油管疲劳累积损伤的磁记忆检测

　　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(图1和2)。周向失效主要是油管轴向裂纹(图3),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。笔者借助于TSC21M24应力集中磁指示仪对油管进行检测,并对检测结果进行分析。

　　1　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(图4),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。

2　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如图5所示。可见螺纹的牙数对第一扣螺纹的受力状态无实质性改变,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[1],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。