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东北大学硕士学位论文摘要 抽油杆无损漏磁自动检测系统的研制 摘要 本课题的提出源自我国大庆油田的生产实际。通过对国内、外无损检测技术的研 究、消化和吸收，结合油田实际工况，开发出适用于不同抽油杆规格和要求的多功能 无损漏磁自动检测系统。 抽油杆无损漏磁自动检测系统的研制进一步有效地促进了国内的无损漏磁检测技 术的发展，具有较为实际的意义。抽油杆无损漏磁自动检测系统在实际的使用过程中 表现出了的独特的优越性和广泛的适用性，具有广阔的市场空间和前景。 本文对无损漏磁检测技术进行了详细的阐述、对比和分析，结合对抽油杆的失效 原因、类型及影响因素，以及抽油杆的裂纹信号特征分析的理论研究，特别是通过疲 劳裂纹扩展实验的大量实测数据，制定出具体的抽油杆判废标准。并研制出相应的抽 油杆自动检测设备。 通过分析比较各种常规无损检测方法的优缺点，最终选用了漏磁检测方法。研制 开发了一套基于检测线圈( 磁敏元件) 的中型机电体化的高科技无损检测产品。 在抽油杆裂纹无损定量检测方面，目前国内成功应用于生产实际的抽油杆无损漏 磁定量检测设备并不是很多，大多研究只限于数字方法的模拟和计算。该自动检测线 的研制开发，采用漏磁检测线圈传感器，针对抽油杆的裂纹和腐蚀，这两种抽油杆典 型伤进行采样疲劳实验，并采用较为先进和成熟的算法建立数学模型，进行分析计算。 并结合现代自动控制和电子测量技术，以及上位机( p c ) 、下位机( p l c ) 控制、测 量和信号处理技术等先进技术，进而对上位机软件进行标定，在检测过程中直观地将 检测数据表现出来，具有操作简单，维护方便，自动化程度高，计算机操作界面友好， 显示直观，测量准确，灵敏度高，探伤效率高，探伤成本低的优点。 与以往的无损漏磁检测不同的是，本生产线将对杆体和过渡区的检测功并在一条 生产线内完成。通过上下位机，以及其它控制元件( 如光电开关等) 的联合控制使生 产线机构的动作更加精确，进而使生产线合并成为可能。 关键词：裂纹；漏磁；无损检测；抽油杆 i i - 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o fa u t on d z s y s t e mf o r t h eo i lp u m p i n gr o d s a bs t r a c t t h es u b j e c ti sp u tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h ea c t u a lw o r k i n gr e q u i r e m e n t s , a n do u r m a j o rt a r g e ti st r yt oe x p l o r et h em u h i f o n c t i o n a la u t on d ，t ls y s t e mf o rt h ed i f f e r e n tk i n d s o ft h eo i lp u m p i n gr o d sa c c o r d i n gt or e s e a r c ho ft h en d t t e c h n o l o g yo v e r s e a sa n d i n t e r i o r i t ss i g n i f i c a n c ei nb o t ht h et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a la s p e c t sf o rt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t so fa u t on d t s y s t e mf o rt h eo i lp u m p i n gr o d s f o ri t sa c t u a ls u p e r i o r i t y a n dt h ew i d e l ya p p l i c a b i l i t y , t h ea u t on d t s y s t e mi sd e e p l yn e e d e de s p e c i a l l yi nt h e d o m e s t i cm a r k e t ，a n dw ec o u l de a s i l ye x p e c ti t se x c e l l e n tf u t u r e d u r i n gt h er e s e a r c ha n dd e v e l o pc o u r s e ，w eh a v ed o n et o t a l l yt h r e em a j o rt a s k s ，f i r s t l y , w en e e dt oc o m p a r el o t so ft h ed i f f e r e n ts o r t so ft h en d t t e c h n o l o g i e s ，a n dc h o o s et h e m o s ts u i t a b l en d t t e c h n o l o g yf o rt h ea c t u a lw o r k i n gr e q u i r e m e n t s s e c o n d l y , w ef u r t h e r o u rr e s e a r c hi nt h ef a c t o r ss u c ha st h ea f f e c t i n gr e a s o n s ，t y p e so ft h ec r a c k so ft h eo i l p u m p i n gr o d s ，a n dd i dl o t so fa n a l y z i n ga b o u tt h es i g n a t u r ef e a t u r e so fi t w i t ht h ef a t i g u e m e a s u r e m e n t sa n ds o m ev a l u a b l ed a t a ，w eg o tt h er u l e sf o rt h ec r a c kt e s t i n go ft h eo i l p u m p i n gr o d s 。a n df m a l l yd i ds o m ed e v e l o p m e n t sf o rt h ea c t u a la u t on d ，te q u i p m e n t s c o m p a r i n gt h em e r i t sa n dd e m e r i t so ft h ed i f f e r e n tk i n d so ft h en d t t e c h n o l o g i e s ， w ef i n a l l yc h o o s et h et e s t i n gm e t h o do fm a g n e t i cf l u xl e a k a g e ，a n dd e v e l o pt h ea u t on d t s y s t e mf o rt h eo i lp u m p i n gr o d su s i n gt h ed e t e c t i n gm a g n e t i cc o i l w i t hs om a n yh i g h s c i e n t i f i ca n dt e c h n i c a lp a y o f f s t h ea u t on d ts y s t e mi st h em e d i u mi n t e g r a lm e c h a n i c a l a n de l e c t r o n i ce q u i p m e n t s a sf a ra sw ek n o w , t h e r ea r ef e we q u i p m e n t su s i n gm a g n e t i cf l u xl e a k a g en d t t e c h n o l o g y , f o rt h ec r a c k so fo i lp u m p i n gr o d s m o s tr e s e a r c h e sa r el i m i t e di nd i g i t a l a n a l o g u ea n dc a l c u l a t i o n t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t so ft h ea u t on d t s y s t e m e s p e c i a l l yc h o s et h ed e t e c t i n gm a g n e t i cc o i l ，w h i c hi so n eo ft h em o s tm a t u r ed e t e c t i n g f a c i l i t i e s ，d i dal o to ff a t i g u ee x p e r i m e n t sa g a i n s tt h ef e a t u r e so ft h ec r a c k so ft h eo i l i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t p u m p i n gr o d s ，a n dc r e a t em a t h e m a t i cm o d e l s ，d i dt h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n w ea d o p t e d t h em o d e ma u t o m a t i cc o n t r o la n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g i e s i nt h eh a r d w a r ea s p e c t s ，w e c h o s et h ep ca n dp l c ，f o rt h ea u t o m a t i cc o n t r o l ，t e s t i n ga n ds i g n a lp r o c e s s i n g a n dw eu s e t h ev j i s u a lb a s i c ( m ss o f t w a r e ) ，t oo f f e ra o p e r a t i o ni n t e r f a c e ，w h i c hc a l ls h o wu st h e r e s u l t so ft h et e s t i n ge a s i l y , o b v i o u s l y , f r i e n d l y a n dw ec a l le a s i l yf m dt h a tm e r i t so fo u r a u t on d t s y s t e m ，s u c ha sa c c u r a t em e a s u r e ，h i g hs e n s i t i v i t y ，e a s ym a i n t e n a n c e ，l o wc o s t a n ds oo n o u re q u i p m e n t sa r ea l s od i f f e r e n tf r o mo t h e rn d t s y s t e mi ns o m ea s p e c t s w e m e r g et h et e s t i n go ft h er o db o d ya n di n t e r m e d i a t ez o n e ，t w od i f f e r e n tp a r t st o g e t h e gu s i n g t h em o d e m e q u i p m e n t ss u c ha st h ep h o t o e l e c t r i cs w i t c h e s ，p l ca n ds oo n k e yw o r d s ：c r a c k ；m a g n e t i cf l u xl e a k a g e ；p u m p i n gr o d ；n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g 一 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：石比隽铙乡 日期：2 肋石、7 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无损检测技术【1 j 无损检测( n o nd e s t r u c t i v et e s t i n g ，简称n d t ) 技术，又称非破坏检测技术，是 第二次世界大战后迅速发展起来的一门新兴的工程科学。它是利用物质中因为存在缺 陷或组织结构上的差异而使表示其某些物理性质的物理量发生变化的现象，以不使被 测物的使用性能及形态受到损伤为前提，通过一定的检测手段来测量、显示和评估这 些变化，从而了解和评价材料、产品、设备构件直至生物等的性质、状态或内部结构 等等。它最突出的特点是“无损伤”，因此在工业生产、物理研究、生物工程以及医疗 诊断等广大领域获得极大的重视和迅速发展，在质量保证体系中占有相当重要的地位， 是现代工业产品的制造和使用过程中不可或缺的测试技术之一。 在抽油杆检测领域，目前无损检测的方法很多，常用的主要有：磁粉检测( m t ) 、 超声波检测( u t ) 、漏磁检测( p t ) 、射线检测( r t ) 、涡流检测( e t ) 等5 种常规检 测方法，此外还有一些新型技术，如激光照相检测、声振检钡8 、红外检钡4 和声发射检 测。 磁粉检测是先对被检测工件进行磁化，使缺陷处产生漏磁场，然后把磁粉喷涂到 被检测件表面，缺陷即可通过磁粉的分布显示出来。磁粉检测法很大程度上依赖于检 测人员的经验，无法实现定量分析。 超声检测法是用一个超声探头对检测工件发射超声波，当超声波到达工件界面时， 一部分超声波就会被反射回来，反射回来的超声波被接收装置接收，如果抽油杆中有 缺陷，缺陷的界面同样会反射超声波，这样通过接收的超声波就可以判断出是否有缺 陷，以及缺陷的大小。所以超声检测法也可以检测出各种缺陷，而且还可以测出管壁 厚度，也是一种普遍使用的无损检测方法。 液体渗透检测的基本原理是由于润湿作用和毛细现象渗透液进入位于工作表面的 缺陷，随后被吸附和显像，然后借助一定的物理观测设备观察缺陷所产生的图像，从 而进行缺陷的判别。渗透检测原理简单，操作容易，方法灵活，适用性强，可以检测 各种材料。且不受工件几何形状、尺寸大小的影响，是较早使用的无损检测方法之一。 但是运用渗透检测法只能检测到材料和构件中开口在表面的缺陷，对隐藏于内部的缺 陷此种方法无能为力，另外此种方法也不适用于检测多孔性材料或多孔性表面缺陷， 因为缺陷显示的图像难以判断。 一1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 射线检测法是用x 射线对检测工件进行透射，然后用胶片采集射线，使用图像处 理技术对被检测工件的缺陷进行判别。射线检测法对管道的内部缺陷有检出能力，但 操作复杂而且缺陷类型判定繁琐，最主要的是射线的散射不易控制，易发生泄漏。 涡流检测法是用一个高频振荡器供给激励线圈励磁电流，并在被检测工件周围形 成励磁场，该磁场在被检测工件中感应出涡状电流，涡电流又产生自己的磁场，磁流 磁场中包含了被检测工件物理状况的各种信息，通过检测线圈把涡流信号检出进行判 断。涡流检测对于许多因素都很敏感，信号的分析处理比较复杂，而且检测灵敏度随 着缺陷的埋藏深度的增加而降低。涡流检测法主要用于检测管道表层缺陷，如要检测 管道内部缺陷，需从管道内部穿过，结构较为复杂。 漏磁检测方法是利用磁敏元件拾取裂纹缺陷扩散漏磁信号的方法来提取裂纹缺陷 信息的。当被检抽油杆表面或者内部有裂纹缺陷时，缺陷附近存在扩散漏磁，漏磁的 磁参量与缺陷的状态具有一定的对应关系，因此可利用磁敏元件检测扩散漏磁，从而 将磁参量的变化转化为电信号，再由计算机进行处理判断，从而确定缺陷状态。这种 检测方法具有结构简单，且对被检抽油杆表面缺陷具有较高的灵敏度和分辨率。 1 。2 漏磁检测技术及国内外现状刚】 1 2 1 漏磁检测技术 铁磁性材料在磁场中被磁化时，材料表面或近表面存在的缺陷或组织状态变化会 使磁导率发生变化，即磁阻增大，使得磁路中的磁通相应发生畸变，除了一部分磁通 直接穿越缺陷或在材料内部绕过缺陷处，还有一部分磁通会离开材料表面，通过空气 绕过缺陷再重新进入材料，从而在材料表面的缺陷处形成漏磁场。使用特殊的测磁装 置( 例如磁带、检测线圈、磁敏元件等) 探查并记录漏磁通的存在来达到检测目的， 则称为“漏磁检测”技术。“磁粉探伤”技术也属于漏磁检测的范畴。漏磁检测法具有 很高的检测速度，对于金属材料，它不仅能提供金属材料表面缺陷的信息，还能提供 材料裂纹深度等相关信息。目前漏磁检测技术已被广泛应用于油气管道、储油罐罐底 的腐蚀检测和钢丝绳、钢板、钢块等铁磁材料的无损检测中。漏磁检测技术的主要特 点有； ( 1 ) 对各种损伤均具有较高的检测速度，如铁磁材料表面，内部裂纹以及锈蚀 等均可获得满意的检测效果。 ( 2 ) 探头装置结构相对简单，易于实现，成本低且操作简单。 ( 3 )由于磁性的变化易于实现在线实时检测，磁场信号受被测体表面污染状态 一2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的影响相对较小，进行检测时对被测材料表面的清洁度要求相对较小，因此将相对提 高检测效率，减小工作量。 1 2 2 国内外现状 漏磁检测技术在无损检测领域得到了广泛的应用，如对钢丝绳、密封铁容器、管 道等，都可用漏磁检测技术进行可靠检测，国际上已确立了“i s o9 5 9 8 无缝和焊 接铁磁性压力钢管横向缺陷的全周传感器和漏磁探伤( t c l 7 ) ”和“i s 0 9 4 0 2 无缝 和焊接铁磁性压力钢管纵向缺陷的传感器和漏磁探伤( t c l 7 ) ”2 项标准。国外的研 究早于国内，且已经进入到了实用阶段。如美国t u b e c o p ev e l c o 国际公司开发了 w e l l e b e c k 井口探测系统，这种新式探测系统运用漏磁监测技术，能可靠地探测到管材 内、外壁上的腐蚀坑，横向伤痕和其它损伤，先进的微处理技术与使用的射线技术相 结合，可测量管壁的磨损和腐蚀：i c o 公司的e m i 漏磁探伤系统通过漏磁探伤部分来 检测管体的横向和纵向缺陷，壁厚测量配合先进的超声波技术使用固定式探头来进行， 可提供完整的现场探伤，即使在恶劣的施工环境中也可以提供可靠、准确的测量结果。 德国的r o s e n 检测技术公司开发的一种用于连续油管自动检验与监测的实时检测装 置，这个装置可对连续油管进行监测，从而可以检测出油气管道中的缺陷，加拿大等 国对漏磁检测法也有了相应的应用研究，但是对这方面技术实行垄断。 我国在漏磁无损检测领域的研究起步较晚，从9 0 年代初期才开始对漏磁检测进行 研究。近年来我国有很多大学和研究所在这方面进行研究并已经取得了很大的进展。 我国冶金部标准信息研究院于1 9 9 8 年1 1 月在南京航天航空大学主持审定“钢管漏磁 探伤方法”国家标准，促进了对该技术的研究和开发。国内有：中原油田钻井机械仪 器研究所综合研究室经过几年来的探索研究，并在大量试验的基础上，开发出了抽油 杆井口无损检测装置，抽油杆地面检测装置和油管现场检测装置，该装置采用漏磁检 测法，以永磁材料为磁化体，用霍尔集成电路为检测元件，根据油管的缺陷特征，运 用局部缺陷检测法和截面积损耗检测法，并引用聚磁技术，不但能对油管内外壁裂纹、 蚀坑、损伤等进行检测，还能对油管内外壁偏磨进行检测。 中国技术大学( 北京) 科学钻探国家专业实验室于1 9 9 9 年底结合科学钻探施工钻 柱探伤状况检测技术实验研究专题项目对漏磁法无损探伤进行了初步实验研究，采用 h m c l 0 0 1 一维强磁金属薄膜磁阻传感器作为漏磁检测元件，并检测到了宽l m m ，深 2 m m 的预制裂纹。 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 课题背景及意义 随着油田的不断开发，抽油机井采油工艺技术已占主导地位。但是由于抽油机井 采油工艺的特殊性，使井内抽油杆长期在交变载荷下工作，加之抽油杆超期服役、井 内液体腐蚀、作业施工起下杆柱，造成抽油杆断裂，影响抽油机井正常生产。根据采 油七厂和萨南油田1 9 9 8 至2 0 0 1 年8 0 3 1 井次，抽油机井检泵情况的调查发现，因抽油 杆断裂7 9 5 井次，占统计井数的9 9 。因此，针对抽油机井抽油杆损坏的严峻现实， 开展抽油机井的抽油杆判废技术研究，制定合理的判废标准，对指导今后抽油机井抽 油杆的更新、修复工作有着极其重要的指导意义，是提高油田开发整体经济效益的重 要课题。 由于抽油杆断裂是抽油机井杆失效的主要原因，近年来，国内外对抽油机井抽油 杆失效的机理及预防措施的研究都做过较系统的研究，对于杆失效及预防措施均取得 了一定的认识和研究成果，但是对于下井使用过的旧抽油杆修复后的剩余使用寿命， 以及旧杆的判废标准仍然还未形成一套较为完善、合理的检测和判废标准。同时抽油 杆在使用过程中，长期承受交变载荷的作用，杆体表面横向裂纹的形成和扩展速度直 接关系着抽油杆使用寿命。由于使用年限及油井条件等原因，抽油杆杆体断裂事故日 见频繁。采油七厂年杆断井达到7 5 口井，作业成本3 1 5 万元。由于依靠肉服观察和经 验判断，一方面造成旧杆的大量淘汰，另一方面却无法有效淘汰“真正危险”的抽油 杆。因此，对在用油管、抽油杆进行作业现场定量检测与报废，对减少抽油杆断脱事 故、降低成本具有十分重要的意义，为此我们提出开展抽油机井抽油杆判废技术及相 应自动检测线的研制相关课题。 4 东北大学硕士学位论文第二章抽油杆无损漏磁检测技术 第二章抽油杆无损漏磁检测技术 2 1 漏磁检测的基本原理 2 1 1 磁性 天然磁铁( 磁石) 能吸引铁、钴、镍等物质的这种性质，称为磁性。铁、钴、镍 以及某些合金，都能被磁铁所吸引，这些物质称为铁磁质。当磁介质放在磁场中时， 由于磁场的作用而处于一种特殊的状态，称为磁化状态。所有的物质都能被磁化，但 各种物质的磁化程度却有很大的差异。实验证明，就磁性来讲，物质可以分为三类： 一类为顺磁质，例如锰、锣、氮、氧等；一类为抗磁质，例如水银、铜、铋、硫、氯 等；第三类为铁磁质，有铁、钴、镍以及这些金属的合金等。铁磁质所表现出来的磁 性叫做铁磁性。铁磁质具有很大的磁导率，在外磁场的作用下，铁磁质中将产生与外 磁场同向的、量值很大的磁感应强度。不仅如此，铁磁质还具有以下两个特性： ( 1 ) 铁磁质的导磁率( 以及磁化率) 不是恒量，而是随所在处的磁场强度而变 化，且有较复杂的关系。 ( 2 ) 在外磁场撤出以后，仍能保留部分磁性。 2 1 2 漏磁检测基本原理【5 】 在磁导率不同的两种物质的界面上，磁力线的方向会发生改变，这与光和声的折 射相似，称为磁力线的折射。若两种介质的磁导率相差悬殊，例如铁和空气，磁力线 折射进入空气后几乎垂直于界面，从而引起磁场路径的改变，导致部分磁通量泄漏于 铁磁金属的表面，形成漏磁场。漏磁无损检测法就是通过检测被磁化的金属表面溢出 的漏磁通来判断是否有缺陷存在。如果铁磁性材料的表面光滑、无裂纹、内部无缺陷 或夹杂物，将此材料磁化后其磁力线在理论上是全部通过由铁磁性材料构成的磁路， 如图2 1 所示： 5 东北大学硕士学住论文第二章抽油杆无损漏磁检测技术 图2 1 无缺陷磁路 f i g2 1 n od e f e c tm a g n e t i cc i r c u i t 如果存在缺陷，经过磁化后，材料表面或近表面存在的缺陷或组织状态变化会使 磁导率发生变化，即磁阻增大，使得磁路中的磁通相应发生畸变。由于铁磁性材料与 缺陷处介质的磁导率不同，缺陷处的磁阻大，在磁路中可以视为障碍物，所以磁通会 在缺陷处发生畸变，如图2 2 所示： 图2 2 有缺陷磁路 f i g2 2d e f e c tm a g n e t i cc i r c u i t 2 2 抽油机井油杆判废技术研究 2 2 1 抽油杆相关介绍f 8 , 9 有杆抽油是世界石油工业传统的采油方式之一，也是迄今在采油工程中一直占主 导地位的人工举升方式。在我国各油田的生产中大约有8 0 是使用有杆抽油技术。全 国各油田产液量的6 0 、产油量的7 5 是靠有杆抽油采出的。有杆抽油设备的能耗己 占油田总能耗的三分之一左右。由于我国各油田每年要有几千新井投入生产，连同已 有装备的更新，每年需要新增几千台抽油机，成万台抽油泵，上千万米抽油杆和相应 的辅助工具。有杆抽油技术在我国石油开采中占重要地位。 有杆抽油设备由三部分组成：一是地面驱动设备即抽油机，目前应用最为广泛的 是游梁式抽油机；二是井下的抽油泵，他悬挂在油管的下端；三是抽油杆柱，它把地 面设备的运动和动力传给井下抽油泵。除以上三个主要组成部分外，就有杆抽油系统 6 东北大学硕士学位论文第二章抽油杆无损漏磁检测技术 而言，还应包括用于悬挂抽油泵并作为液体通道的油管柱、油套管环行空间以及井口 装置等。 捷浊抒是有杆拯浊设备的重要部件。抽溜杆组成的抽油杆柱将地面抽油机的能量 传到地下，带动井下抽油泵工作。它是由接箍联接的单个抽油杆组装而成的。在工作 的时候抽油杆在油管中做上下往复运动，是具有镦粗端部的圆断面钢杆。 普通抽油杆如图2 3 所示： 图2 3 抽油杆简图 f i g2 3t h eb r i e f g r a p ho f t h eo i lp u m p i n gr o d 其杆头结构如图2 4 所示。其杆体是实心圆形断面的钢体，两端为镦粗的杆头。 杆头由外螺纹接头、卸荷槽、推承面台肩、扳手方颈、凸缘和圆弧过渡区组成。外螺 纹接头用来与接箍相连接，扳手方颈用来装卸抽油杆接头时卡抽油杆钳用。 图2 4 抽油杆杆头简图 f i g2 4t h eb r i e fg r a p ho f t h eh e a do fo i lp u m p i n gr o d 图2 4 中，1 为外螺纹接头，2 为卸荷槽，3 为推承面台肩，4 为扳手方颈，5 为 凸缘，6 为圆弧过渡区。 g b 7 2 2 9 8 7 抽油杆及其接箍规定，抽油杆的杆体直径分别为1 3 ，i 6 ，1 9 ， 2 2 ，2 5 ，2 9 m m ，抽油杆的长度一般为8 0 0 0 m m 或7 6 2 0 m m 。为了调节抽油杆的长度， 还有长度各为4 1 0 ，6 1 0 ，9 1 0 ，1 2 2 0 ，1 8 3 0 ，2 4 4 0 ，3 0 5 0 ，3 6 6 0 m m 的短抽油杆。 a p is p e c1 i b 抽油杆规范和g b 7 2 2 9 - - 8 7 将普通抽油枵分为c 级、d 级和k 级三个等级。c 级抽油杆用于轻、中负荷的油井，d 级抽油杆用于中、重负荷的油井， k 级抽油杆用于轻、中负荷并有腐蚀的油井1 5 1 。 c 级、d 级和k 级抽油杆分别采用碳钢或锰钢，碳钢或合金钢，镍铝合金钢，一 7 东北大学硕士学位论文第二章抽油杆无损漏磁检测技术 般经镦锻、整体热处理、外螺纹滚压：0 n y _ 、喷丸强化、油溶性涂料防护等工序，使其 获得一定的抗疲劳或抗腐蚀疲劳性能。 抽油杆的断脱会造成油井停产，必须进行井下修理。抽油杆最常见的事故是杆体 和丝扣的断裂，抽油杆的发生断裂的主要原因是抽油杆材料本身含有冶金缺陷和夹杂， 以及抽油杆热处理不规范形成金相组织不正常，使服役中的抽油杆在交变应力作用下 产生疲劳裂纹。疲劳裂纹在交变应力作用下扩展到临界状态时就产生疲劳断裂。 抽油杆最主要的性能要求是抗疲劳性能或抗腐蚀疲劳性能。a p is p e c1 1 b 和g b 7 2 2 9 8 7 对抽油杆的原材料质量、锻造质量、热处理质量和杆头机加工质量提出了明 确的要求。这些质量要求是为了保证抽油杆具有一定的抗疲劳或抗腐蚀疲劳性能。 为了提高抽油杆的抗疲劳性能，人们不懈地研究抽油杆的新材料、新工艺和新结 构。在分析新型抽油杆性能时，最重要的是对比新型抽油杆和普通抽油杆的抗疲劳性 能或抗腐蚀疲劳性能，通常要进行标准试样和实物试样的疲劳对比实验。首先要寻求 光滑疲劳试样和缺口疲劳试样在不同介质下的拉伸或旋转弯曲s - n 曲线。由于抽油 杆的赶体是轧制状态，8 5 以上的外表面是非加工表面，因此，需要进行缺口试样的 疲劳实验，以分析抽油杆用材的缺口敏感性。实验介质通常选用空气、水和3 5 n a c l 水溶液，特殊情况选c o ，或h ，s 。接着要进行短抽油杆在不同介质下的实物疲劳试验。 由于短抽油杆的加工条件基本上和正式产品相同，其疲劳试验结果比较真实地反映了 抽油杆产品的疲劳性能 8 l 。 2 2 2 抽油杆失效类型及其影响因剥1 0 】 机械产品在使用过程中，由于种种原因失去了它原有的功能，从而造成了不同程 度的损失。按照国际通用的定义，“产品丧失其规定功能的想象称为失效”。 任何机械产品失效总是从某些零件的最薄弱部位开始，而且在失效的部位保留着 失效过程中的信息。通过对失效件的分析，明确失效类型，找出失效原因，采取改进 和预防措施，防止类似的失效在设计寿命内发生，从而使产品质量得到提高，以达到 失效分析的目的。 开展抽油杆的失效分析，建立各油田抽油杆失效分析数据库，分析失效的原因， 采取改进和预防措施，不断完善抽油杆的使用和管理制度，这也是提高抽油杆科学使 用水平的一项重要措施。 国内外机械采油工程技术人员和工人在生产时间中，不断总结经验，提出了许多 抽油杆防断脱措施，使抽油杆的科学使用水平不断提高。 在长期的上下往复运动中，抽油杆和接箍的失效有两种类型：一种是断裂，既在 r 东北大学硕士学位论文第二章抽油杆无损漏磁检测技术 抽油杆柱的某个截面发生断裂；另一种是脱扣，这是由于接头的螺纹连接松动，使抽 油杆与接箍脱开。 抽油杆失效可能是由一个因素引起的， 杆失效分析工作者经过全面地观察、收集、 引起抽油杆和接箍失效的原因归纳为 研： 也可能是几个因素共同作用的结果。抽油 判断可能导致抽油杆失效的各种原因，把 ( i ) 抽油杆外螺纹接头断裂的原因主要为：预紧力过大或不足；材料缺陷或热 处理质量不符合要求；螺纹加工质量差，台肩端面与外螺纹中心线的垂直度误差大； 抽油杆台肩侧面与接箍端面接触不紧密，流入井液，引起腐蚀和载荷超载等。 ( 2 ) 扳手方颈区断裂的原因为：由于锻造缺陷引起，危害最大的是折叠和裂纹； 扳手方颈两端过渡圆角太小，应力集中引起和机械损伤等。 ( 3 ) 熟影响区断裂的原因为：晶粒粗大，表面存在残余拉应力；锻造后在热影 响区的杆体上有压痕或局部直径变小；锻造加热温度太高，产生过热组织；杆头弯曲， 包括制造过程中和使用磨损严重的吊卡引起的杆头弯曲。 ( 4 ) 杆体断裂的原因为：由于制造、运输和储存过程引起弯曲；使用中杆体弯 曲：材料缺陷或热处理质量不符合要求；表面刻痕、凹坑引起应力集中；抽油杆柱设 计不正确，部分抽油杆超载；腐蚀。 ( 5 ) 抽油杼接头脱扣的原因为：抽油杆台肩侧面和接箍端面的垂直度不符合要 求；预紧力不足；装配前没有将抽油杆外螺纹接头和接箍清洗干净；选用的螺纹润滑 剂不合适；液击、撞泵的冲击载荷的影响；悬绳器的扭摆；抽油系统的振动；抽油杆 柱下部弯曲。 ( 6 ) 接箍断裂的原因：接箍与油管摩擦；预紧力不足；材料缺陷或热处理质量 不符合要求；表面刻痕、凹坑引起应力集中；内螺纹牙底形状不佳，引起应力集中； 腐蚀等。 2 2 - 3 抽油杆判废技术初步研究1 4 1 在抽油机井油杆判废技术课题研究上，首先针对油田近几年来抽油机井油杆失效 断口和井口实测载荷进行了统计和分析，发现抽油杆的失效都是由于长期受交变载荷 而发生的疲劳断裂，为此以不同载荷下裂纹扩展速率为研究对象，借助抽油杆材料金 相组织分析、断口的电镜观察和大量的疲劳寿命实验，研究建立剩余寿命预测模型， 建立抽油杆判废标准，依据此标准，采用无损漏磁检测方法，研制抽油杆无损漏磁检 测设备。 ( 1 ) 断口分析 q 东北大学硕士学位论文第二章抽油杆无损漏磁检测技术 为明确抽油杆断裂主要形式，明确判废技术研究方向，分别对现场断裂的抽油杆 进行了宏观和微观的断口综合分析。结果表明，宏观上抽油杆断裂存在静载荷拉断、 疲劳断裂两种断裂形式，根据现场断裂抽油杆统计表明，主要以疲劳断裂为主，占总 数的9 5 。通过扫描电镜观察，抽油杆在循环载荷的作用下，从微小裂纹逐步扩展， 最终造成疲劳断裂。 ( 2 ) 金相组织分析 通过选取9 根抽油杼，计1 8 个试样进行了金相组织分析，分析结果表明，金相观 察过程发现有杂质存在，旧杆存在潜在的疲劳裂纹扩展源。另外，部分热处理后没有 达到标准的金相组织结构，也是影响抽油杆寿命的重要因素。 ( 3 ) 材质分析 根据分析结果表明，抽油杆材质有3 5 c r m o 、3 5 m n ，、4 0 m n b 等，现场在用的抽 油杆材质具有多样性。 2 3 抽油杆裂纹信号特征分析及检测设备的研制 2 3 1 抽油杆裂纹信号特征分析【1 2 1 3 1 抽油杆是在油田非自喷采油工程中大量使用的关键部件，抽油杆反复承受着拉力 与压力的交替作用，在使用一段时间以后，将会因疲劳产生裂纹。若不能及时发现这 些裂纹，将会发生抽油杆在井下断裂的事故，造成巨大经济损失，甚至会造成整口油 井报废，因此对抽油杆的裂纹进行检测，成为当前急需解决的问题。 抽油杆表面缺陷，尤其横向裂纹是造成其疲劳断裂的主要原因之一。由于漏磁检 测具有灵敏度高、不受检测速度及抽油杆表面污物的影响、系统构成简单，并可检测 内部缺陷等特点，因此本抽油杆裂纹检测系统中采用漏磁检测的方法。 根据漏磁检测原理，在抽油杆的被检测段被外加磁场磁化至饱和后，若在这一被 检测段存在缺陷，则在这一缺陷附近材料局部的磁阻增加而使该处的磁导降低，其结 果是在缺陷附近将产生一个扩散的漏磁场。在漏磁场处用磁敏元件就可以将该漏磁场 检测出来，进而根据检测到的信号波形判断抽油杆上缺陷的类型。 根据漏磁检测法检测到的抽油杆的典型缺陷信号，如图2 5 所示。由图中可以看出， 抽油杆损伤信号为单边脉冲形式，干扰信号由抽油杆表面腐蚀坑、抽油杆在检测中的 摆动和电源产生。 1 0 东北大学硕士学位论文第二章抽油杆无损漏磁检测技术 图2 5 抽油杆裂纹信号 f i g2 5t h es i g n a lo f t h ec r a c ko f o i lp u m p i n gr o d 抽油杆表面的腐蚀坑和鼓包产生的信号相对于裂纹幅值要小得多；抽油杆在检测 中得摆动造成的干扰信号则要比裂纹信号宽得多，属于低频信号，并且幅值也较小； 电源干扰是由于漏磁场检测元件的供电电源采用了计算机提供的直流电源而产生的， 通过对信号作频谱分析，可发现电源干扰信号的频率在4 7 5 3 h z 之间，属工频干扰。 通过对抽油杆检测信号进行的特征分析，就可以设计出一定的相应硬件处理办法， 从而将抽油杆上的裂纹信号较为准确的采集出来，并在上位机进行相应的显示、计算。 2 3 2 疲劳裂纹扩展期剩余寿命相应计算及研究1 4 在接下来的一节中，将简略介绍一下抽油杆疲劳裂纹扩展期剩余寿命的相应计算 及研究。 2 3 2 1 疲劳裂纹扩展速率实验 根据厂方提供的试样( 3 5 c r m o 钢的d 级抽油杆) ，选取5 个试样进行了疲劳裂纹 扩展试验。试验在中科院金属研究所进行。 ( 1 ) 试样型式及试验条件 试样形式为单边缺口拉伸试样，尺寸为2 5 2 0 2 2 0 r a m ，预制裂纹深度为l m m 。 试验在德国申克疲劳试验机上进行。 试验环境为室温大气条件。试验的载荷为：p m a x = 1 0 k n ，p m i n = 一2 5 5 k n ， r = 一0 2 5 ，f = 4 0 h z 。 裂纹扩展试验以如下形式进行：循环到规定次数后，用5 0 x 显微镜观察裂纹长度。 ( 2 ) 试验结果 试件疲劳裂纹扩展试验结果列于表2 1 。 东北大学硕士学位论文第二章抽油杆无损漏磁检测技术 表2 1 试件疲劳裂纹扩展试验结果 t a b l e2 1t h er e s u l t so f t h ef a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o ne x p e r i m e n t so f t h es a m p l i n go i lp u m p i n gr o d s 得到裂纹长度a 与循环次数之间的关系如图2 6 所示，其曲线方程为： d = l x l 0 1 4 n 3 2 2 4 4 3 3 x 1 0 。9 n 24 - 2 8 3 0 2 9 9 1 0 。n 一1 0 4 8 9 3 2( 2 一1 ) 一r 亘7 量： l 岳 f i ： 0 妁 强 i 夕 ， 5 0 0 0 c1 0 0 0 1 ) 。i 5 0 0 0 00 0 e 0 0 02 5 0 0 0 e n ，n u r n b e r 口f 带h s 图2 6 疲劳裂纹扩展曲线 f i g2 6t h ec u r v eo f t h ef a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o n ( 3 ) 裂纹扩展速率的材料常数计算 单边缺口拉伸试样的应力强度因子k 的表达式为： a k = 【p 4 ；( b w ) 】，) j ( 2 2 ) 其中： y 0 w ) = 1 9 9 0 4 ：( e t w ) + 1 8 7 w 芦一3 8 4 8 ( a w ) 3 + 5 3 8 5 w w ) 4 ( 2 3 ) ( 2 2 ) 、( 2 - 3 ) 式中：p 为载荷；a 为试样厚度；b 为试样宽度；w 为试样宽度； s 为跨距。 由求出的一组数d a d n - 一k ，在反对数表l g d a d n - - l g k 描点可画出裂纹扩展第1 i 阶段的直线( 图2 ，7 ) ，其表达式为： 以字= l g c 十m g a k c l n ( 2 4 ) r ，4 、 1 2 东北大学硕士学位论文第二章抽油杆无损漏磁检测技术 它是p a r i s 指数方程( 鱼d n = c ( _ ) “称为p 撕s 公式，疲劳裂纹扩展速率表达式除 p a r i s 公式外，还有其他一些表达式，但p a r i s 公式形式简单，偏于安全，工程中较为 常用) 取对数后的形式，式中m 是直线的斜率；l g c 则是直线在纵坐标轴上的截距， 查反对数表后既得c 。这样通过实验测出了描述裂纹扩展速率的材料常数c 和i n ，如 表2 2 所示。 表2 2 材料试验数据表 t a b l e2 2t h er e s u l t so f t h ed i f f e r e n tm a t e r i a l so f t h es a m p l i n go i lp u m p i n gr o d s l61 56 ，262 563 6 ，3 5 “? 4 6 7 ， s t r e s ss t r e n g t hf a c t o rr a n g e 图2 7 裂纹扩展速率随循环的变化 f i g2 7t h ec h a n g e so f t h ef a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t i ow i t ht h eg r o w t ho f t h es t r e s ss t r e n g t h 如拿= 一3 0 0 6 8 5 + 3 4 7 l g a k 由试验得到： m = 3 4 7c = 8 7 3 8 x1 0 一“ 2 3 2 2 裂纹扩展期的剩余寿命的计算 ( 1 ) 公式推导 根据对抽油杆应力强度因子k 的三维有限元分析a k = 且衍( 徽) f 2 则裂纹由a l 扩展到 a 2 的运转周次n 可由下式求得 = 万丽b 矛 一，2 ) 一a 2 ( m - 2 1 2 ) 】老 ( 2 5 ) 1 3 8 6 8 2 4 6 8 0 吖 峭 喝 咭 喝 喜口og尊正co焉西。厶ojd】i等-u 东北大学硕士学位论文第二章抽油杆无损漏磁检测技术 杆身部位是现行抽油杆的危险截面，由大量工程实际，一般只计算裂纹扩展到 6 m m 时的寿命，对于大于6 m m 以上的裂纹，其剩余寿命忽略不计。式中的m 是随裂 纹长度a 而改变的系数，对于裂纹由a l 扩展到a 2 时的m 可取( q + q ) 2 处的m 近似 值，得到杆体椭圆裂纹应力强度因子。 杆体直径d = 2 2 m m ，裂纹深度和杆体直径之比为a i d ，对每种a d 计算s a ( 见