重点不同。靠近井口的1～10和80～90根油管是检测重点。其中1～10根油管的重点检测部位是油管与接箍旋合的螺纹根部;80～90根油管的重点检测部位是油管螺纹和油管周向表面。对于油管螺纹的粘扣，磁记忆检测无能为力，但可通过肉眼观察或上扣时发现。
参考文献：
[1]齐昌超，于润桥，程强强，龙盛蓉. 连续油管在线磁法检测研究与应用[J]. 南昌航空大学学报(自然科学版). 2013(04)
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