浅析荧光磁粉探伤在石油钻具螺纹检测中的应用

胡国伟，苗文凯，孟胜涛

（中国石油集团渤海钻探工程有限公司管具与井控技术服务分公司，天津 300280）

石油钻具在井下工作中具有非常重要的作用，荧光粉探伤在石油钻具检测中应用中也具有十分重要的作用。在实际检测过程中，工序相对复杂，如果操作工人综合素养较差，极易影响其个人身体健康。而检验装置的体积过大，增加了检测的难度，当前阶段荧光磁粉探伤的方法依旧存在一定的不足，在科学技术水平不断发展的背景下，仍需对其进行一定的完善，以进一步保障钻井工作的安全性。

1 石油钻具螺纹检测的必要性

我们在进行石油钻具螺纹检测的分析前，要对石油钻具的组成结构进行了解，针对本文中的分析内容，我们进行探讨的石油钻具为螺杆钻具。螺杆钻具作为钻井的底部马达部位，在钻井效率上起着决定性的作用，首先，石油钻具在与钻机进行连接时使用的是粗牙螺纹，以此建构成整体的钻机设备，这样的设备才能够进行系统的石油开采。当螺杆钻具开始工作时，其高速的旋转会造成多项应力，而这些扭曲应力会集中于一处，我们称为应力集合点，也就是螺纹处。在螺纹结构上，公螺纹台肩承担40%，螺纹尾端承担60%，螺丝与螺母的啮合处承担100%，在这样的强效应力的长期影响下，这些部位极易出现疲劳裂纹，疲劳裂纹是不可逆的，并且当裂纹出现后，会快速向周边扩散，直至钻具断裂，这时就会导致井下施工人员的生命安全受到威胁，并且会造成较为严重的经济损失。例如，我国既往发生的相关事件，2011年塔里木盆地的中古151井、塔中83井的钻具断裂，造成的经济损失高达300多万。其断裂位置距母扣顶端7.61m，同样产生于应力集中点的螺纹处。

对石油钻具的螺纹进行检测，能够将螺纹问题以及存在隐患及时发现，以此将钻具断裂的问题有效避免，保障钻井的效率与经济效益。

2 荧光磁粉探伤在石油钻具螺纹检测中的应用

2.1 检测流程

荧光磁粉探伤法在石油钻具螺纹检测中是一种极其常见的方法，为保障石油钻具螺纹检测的效果，需要进一步优化其检测流程。在检测工作展开之前，作业人员需要对只有钻具进行充分的清理，用角磨机对螺纹位置进行打旧处理，将井下工作中沾粘的泥浆清理干净，对锈渍和被侵蚀部分进行充分清除，使钻具螺纹位置恢复到金属色。做好了清理工作后，摇匀磁悬液，配置好的磁悬液需要以雾状的方式缓慢地喷洒到螺纹周围。如果同时检测的钻具过多，为避免磁粉渗透产生漏检的情况，每喷洒10件螺纹需要对磁悬液进行一次摇匀。

在钻具螺纹检测的过程中，紫外灯也是一项重要设备，作业人员需要利用紫光灯对石油钻具螺纹位置进行观察，最重要的位置是螺纹根部，在观察的过程中距离应控制在10㎝，同时对于石油钻具检测的紫外灯有一定的波长要求，即中心波长为365nm，总体波长取于320～400nm，将其对照石油钻具的螺纹根部，结合荧光显像来进行疲劳裂纹的判定。在使用紫光灯观察的过程中，应避免将其对准皮肤位置或者操作人员的脸部以及眼睛等部位，做好安全防护，如果操作不当会引发烧伤等情况，可利用5～10倍的放大镜对螺纹位置进行观察。

磁痕是判断钻具螺纹是否符合正常标准的依据，使用紫外线灯进行石油钻具的裂痕判定只需要通过颜色判定即可，如果螺纹位置在紫外线的照射下呈现出紫色，说明没有裂痕，如果呈锯齿状或者产生黄绿色荧光亮线，一般可基本判断为存在疲劳裂纹。在检测过程中，对于存在缺陷的钻具螺纹，需要切除疲劳裂纹或者通过机床对其进行修复，在使用砂轮机打磨疲劳裂纹的过程中，原则上是裂纹长度不超过3cm。

2.2 检测关键

2.2.1 磁化控制

荧光磁粉探伤检测法可用剩磁法，为保证将疲劳裂纹完全去除，外加磁场后需要有8000Gs足够剩余磁力，外加磁强度H值在100～120Oe最合适。使用线圈进行磁化的过程中，需要对线圈内产生磁场强度进行计算，参与计算的相关数据为电流强度、线圈匝数、线圈宽度以及线圈半径。荧光磁粉探伤检测控制系统将时序控制、数据采集以及磁化电流控制有机结合，系统硬件主要包括6个部分，PLC、触摸屏、电流采集电路、晶闸管、触发电路以及继电器。其中工作时序控制和磁化电流控制两个部分组成了软件设计，工作时序控制的主要作用是为了满足检测工艺中工作方式的设定，磁化电流以及磁化时间的设定，磁化电流控制过程中采用模糊-PID控制算法。当作业人员设定好磁化或退磁电流后，针对不同的待检工件，需要进行实时采集电流值，经过晶闸管触发电路改变晶闸管的通角，从而达到自动调整磁化电流的目的。

2.2.2 磁悬液

磁悬液的配制要具有一定的科学性。磁悬液品质的稳定性对现有自动化荧光磁粉探伤中的裂纹检测才具有重要的参考价值。磁悬液掺杂的情况下，需要配置好最优的磁粉浓度和品质。在实验检测中，最优荧光磁粉浓度为5mL/L，磁粉浓度变动需要控制在设定值的6%以内，这种情况下，探伤精度和磁痕图像质量最清晰，有利于进一步确保荧光粉探伤检测技术的质量，一定程度上弥补了其检测中的缺陷。

在荧光粉磁粉探伤中，磁痕图像的评价判断受作业人员的主观判断影响较大，目前常规环境拍摄下的磁痕图像是平面成像，裂纹形成的磁痕宽度值与实际宽度值相比明显偏大，而且受制于现有技术发展水平，难以从图像中提取有效的参数。理想情况下，悬浮液配置中理应没有掺杂任何杂质，但是，在实际检测的过程中受外部环境空气对流等因素的影响，磁悬液不可避免地会沾染到非荧光杂质，如果悬浮液中掺杂的物质为非金属粉末杂质对检测结果造成的影响较小，但是如果掺杂了铁磁性金属粉末杂质对磁痕检测的影响较大。

使用荧光粉磁粉探伤的过程中，悬浮液采取循环使用的方式，在使用过程中受空气对流以及钻具杂质的影响会带入一定的粉尘或者金属等杂质，不能确保悬浮液的浓度始终保持在最初调配的数值范围。为保障检测结果的稳定性，需要将悬浮液的杂质的影响降低到最小，这就需要选择合适的方式对悬浮液的浓度进行补偿，结合磁粉和杂质浓度的变化，通过补偿保证悬浮液浓度在理想的范围内，从而提高探伤结果的准确性。

当悬浮液不含有杂质时，石油钻具螺纹裂纹磁痕图像质量最佳，此时荧光粉的浓度在3～4mL/L。作业人员在石油钻具裂纹检测中，可以将以上浓度作为参考标准，如果悬浮液使用多次，对其浓度的检验可通过沉淀法进行检测，杂质浓度小于2mL/L值可应用于检测，大于2mL/L时，需要及时采取补偿措施对其进行调配。在实际检测的过程中，悬浮液浓度值是受到环境影响随机变化的，为提高检测结果的参考价值，需要对悬浮液中各颗粒浓度进行检验。

通常情况下，悬浮液的浓度会发生以下几种情况：第一，随石油钻具螺纹检测数量的增加，浓度持续降低。第二，在多次循环使用的过程中会产生细菌繁殖，进而出现异味，且液体会变的浑浊。第三，石油钻具在作业中会带有一定的杂质以及金属颗粒，如果未清理完全，悬浮液中也会掺杂对应的杂质，对磁痕检测的效果有直接影响。随着科学技术的不断发展，要进一步对当前探伤检测中的缺陷进行弥补，以提高检测结果的参考价值，进一步降低我国石油开采成本，切实提高石油企业的经济效益和社会效益。

2.2.3 荧光磁痕

荧光磁粉检测属于一种物理检测方式，其会受到来自外界因素的影响限制，进而导致检测结果的偏差，为了将检测结果的准确性有效保障，除了要遵循检测流程，还要保障相关的检测人员能够对荧光磁痕进行分辨，以进行针对性的检测。

主要的荧光磁痕有两种类型，一种是疲劳裂纹磁痕，另一种是伪缺陷磁痕。针对第一种疲劳裂纹磁痕，它通常产生于石油钻具的应力集中点，也就是螺纹根部地带，疲劳裂纹的形状通常是由根部起始，之后沿着根部进行扩散，呈现沿晶界断裂的特征，裂痕呈现水平状态，与石油钻具的竖直方向呈现垂直状态，同时疲劳裂纹通常是连续性出现，若裂纹程度较深，磁粉的吸附度就会由中心向外界递减，因而荧光程度也会呈现中心亮、外界暗，并出现端部尖角。若裂痕深度较浅，在1～2mm，那么对于磁粉的吸附会呈现较为均匀的状态，若裂痕深度在0.5mm，那么，对磁粉的吸附能力较弱，整体显示也会较暗，并且吸附较不均匀。

而针对第二种伪缺陷磁痕，这是基于石油钻具螺纹的生产加工技艺导致的，在石油钻具的螺纹生产上，螺纹是由车床进行削切后形成的，这些刀痕在后期进行荧光磁粉探伤时也会对磁粉进行吸附，进而导致其与较浅的疲劳裂纹产生混淆，影响对其的判断，在这点上需要注意，由出厂切削导致的裂痕通常较为整齐，并且呈现不规则性，而疲劳裂纹无法达成这样的效果，此外，疲劳裂痕往往呈现不规则的扩散状态，而刀具切削导致的裂痕较直，且边缘平滑。经由这几项内容，以此将伪缺陷磁痕进行有效分辨，进而在之后的荧光磁粉探伤中避免误判与不必要的操作。

2.3 存在缺陷

当前，荧光磁粉探伤成为我国在石油钻具检测中的一种重要方式，其对于钻具的疲劳裂纹有着极好的判定能力。但是，当前的荧光磁粉探伤技术在石油钻具螺纹检测中还存在一定的缺陷。

首先，检验的程序较为复杂，经由上文中我们提到的使用荧光磁粉探伤技术检测石油钻具螺纹的流程来看，其检测的步骤既多又杂，而繁杂的检测流程对检测人员的专业能力提出了一定的要求，尤其是像紫外灯这一类的工具，操作不当就会对检测人员的身体健康造成影响。

其次，进行检测的仪器设备占用空间较大，不适宜进行随时随地的检测，只能在固定的环境下来进行，并且在进行设备运输时也较为不便，为现场检测提供了难度。

最后，荧光磁粉探伤是在钻具使用后才能进行的，而开采工作自钻机设备组装完毕后开始，当钻井进行到一半时，需要将钻具取出进行荧光磁粉探伤，这无疑延长了钻井开采的时间，并且增加了工作量，造成了一定程度上的资源浪费。

2.4 应用意义

当前，石油开采已经成为世界上衡量各国基础实力的一项重要参照，随着我国技术水平的进步，石油开采工艺也得到了提升与发展，但是，当前我国的石油开采仍旧存在一定的弊端，即对石油钻具的使用。在过去的很多年中，我国的石油钻具制作工艺不够完善，因此，在石油开采上受到外界影响因素较多，而如今，我国的石油钻具已经能够进行自行生产，并且随着开采技术的革新，石油钻具也进行了与时俱进的改良，尤其是针对超深井的开采起着十分重要的作用。

但是，当前的石油钻具使用上仍然存在一些问题，首先，石油开采企业属于营利性企业，其对于经济的需求也较大，因此在开采过程中也要进行成本控制，在这点上，多数的石油开采企业往往在石油钻具已经出现了十分严重的损坏，完全不能使用后才将其进行更换，这无形中增加了石油开采的难度与风险。造成这种现象一方面是石油开采企业的管理不当；另一方面，是对于石油钻具的检测技术不达标。

运用荧光磁粉探伤法，能够将石油钻具中出现的质量问题进行直观判断，进而决定石油钻具是否具备继续使用的能力，在未将荧光磁粉探伤法应用于石油钻具检测中前，我国每年都有因为钻具断裂造成的事故，不仅危害着技术人员的生命健康，也为国家带来了一定的经济损失。而使用荧光磁粉探伤法后，对于石油钻具产生的疲劳裂痕进行了及时有效的察觉，进而避免了由于过度使用造成的寿命缩短，不仅保障了施工安全，也保障了经济成本。

诚然，当前的荧光磁粉探伤法在石油钻具的检测中依旧存在一定的问题，但是瑕不掩瑜，并且在未来我国的技术水平的进步下，这些弊端也能得到很好的解决。例如，CZX-1型荧光磁粉探伤设施，就是技术更新的一种体现。

3 结语

石油钻具在当前的石油开采中占据着重要地位，石油开采的效率极大程度上取决于石油钻具的功能性，荧光磁粉探伤法在保障石油钻具的能动性上有着十分显著的功效，通过本文中分析的内容，对于此项技术的使用必要性以及使用流程、使用意义，相信大家都能全面了解。当前我国的石油钻井技术仍有进步空间，而技术进步的前提就是保障石油钻具的完好，也就是保障荧光磁粉探伤技术的使用。