石油钻杆内壁体积型腐蚀缺陷的超声检测.pdf

试验研究 石油钻杆内壁体积型腐蚀缺陷 的超声检测 巨西民莫润阳 石油管材研究所,西安 710065 空军工程学院,西安 710038 摘 要 介绍石油钻杆内壁腐蚀缺陷超声检测的原理、 方法及工艺,给出了实验结果。结果表 明,该方法检测钻杆内壁腐蚀缺陷是行之有效的。 主题词 石油钻杆 腐蚀 超声检验 ULTRASONIC DETECTI ON OF CORROSI ONS IN THE INTERNAL WALLS OF O I L DRI LL RODS Ju Xi m in Tubular Goods Research Center of China N ational Petroleum Corp. M o Runyang Institute of A irforce Engineering Abstract U ltrasonic detection of corrosions in the internal walls of oil drill rods is described including the principle, and technology. Experi mental results show that it is feasible and effective. Keywords O il drill rod Corrosion U ltrasonic inspection 钻杆是石油钻柱的重要组成部分之一,其主要 作用是传递旋转扭矩和输送钻井液。钻杆在钻井过 程中要长期受拉、 扭、 弯曲等交变应力作用,同时钻 井液、 钻井泥浆中溶解的O2, CO2和H2S等腐蚀介 质及地层的氧化物等介质使钻杆产生严重的腐蚀。 受腐蚀后的钻杆在应力作用下易失效,造成重大经 济损失。 据资料介绍,每起钻具失效事故造成的直接 经济损失约8万元,若钻具断裂造成埋井,其经济损 失可达数百万元[1]。及时地对钻杆腐蚀缺陷进行检 测和控制,可防患于未然。为此,我们研制了适用于 钻杆腐蚀缺陷的超声检测方法和技术。 1 钻杆腐蚀缺陷的特征 1. 1 形态 引起钻杆腐蚀的原因很多,不同原因造成的腐 蚀形态不同,钻杆腐蚀形态主要有均匀腐蚀和点蚀 图 1 。 1. 2 部位 钻杆腐蚀常发生在管体部分以及加厚区部分, 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。 图1 表面蚀坑底部形貌及附近显微组织 200 2 探伤方法的选择 钻杆内壁腐蚀常用漏磁、 射线等方法检测。 但漏 磁方法检测体积型缺陷灵敏度较低,定位、 定量精度 差;而射线检测成本高,辅助量大,对人体有危害。 一 些油田也通过超声测厚方法对钻杆内壁腐蚀进行检 测,但此法不能全面准确反映钻杆内壁腐蚀状况。 考 虑到腐蚀缺陷的特征及钻杆检测的现场环境,我们 专门研究了用纵波直接接触法检测钻杆内壁腐蚀的 方法。 561 第22卷第4期 2 0 0 0年4月 无损检测 NDT Vol . 22 No. 4 April 2 0 0 0 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 免费下载 3 超声检测的原理 用超声脉冲回波法检测腐蚀的原理[2]与脉冲回 波法测厚的原理一致[3]。腐蚀引起的最直接效果就 是使管材壁厚减薄,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 波到达钻杆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,则工 件厚度 T0 0. 5tC 式中 C工件中声波传播速度 若钻杆发生的是均匀腐蚀,则剩余壁厚Ts图 2 为 Ts 0. 5t1C 式中 t1声波在均匀腐蚀试件中往返传播所用 的时间 图2 均匀腐蚀钻杆中超声波传播时间变化 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B1图 3,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 hT0-0. 5t2C 式中 t2超声波在点蚀坑处往返所用的时间 图3 点蚀钻杆中超声波传播时间变化 4 试验条件和方法 4. 1 试验用试块 为了确定和调节检测灵敏度,调节检测范围,验 证检测效果,根据石油钻杆常见腐蚀的特点,设计了 模拟内部腐蚀缺陷的试样,试件取自127mm 5in 旧钻杆管体,按不同试验目的分别加工成内含不同 形态的模拟腐蚀缺陷。 4. 1. 1 平底孔试块 试块内表面加工有不同深度的 5mm平底孔, 各孔计量深度依次为0. 4, 1. 0, 2. 0, 3. 1, 4. 1, 5. 2, 6. 2, 7. 2, 8. 3mm壁厚计量值8. 6mm , 见图4。 图4 平底孔试块 4. 1. 2 钻杆台阶试块 为模拟钻杆内壁均匀腐蚀时的壁厚变化情况, 在钻杆内表面加工有1mm高的台阶,各台阶实际 计量厚度为2. 0, 3. 1, 4. 1, 5. 1, 6. 0, 7. 0, 8. 0, 8. 9, 9. 9, 10. 9, 12. 1, 13. 1mm ,见图5。 图5 钻杆台阶试块 4. 2 试验条件 4. 2. 1 探伤仪 为保证检测可靠,结果直观,使用方便,选用德 国KK公司生产的U SD 10型数字超声探伤仪。 4. 2. 2 探头 探头是整个检测系统最关键的部分,对整个系 统起决定作用,钻杆管壁厚度一般为6. 45～12. 7 mm ,壁厚较薄,多处于探头近场区,另外, 钻杆为管 材,外表为凸曲面,用直探头耦合超声波损失大,为 此,设计制作了带有曲率的窄脉冲5 M Hz10mm 10mm近程双晶纵波探头和5 M Hz14mm F8 点聚 焦纵波探头分别进行探测。 4. 2. 3 耦合剂 经实验,选用不易流动的机油或专用耦合剂。 661 巨西民等石油钻杆内壁体积型腐蚀缺陷的超声检测 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 免费下载 4. 2. 4 显示方式 为了多方位地显现缺陷形态,同时用A扫描和 B扫描对腐蚀缺陷进行显示。 4. 3 试验方法 使用曲面晶片聚焦单探头一次波自发自收和近 程组合双晶纵波探头一发一收方式分别测试。 1用台阶试块上与127mm钻杆壁厚接近的 两个不同厚度台阶对仪器按深度进行校准。 2将探头置于试块上,找到模拟缺陷最大反 射回波,并将闸门设定在一固定高度80满刻度 上,当缺陷回波超过此值时,进行剩余壁厚测试。 5 试验结果及分析 试样模拟缺陷和自然腐蚀缺陷试验结果如附表 所示,可见 1超声波组合双晶纵波探头和点聚焦纵波探 头检测钻杆内壁模拟腐蚀缺陷,有较高的精度,相对 误差≤0. 6mm。 2对平底孔模拟蚀坑缺陷,双晶探头测试精 度≤0. 6mm ,聚焦探头≤0. 2mm;对台阶试块,双晶 探头测试精度≤0. 52mm ,聚焦探头≤0. 27mm。 3由于自然腐蚀缺陷形态、 大小、 取向及钻杆 外表面状况等对测试精度都有影响,因此自然腐蚀 缺陷的测试相对误差≤1mm。 附表 试样模拟缺陷和自然腐蚀缺陷试验结果mm 缺陷类型实际深度测试深度 1 误 差 平底孔 0. 4 2. 0 4. 1 6. 2 8. 3 0. 54 1. 82. 0 3. 84. 0 5. 76. 0 0. 14 0. 20 0. 30. 1 0. 50. 2 台阶 2 12. 07 9. 89 8. 03 6. 03 4. 08 2. 05 12. 0112. 09 10. 109. 776 8. 427. 759 6. 355. 823 4. 464. 198 2. 571. 797 0. 060. 02 - 0. 210. 11 - 0. 400. 27 - 0. 320. 21 - 0. 38- 0. 12 - 0. 520. 25 自然腐蚀坑 1. 7 4. 4 2. 0 3. 2 3 2. 1 1. 4 3. 9 1. 2 2. 6 2. 8 0. 3 0. 5 0. 8 0. 6 - 0. 7 注 1 括号内、 外数据分别为聚焦探头和双晶探头测试结果。 2 台阶试块B扫描显示见图6。 3 该自然腐蚀坑的B扫描显示见 图7。 图6 钻杆台阶B扫描显示图 图7 自然腐蚀缺陷B扫描显示图 4用双晶纵波探头预扫查,发现缺陷,再用点聚焦探 头进行精确定量测试,既提高了检测速度,又提高了定量精 度。 5用A ,B扫描结合的方式对缺陷进行显示,较直观 地展示了缺陷形态。 6 结束语 钻杆腐蚀检测是钻杆适用性评价的依据,也是 保证钻井安全生产的重要手段。 试验表明,用超声方 法检测钻杆内表面腐蚀缺陷是可行的,超声探伤仪 的选型和专用检测探头的设计制作是准确检测腐蚀 的关键。 上述钻杆腐蚀缺陷检测方法操作方便,可用于 油田现场在役钻杆腐蚀缺陷的检测和钻杆分级,提 高钻杆使用的安全性。 参考文献 1 冯耀荣等.钻杆生产技术的发展.石油专用管, 19954 37- 41 2 George C, W illiam son, Bohon W M ark.uation ofultrasonicintelligentpigperanceinherent technical problem s as a pipe line inspection tool .Pipes andPipelinesInternational,1994September - October 20 3 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 . 上海世界图书 出版公司, 1996. 419 收稿日期 1999206214 761 巨西民等石油钻杆内壁体积型腐蚀缺陷的超声检测 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 免费下载