石油天然气钻具的超声波检测.pdf

实践经验 石油天然气钻具的超声波检测 李绍芬,庞佑强,董国庆,卢 平 中原石油勘探局 机械制造总厂,河南濮阳 457001 ULTRASONIC INSPECTION OF THE DRILL SET FOR PETROLEUM AND NATURAL GAS INDUSTRY LI Shao2fen , PANGYou2qiang, DONG Guo2qing, LU Ping Machinery Manufacture Plant , Zhongyuan Petroleum Exploration Bureau , Puyang Henan 457001 , China 中图分类号TG115. 28 文献标识码B 文章编号10002665620031120589203 随着石油工业的不断发展,在石油和天然气的 勘探开发中,钻井工作的发展占有非常重要的位置, 是进行石油勘探的主要方法之一。而钻井工作中井 下钻井工具一直是薄弱环节,容易发生事故。 井下钻井工具主要由方钻杆、 钻柱、 钻铤和配合 接头等组成,这些钻具在钻井过程中受力情况复杂, 经常发生钻具断裂事故,给油田带来重大的经济损 失,严重制约了油田的发展。经大量观察分析发现, 钻具的断裂有时是由于受到瞬间超载荷造成的,而 更多的时候是由于未及时发现钻具外部或内部的裂 纹等缺陷而不能承受瞬间超载荷或连续载荷造成 的,这种情况是完全可以避免或减少的。钻具发生 断裂的主要部件是钻杆、 钻铤、 各类螺旋扶正器及各 种配合接头,其损坏部位主要在内外螺纹的根部和 钻具内部缺陷处。外螺纹的断裂常发生在从应力分 散槽算起第一至第三个螺扣的根部,内螺纹断裂常 发生在最后咬合螺扣的根部图 1 。钻具内孔也经 常出现轴向和径向疲劳裂纹图 2 。 1 钻具内孔的检测 1. 1 轴向或径向裂纹的超声波探伤原理 [1,2] 采用横波周向探伤法检测轴向裂纹,由于钻具 管壁厚度不同,需要采用不同角度的斜探头,探头折 射角根据钻具内孔而定,使声场中心与内径相切图 3 ,才能够更好地检出轴向裂纹;径向裂纹采用横波 轴向探伤法检测,用单斜探头或联合双斜探头进行 收稿日期2002210222 图1 内外螺纹断裂部位 图2 钻具管内轴向和径向裂纹 图3 用横波斜探头周向探测 轴向探伤图 4 。 1. 2 专用探头和试块的设计和研制 985 第25卷第11期 2003年11月 无损检测 NDT Vol. 25 No. 11 Nov . 2 0 0 3 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 图4 用单斜探头或联合双斜探头轴向探测 根据钻具内孔壁产生裂纹的主要部位,研制了 用于周向探伤的多种角度横波斜探头。 1. 2. 1 横波斜探头的设计制作 1设计思想 为使探头的主声束辐射到钻具内孔裂纹部位, 设想从钻具外径向内孔径周向探测,使主声束与内 孔径相切。 2探头折射角βi和频率的确定 如型号为NC46265 4IF的钻铤,外径Di 165. 1mm ,内径di 71. 4mm。为使主声束能入射 到内孔壁,探头折射角需满足下式[3] βi sin- 1 d i2 Di 计算得βi 26 。为提高对缺陷的检出能力,提高检 测频率可使主声束集中,确定选用2. 5和5MHz探 头进行试验。 1. 2. 2 专用试块的研制 检测方法确定后,需制作对比试块,以便对缺陷 进行定量分析。根据石油天然气行业标准SY/ T 51441997[3],以 3. 2mm平底孔作为探伤灵敏度 基准,试块的材质和热处理必须与被检产品相同,且 不允许有裂纹和夹杂物等缺陷。图5和图6为检验 轴向和径向缺陷用试块。斜探头的折射角根据 312mm平底孔的位置确定,使声场中心轴与孔底 平面正交。 1. 3 耦合剂的选用 图5 探测轴向缺陷用试块 图6 探测径向缺陷用试块 采用声阻抗满足要求的水或机油作为耦合剂。 2 钻具内外螺纹的检测 2. 1 超声波探伤原理 为能检出钻具内外螺纹的裂纹,采用纵波小角 度直探头和横波斜探头对钻具内外螺纹进行检测 图 7 。钻具螺纹端面较小时,不宜用纵波小角度 直探头检测,可用横波斜探头在钻具外表面进行检 测图 8 。用纵波小角度直探头和横波斜探头检测 裂纹主要采用脉冲反射法,用该方法缺陷的反射率 高,容易检测。小角度直探头的入射角越小,裂纹越 容易检出。但钻具内外螺纹裂纹面与螺纹形成一定 夹角,声波除反射裂纹外,还会形成多次折射反射 波,影响缺陷检出效果,所以需制作专用试块。 图7 纵波小角度直探头检测内螺纹 图8 横波斜探头检测外螺纹 2. 2 小角度直探头和斜探头的设计研制 容易产生裂纹的钻具内外螺纹部位是锥面结 构,需设计研制专用纵波小角度直探头和横波斜探 头,来探测钻具内外螺纹裂纹。 095 李绍芬等石油天然气钻具的超声波检测 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 2. 2. 1 纵波小角度直探头的设计 1设计理论 要使探头的主声束辐射到钻具内外螺纹危险区 域的裂纹截面上,设想使声波从内外螺纹端面入射, 让主声束与钻具螺纹锥面平行传播。 2纵波小角度直探头入射角α的确定 如16.5cm钻铤的螺纹锥度值一般为1∶6。为 使纵波折射主声束能沿螺纹锥面平行传播,可由公 式α sin - 1 1/ 2 6 计算得α 4.7,即探头的纵 波折射角为4.7 。又由下式 sinαL CL1 sinβL CL2 式中 αL 纵波入射角 βL 纵波折射角 CL1 第一介质中的纵波声速 CL2 第二介质中的纵波声速 当探头的楔块为有机玻璃时,βL4.7, 得α L2.1 ≈3 。 3探头频率和楔块的设计 为使超声波能量集中,提高缺陷检出能力,并考 虑到钻具螺纹端面的限制,晶片尺寸不能太大,只有 提高频率才能使声束扩散角减小,能量更集中。所 以选用2. 5和5MHz探头,最有效的探头直径是 8 ～12mm ,频率为5MHz。综合考虑近表面盲区及楔 块角度等因素,设计楔块中心厚度为2mm。 2. 2. 2 横波斜探头的设计 当钻具螺纹端面较窄,用小角度直探头检测有 困难时,可用横波斜探头从钻具接头外表面探测。 1斜探头折射角的确定 根据钻具螺纹及根部裂纹的形状,要尽量使探 头的主声束与裂纹垂直,设计了折射角为55,70 和 75 的斜探头。 2探伤频率和晶片大小的确定 选用5MHz探伤频率。由于晶片尺寸增加,声 束半扩散角减小,声束指向性好,声波更集中,远距 离缺陷检测能力增强,但同时近场长度迅速增加,处 于近场区的缺陷回波声压不稳定,易引起误判或漏 检。因此,选用较大尺寸的晶片16mm16mm , 18mm18mm和16mm19mm ,为保证良好的耦 合效果,探头楔块与钻具外圆接触部分曲率应相同。 2. 3 钻具螺纹专用试块的设计制作 制作钻具内外螺纹试块时,选择其易损部位刻 制不同深度的刻槽,其深度分别为0. 5 ,1. 0 ,2. 0和 3. 0mm ,宽度 1. 0mm。为调节扫描速度,设计了 图9 专用对比试块和校准试块 50mm高的专用试块图 9 。 2. 4 耦合剂的选用 耦合剂采用水或机油。 3 钻具探伤检测工艺 选用营口生产的UFD2310型超声波探伤仪对 钻铤、 钻杆、 各类接头和螺旋扶正器进行探伤。 3. 1 扫描速度的调节 用横波斜探头探伤时,按水平1∶1调节扫描速 度;用纵波小角度直探头探伤时,根据钻具螺纹部位 的长度,按纵波1∶2比例调节扫描速度。 3. 2 探伤灵敏度的调节 用横波斜探头周向或轴向探测,使探头的主声 束对准对比试块上的 3. 2mm平底孔,使其回波达 到80 荧屏高度,再提高4dB作为扫查灵敏度。 用纵波小角度直探头从钻具螺纹端面探测前, 先用对比试块的人工刻槽调节探伤灵敏度,使探头 主声束对准对比试块的人工刻槽,使其回波达到 80 荧屏高度,再提高3～6dB作为扫查灵敏度。 3. 3 探伤扫查 探伤前,应修整探伤面,以满足超声波探伤所要 求的表面粗糙度。 3. 3. 1 横波扫查 1钻具管身的周向或轴向扫查 管身外圆表 面周向移动横波斜探头进行检测,用一次波探伤。 2钻具内螺纹探伤 钻具内螺纹外表面轴向 移动横波斜探头进行检测,用一次波探伤图 10 。 3钻具外螺纹探伤 从钻具管身外表面轴向 进行扫查,用二次波探伤,探头的声束经钻具内表面 反射后,射向外螺纹齿根图 11 。 3. 3. 2 纵波扫查下转第599页 195 李绍芬等石油天然气钻具的超声波检测 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 表2 有色金属压力管道焊缝内部质量要求1 检测 方法 材料 质 量 分 级 ⅠⅡⅢⅣ 射线检测 铜及铜合金;镍及镍合金GB 3323Ⅰ 级GB 3323Ⅱ 级GB 3323Ⅲ 级不允许 铝及铝合金按GB 50236附录E的 Ⅰ 级按GB 50236附录E的 Ⅱ 级按GB 50236附录E的 Ⅲ 级不允许 工业纯钛按GB 50236附录F的合格级不允许不允许 超声检测GB 11345的 Ⅰ 级GB 11345的 Ⅱ 级不允许 注 1 钛管道要求100 射线检测,其它管道根据设计规定或按相关标准规定的比例进行无损检测。 和磁粉检测为主,如属铁磁性材料且操作条件允许 时,则应尽可能用磁粉法检测。磁粉检测具有操作 简便、 检查迅速、 灵敏度高的优点,适于磁性材料表 面和近表面缺陷的检测。SH 3501规定,高强钢、 非 奥氏体钢和Cr2Mo低合金钢的角焊缝应进行表面 无损检测。GB 50235规定,焊缝表面应按设计文件 规定,进行磁粉或液体渗透检验。在表面无损检测 方面,SH 3501规定比GB 50235更加明确。 3 结语 总之,在压力管道工程设计施工验收中,应遵循 以国家标准为基础,行业标准是对国家标准的必要 补充这一原则。准确理解和掌握相关技术规范是保 证工业管道工程质量的重要条件。 参考文献 [1] GB 502351997 ,工业金属管道工程施工及验收规范 [S]. [2] GB 502361998 ,现场设备、 工业管道焊接工程施工及 验收规范[S]. [3] SH 35012001 ,石油化工剧毒、 可燃介质管道工程施 工及验收规范[S]. [4] DL 5007 ,电力建设施工及验收技术规范 火力发电厂 焊接篇[S]. [5] GB 3323 ,钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级[S]. [6] JB 4730 ,压力容器无损检测[S]. [7] DL 5069 ,电力建设施工及验收技术规范 钢制承压管 道对接焊缝射线检验篇[S]. [8] GB 11345 ,钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分 级[S]. [9] DL/ T 5048 ,电力建设施工及验收技术规范 管道焊 缝超声波检验篇[S]. 上接第591页 图10 内螺纹斜探头探测示意图 图11 外螺纹斜探头探测示意图 用小角度直探头从钻具内外螺纹端面进行扫 查,使其主声束射向螺纹面,发现有缺陷显示应进行 标记,作进一步缺陷评判图 12 。 4 结论 用上述方法对钻具管身和内外螺纹的疲劳裂纹 进行检测,减少了石油天然气钻井作业中出现钻具 图12 纵波小角度直探头探测示意图 断裂事故的发生,避免了重大的经济损失。 参考文献 [1] 超声波探伤 编写组.超声波探伤[M].北京电力工 业出版社,1980. [2] 美国无损检测学会编.美国无损检测手册译审委员会 译.美国无损检测手册 超声卷下册 [M].上海世界 图书出版公司,1996. 331 - 351. [3] SY/ T 51441997 ,钻铤[S]. 995 李 忠等工业管道相关标准中的无损检测要求 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m