论文部分内容阅读
【摘 要】 钻杆在石油作业中有非常重要的作用，对钻杆鼓包缺陷进行分析监测，能够保证作业的安全进行。本文就钻杆管内壁鼓包现象进行分析，提出了相应的检测预防的具体措施。
【关键词】 钻杆管；内壁鼓包；形成机理
一、钻杆管概述
钻杆在井下的作业环境十分恶劣，针对其特殊性选择有效的检测方法是十分重要的。在1990年以前很长一段时间内，对钻杆本体的检测几乎为零。进入1990年以后，各使用单位逐渐重视对钻杆本体的全方位检测，实践证明最有效的检测方法就是漏磁检测，其最大特点就是实现检测自动化，检测效率高，能有效检测出钻杆本体的各种缺陷，如管体腐蚀、裂纹、孔洞、麻坑、拉槽、切痕等危害性较大的缺陷。
钻杆管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。钻杆管存放过程中，常会在表面产生蚀坑，从而导致局部应力集中，诱发内壁缺陷的出现而降低极限承载能力，石油钻井的井下失效事故中，钻杆断裂特别是内壁缺陷占了很大比例。为了减少这类事故的发生，对钻杆管内部鼓包缺陷进行检测，可防患于未然。
在钢管成型过程中，产生鼓包最根本的原因是带钢边缘的塑性拉伸超过了该材料的弹性极限延伸率。颜昌茂和李方坡等学者对钻杆刺穿进行分析，认为钻井操作中钻杆发生了横振，导致钻杆承受的弯曲应力及其交变频次增大，使疲劳寿命大幅降低；钻杆内壁腐蚀严重，腐蚀坑底由于应力集中产生疲劳裂纹，加速了腐蚀疲劳进程。本文将在生产后对钢管鼓包形成进行检测和基于该原理所设计的检测系统，利用超声探伤仪和超声测厚仪分别检测了钻管内壁的缺陷、厚度及鼓包，通过金相技术分析鼓包形成与成定减径过程的延伸量关系及非金属夹杂物的位置与鼓包的关系。最后，运用能谱分析确定钻杆管内壁缺陷中的非金属夹杂物的成分含量，让钢液对其进行控制。
二、原因分析
1.鼓包检测与形貌
对含有内壁质量鼓包缺陷的钻杆管经超声探伤仪显示近内壁位置存在纵向缺陷。如图1所示，其根据超声波在通过不同介质的界面时产生反射和折射原理，并对反射和折射波信号进行采集、放大与显示，从而发现了零件内部裂纹或其他隐蔽缺陷。超声波测厚结果表明壁厚长度为4.5～8mm，其通过脉冲发生器，以一个窄电脉冲激励专用高阻尼压电换能器，此脉冲为始脉冲，一部分由始脉冲激励产生的超声信号在材料界面反射，这信号称为始波。其余部分透入材料，并从平行对面反射回来。
将管体剖开后，部分探伤缺陷出现位置存在内鼓包，如图2所示，鼓包纵向长度为1～2mm。
2.金相分析
金相分析就是利用金相显微镜等研究金属因化学成分、冷却速度和热冷处理等因素所引起的内部组织变化及对性能的影响。通过对超声波缺陷标示位置沿纵向切开制取金相样品进行金相分析，结果表明距离内表面位置长度为0～3mm处存在纵向夹杂物，且夹杂物纵向长度为1～1.5mm，分别如图3、图4所示。
3.扫描电镜分析
扫描电镜能谱分析法是测量X射线光量子的能量来确定在激发体积中物质包含什么元素。钻杆内壁的能谱分析位置如图5所示。
通过能谱分析得到在激发体积中物质所包含的元素及其含量如表1所示。
分析结果表明，钻杆内壁的夹杂物主要成分为CaO、Al2O3，还含有少量的MgO和SiO2。其中Al2O3（熔点2050℃）为高熔点难熔氧化物，是以铝酸钙夹杂CaO·2Al2O3（熔点1705℃）存在于钢中。MgO、SiO2夹杂物可能来自于钢液与炉渣的反应或耐火材料的浸蚀。
三、鼓包缺陷形成原因
1.内壁纵向层状缺陷及内鼓包形成过程坯料内部存在非金属夹杂物缺陷，在轧制压力的作用下，脆性夹杂物破碎，塑性夹杂物被压扁形成层状纵向缺陷。轧制时在夹杂物附近产生应力集中，因夹杂物与基体结合力较低，在定减径时缺陷处纵向流动受阻，横向宽展加剧，内表面没有工具限制从而导致鼓包形成。
2.鼓包的形成与定减径过程的延伸量有关，延伸量越大鼓包越容易暴露。生产∮127×9.19mm的管线管，其减径量为62mm，减径量较大，容易将内表面缺陷以鼓包的形式在定减径过程中暴露。
3.鼓包的形成还与夹杂物分布位置有关，非金属夹杂物距离内表面越近，越容易形成鼓包。另外，穿管过程中的金属变形是不均匀的，管坯中心区域在顶头的碾制下变形最大。随着钢管内径不断扩大，管壁变薄，基体中夹杂物与钢管内壁表面的距离逐渐地被缩短，并在内表面附近聚集。由于金属基体与夹杂物之间存在离层现象，在后续轧制过程中，分层金属受轴向摩擦力和碾制力的作用与基体脱离，向管材内孔方向“皱起”，因此就形成了一个个凸起的条状鼓包。
4.金相分析结果表明：当非金屬夹杂物距离内表面长度为1～3mm时不容易形成鼓包；而当非金属夹杂物距离内表面长度为0～1mm时，则容易形成鼓包。这是因为距离内表面越近，引起鼓包形成的临界应力值越小，所以越容易形成鼓包。
四、钻杆鼓包缺陷类型
1.由疲劳导致的鼓包缺陷
产生原因：钻杆的疲劳破坏是疲劳鼓包的发展过程，最后结果是拉断、扭断或刺穿（图1）。漏磁检测曲线特征：内外壁无腐蚀的情况下，在显示器“横向缺陷”栏出现两条并列峰值曲线，灵敏度较高时下沿伴随着草状曲线，幅度不高，在1#、2#“壁厚损失”栏出现波状曲线上窄下宽；在“全长度壁厚”栏出现的曲线呈反方向。
2.管体刺穿（孔洞）缺陷
产生原因：通常在压力的作用下，钻井液通过钻杆管的缝隙，在通过时会因为疲劳产生鼓包现象，高速的流动会进步不使鼓包的地方面积增大，有的甚至出现穿孔现象。漏磁检测曲线的特征主要表现为：在检测孔洞缺陷的时候，全长管体或孔洞缺陷周围会出现较为严重的腐蚀现象，这时，在显示器“横向缺陷”栏中就会出现高低不同的林状曲线，曲线高度的达满幅度为100%。同时，1#和2#“壁厚损失”栏也会出现山峰状的曲线反应，而且其高度达满幅度为80%，在“全长度壁厚”栏也会出现反方向曲线，高度达满幅度为40%。
五、缺陷的检测相关的问题分析
进行检测中，钻广安上的刻槽、划痕等常常出现，因机械磨伤形状与其基本相似，存在的波峰比较尖锐，如果在检测中出现波形较高的情况，其信号值在25以上，就会给内壁造成一定的损失；当波形的振幅比较小时，就会出现连绵的形状，内壁的损失就不会太大，坑洞就不会太深。
通过分析钻杆的结构，采用电磁法对管体的壁厚检测。受到磁化后内外表面的组织状态和缺陷会发生很大的变化，从而导致磁率的变化，磁通在磁路中受到感应也会发生变化，有的磁通会穿过缺陷，而其他的磁通可能会绕过缺陷，甚至还有其他的磁通会脱离对材料的依附，经过空气从而重新衣服材料，在材料的表面形成漏磁场，通过计算机信号处理系统和传感器探测，很快的对壁厚变化和缺陷的相对位置进行检测。在对其进行检测时，在裂纹扩展比较慢的环节的钻具螺纹以及电磁法的伤害是一样的，把钻杆里面的外螺纹进行磁化，并且在漏磁场处的表面铺上一层细微的铁磁粉末时，其表面漏磁场处就会出现吸附磁粉并且产生一定的磁痕，显示缺陷形状。吊卡直台肩处、过渡区域、加厚带这些都属于钻杆端区，因为几何形状具有复杂性，壁厚变化较大，危害性缺陷在内外表面都可能存在，超声波检测是准确检出缺陷的较好方法。
综上所述，钻杆的鼓包缺陷会引发多方面的问题，因此进行石油作业时，对出现的缺陷问题要进行及时的分析，这样才能保证石油作业的效率和安全。
参考文献：
[1]时东生，王朝阳，贺建哲，王智轶，巩文旭.连铸圆管坯穿管内鼓包原因分析与控制[J].天津冶金，2013，S1：30-32.
[2]徐志丹.3A21铝合金-20#钢管件磁脉冲焊接数值模拟与工艺试验[D].哈尔滨工业大学，2013.
[3]赵金，杨碧玉，崔顺贤，袁中华，廖凌.某S135钻杆腐蚀穿孔失效分析[J].石油工业技术监督，2011，07：5-7.
【关键词】 钻杆管；内壁鼓包；形成机理
一、钻杆管概述
钻杆在井下的作业环境十分恶劣，针对其特殊性选择有效的检测方法是十分重要的。在1990年以前很长一段时间内，对钻杆本体的检测几乎为零。进入1990年以后，各使用单位逐渐重视对钻杆本体的全方位检测，实践证明最有效的检测方法就是漏磁检测，其最大特点就是实现检测自动化，检测效率高，能有效检测出钻杆本体的各种缺陷，如管体腐蚀、裂纹、孔洞、麻坑、拉槽、切痕等危害性较大的缺陷。
钻杆管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。钻杆管存放过程中，常会在表面产生蚀坑，从而导致局部应力集中，诱发内壁缺陷的出现而降低极限承载能力，石油钻井的井下失效事故中，钻杆断裂特别是内壁缺陷占了很大比例。为了减少这类事故的发生，对钻杆管内部鼓包缺陷进行检测，可防患于未然。
在钢管成型过程中，产生鼓包最根本的原因是带钢边缘的塑性拉伸超过了该材料的弹性极限延伸率。颜昌茂和李方坡等学者对钻杆刺穿进行分析，认为钻井操作中钻杆发生了横振，导致钻杆承受的弯曲应力及其交变频次增大，使疲劳寿命大幅降低；钻杆内壁腐蚀严重，腐蚀坑底由于应力集中产生疲劳裂纹，加速了腐蚀疲劳进程。本文将在生产后对钢管鼓包形成进行检测和基于该原理所设计的检测系统，利用超声探伤仪和超声测厚仪分别检测了钻管内壁的缺陷、厚度及鼓包，通过金相技术分析鼓包形成与成定减径过程的延伸量关系及非金属夹杂物的位置与鼓包的关系。最后，运用能谱分析确定钻杆管内壁缺陷中的非金属夹杂物的成分含量，让钢液对其进行控制。
二、原因分析
1.鼓包检测与形貌
对含有内壁质量鼓包缺陷的钻杆管经超声探伤仪显示近内壁位置存在纵向缺陷。如图1所示，其根据超声波在通过不同介质的界面时产生反射和折射原理，并对反射和折射波信号进行采集、放大与显示，从而发现了零件内部裂纹或其他隐蔽缺陷。超声波测厚结果表明壁厚长度为4.5～8mm，其通过脉冲发生器，以一个窄电脉冲激励专用高阻尼压电换能器，此脉冲为始脉冲，一部分由始脉冲激励产生的超声信号在材料界面反射，这信号称为始波。其余部分透入材料，并从平行对面反射回来。
将管体剖开后，部分探伤缺陷出现位置存在内鼓包，如图2所示，鼓包纵向长度为1～2mm。
2.金相分析
金相分析就是利用金相显微镜等研究金属因化学成分、冷却速度和热冷处理等因素所引起的内部组织变化及对性能的影响。通过对超声波缺陷标示位置沿纵向切开制取金相样品进行金相分析，结果表明距离内表面位置长度为0～3mm处存在纵向夹杂物，且夹杂物纵向长度为1～1.5mm，分别如图3、图4所示。
3.扫描电镜分析
扫描电镜能谱分析法是测量X射线光量子的能量来确定在激发体积中物质包含什么元素。钻杆内壁的能谱分析位置如图5所示。
通过能谱分析得到在激发体积中物质所包含的元素及其含量如表1所示。
分析结果表明，钻杆内壁的夹杂物主要成分为CaO、Al2O3，还含有少量的MgO和SiO2。其中Al2O3（熔点2050℃）为高熔点难熔氧化物，是以铝酸钙夹杂CaO·2Al2O3（熔点1705℃）存在于钢中。MgO、SiO2夹杂物可能来自于钢液与炉渣的反应或耐火材料的浸蚀。
三、鼓包缺陷形成原因
1.内壁纵向层状缺陷及内鼓包形成过程坯料内部存在非金属夹杂物缺陷，在轧制压力的作用下，脆性夹杂物破碎，塑性夹杂物被压扁形成层状纵向缺陷。轧制时在夹杂物附近产生应力集中，因夹杂物与基体结合力较低，在定减径时缺陷处纵向流动受阻，横向宽展加剧，内表面没有工具限制从而导致鼓包形成。
2.鼓包的形成与定减径过程的延伸量有关，延伸量越大鼓包越容易暴露。生产∮127×9.19mm的管线管，其减径量为62mm，减径量较大，容易将内表面缺陷以鼓包的形式在定减径过程中暴露。
3.鼓包的形成还与夹杂物分布位置有关，非金属夹杂物距离内表面越近，越容易形成鼓包。另外，穿管过程中的金属变形是不均匀的，管坯中心区域在顶头的碾制下变形最大。随着钢管内径不断扩大，管壁变薄，基体中夹杂物与钢管内壁表面的距离逐渐地被缩短，并在内表面附近聚集。由于金属基体与夹杂物之间存在离层现象，在后续轧制过程中，分层金属受轴向摩擦力和碾制力的作用与基体脱离，向管材内孔方向“皱起”，因此就形成了一个个凸起的条状鼓包。
4.金相分析结果表明：当非金屬夹杂物距离内表面长度为1～3mm时不容易形成鼓包；而当非金属夹杂物距离内表面长度为0～1mm时，则容易形成鼓包。这是因为距离内表面越近，引起鼓包形成的临界应力值越小，所以越容易形成鼓包。
四、钻杆鼓包缺陷类型
1.由疲劳导致的鼓包缺陷
产生原因：钻杆的疲劳破坏是疲劳鼓包的发展过程，最后结果是拉断、扭断或刺穿（图1）。漏磁检测曲线特征：内外壁无腐蚀的情况下，在显示器“横向缺陷”栏出现两条并列峰值曲线，灵敏度较高时下沿伴随着草状曲线，幅度不高，在1#、2#“壁厚损失”栏出现波状曲线上窄下宽；在“全长度壁厚”栏出现的曲线呈反方向。
2.管体刺穿（孔洞）缺陷
产生原因：通常在压力的作用下，钻井液通过钻杆管的缝隙，在通过时会因为疲劳产生鼓包现象，高速的流动会进步不使鼓包的地方面积增大，有的甚至出现穿孔现象。漏磁检测曲线的特征主要表现为：在检测孔洞缺陷的时候，全长管体或孔洞缺陷周围会出现较为严重的腐蚀现象，这时，在显示器“横向缺陷”栏中就会出现高低不同的林状曲线，曲线高度的达满幅度为100%。同时，1#和2#“壁厚损失”栏也会出现山峰状的曲线反应，而且其高度达满幅度为80%，在“全长度壁厚”栏也会出现反方向曲线，高度达满幅度为40%。
五、缺陷的检测相关的问题分析
进行检测中，钻广安上的刻槽、划痕等常常出现，因机械磨伤形状与其基本相似，存在的波峰比较尖锐，如果在检测中出现波形较高的情况，其信号值在25以上，就会给内壁造成一定的损失；当波形的振幅比较小时，就会出现连绵的形状，内壁的损失就不会太大，坑洞就不会太深。
通过分析钻杆的结构，采用电磁法对管体的壁厚检测。受到磁化后内外表面的组织状态和缺陷会发生很大的变化，从而导致磁率的变化，磁通在磁路中受到感应也会发生变化，有的磁通会穿过缺陷，而其他的磁通可能会绕过缺陷，甚至还有其他的磁通会脱离对材料的依附，经过空气从而重新衣服材料，在材料的表面形成漏磁场，通过计算机信号处理系统和传感器探测，很快的对壁厚变化和缺陷的相对位置进行检测。在对其进行检测时，在裂纹扩展比较慢的环节的钻具螺纹以及电磁法的伤害是一样的，把钻杆里面的外螺纹进行磁化，并且在漏磁场处的表面铺上一层细微的铁磁粉末时，其表面漏磁场处就会出现吸附磁粉并且产生一定的磁痕，显示缺陷形状。吊卡直台肩处、过渡区域、加厚带这些都属于钻杆端区，因为几何形状具有复杂性，壁厚变化较大，危害性缺陷在内外表面都可能存在，超声波检测是准确检出缺陷的较好方法。
综上所述，钻杆的鼓包缺陷会引发多方面的问题，因此进行石油作业时，对出现的缺陷问题要进行及时的分析，这样才能保证石油作业的效率和安全。
参考文献：
[1]时东生，王朝阳，贺建哲，王智轶，巩文旭.连铸圆管坯穿管内鼓包原因分析与控制[J].天津冶金，2013，S1：30-32.
[2]徐志丹.3A21铝合金-20#钢管件磁脉冲焊接数值模拟与工艺试验[D].哈尔滨工业大学，2013.
[3]赵金，杨碧玉，崔顺贤，袁中华，廖凌.某S135钻杆腐蚀穿孔失效分析[J].石油工业技术监督，2011，07：5-7.