直台阶钻杆磁粉检测技术分析

塔里木油田现有5″直台阶钻杆将近2.8万根，全部是1998年以前购入，从投入使用以来常在台阶根部发生滋漏失效事故，严重影响井队的正常作业。以前一直采用超声波大斜度入射法对钻杆加厚过渡带和焊缝区域进行检测，但不能解决根本问题。这主要是由于钻具老化，另外一方面也说明超声波探伤的局限性，不能完全发现已经出现的疲劳缺陷。后采用了一种新的检测方法。

一、超声波探伤的局限性

　　超声波在钻杆内部传播时由于钻杆壁厚薄不均，且内表面是凸起的圆弧状，使反射波呈发散状，声束发散，声能就降低。超声波检测是依靠声能在缺陷位置产生反射来发现缺陷的，反射声能的强弱显示了缺陷的大小。

　　超声波探伤的理论灵敏度是半波长，对于通常采用的2.5M超声波探头而言，波长为2.36mm，检出缺陷的能力为1.2mm。

　　如果要提高探伤灵敏度则需要提高频率，频率越高，波长越短，超声波的指向性就越好，灵敏度就越高。但波频率越高，越容易产生金属晶粒间的散射和吸收衰减，因此又会影响缺陷的检出能力。

　　目前超声波圆弧探头的人射点和K值都无法准确确定，圆弧面探伤***存在着技术上的难度，因此对检测中出现的回波反射都无法准确定量和***。钻杆加厚过渡带的壁厚在18~20mm，存在着变截面和焊接加工时产生的车削台阶，波形传播和转换复杂，不易区分缺陷波与结构波，也无法判断发现的缺陷是在吊卡台阶根部还是内壁材质缺陷。

　　直台阶钻杆台肩根部圆柱部分长度为130mm，后面是一个变径斜面，斜面与管体轴线存在一个夹角，会影响超声波主声束在管体中的传播角度，无法进行检测。（见图1)探头的长度为70mm，前沿长度为50mm左右。根据超声波正弦定律可计算出55°入射角探头的折射角为75.7°，K值为3.92，采用一次波探伤时检出裂纹的***小深度在12mm以上，对刚萌生的裂纹无法检出。采用二次波检查时由于钻杆加厚部分的结构限制了探头的接触，无法检查。

图1 钻杆吊卡台阶根部超声波探伤示意图

二、新检测方法的理论依据及实际效果

　　针对上述问题，经过对吊卡台阶根部钻杆的失效分析，发现疲劳裂纹的萌生都是在外表面产生的，随着使用时间的延长，裂纹不断扩展，***终导致裂纹穿透管壁，引起滋漏和断裂失效。疲劳裂纹是表面萌生的开口型裂纹，而且钻杆是合金钢，属于铁磁性材料，适合磁粉检测。国外的钻具探伤分级检测标准DS1规定，对于钻杆加厚部位可采用电磁扼和干磁粉进行检查。但是采用电磁扼检测管材，在圆周方向至少需要磁化六次，每磁化一次需要撒一次磁粉，工效太低，而且干磁粉的磁痕不易观察。

　　钻杆吊卡台肩根部出现疲劳裂纹，走向垂直于钻杆轴线，适合于采用线圈纵向磁化探伤，只需要磁化一次，浇一次磁悬液就可完成整个圆周方向的检测。

图2 线圈磁化探伤示意图

　　采用线圈偏心磁化方法连续检测，即边磁化边浇磁悬液。根据偏心磁化空心工件的磁化规范，磁化电流的计算如下

I=45 000/N (L/D）

式中L/D大于15时，按15取，采用的磁化线圈是238匝，所需磁化电流为12.6A。为了提高检测灵敏度，采用荧光磁粉配置磁悬液，利用紫外线观察。通过实验可发现灵敏度试片上的人工缺陷，证明该方法可行。

　　被检测部位应清理干净，可见金属光泽，以确保检测的准确性。每次工作之前必须采用A型灵敏度试片检查磁场强度和磁化规范是否合适。磁化线圈应尽可能靠近检测部位，以提高检测灵敏度。检查时，先用磁悬液润湿待检表面，在通电磁化的同时浇磁悬液，停止浇磁悬液后再磁化数次，待磁痕形成并滞留下来时停电，进行检验。探伤过程中要注意监测磁悬液的污染程度，使用一定时间后，应用梨形沉淀管对磁悬液对比检查污染程度，若污染物浓度超过30％时应重新配置。应防止金属表面划痕产生的磁痕误判为裂纹，在检测过程中可用砂纸打磨后再磁化检查，以辨别是裂纹还是伪缺陷。观察磁痕时如果要吹动磁悬液富集部位，必须在通电磁化的同时进行，否则将会影响检测结果。观察过程中如需转动钻杆时必须保持线圈通电，防止多余的磁悬液覆盖磁痕，导致漏检。连续检测时，线圈连续通电时间不能超过15s，通电时间太长可能导致线圈发热损坏。

三、效果

　　相对于电磁扼磁化检测，此法至少提高速度三倍，而且检测连续，便于观察。现5″直台阶钻杆在用数量仍然较大，每年使用数量在30口井以上，每口井至少要求探伤一次以上。采用新方法检测，可减少重复探伤至少10井次，节约费用15万元。由于钻具检测质量得以保证，可减少更换钻杆5井次，节约运费18万元、重复检测费36万元。直接经济效益为69万元。