鉆具疲勞損傷磁記憶檢測(cè)試驗(yàn)研究

胡治斌，樊建春，高維駿，程彩霞，吳家風(fēng)，趙坤鵬，代濠源

中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249

0 引言

鉆柱是一種中空管狀結(jié)構(gòu)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)鉆頭從地面到達(dá)油氣層。在鉆井過(guò)程中，鉆柱由數(shù)百根鉆桿連接而成[1]，每2根鉆桿通過(guò)錐形螺紋連接。鉆柱在服役過(guò)程中，工況十分惡劣，受復(fù)雜地層條件、惡劣的腐蝕性介質(zhì)、流體沖刷、復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和拉、壓、彎、扭復(fù)合動(dòng)載荷等因素的耦合作用，早期失效問(wèn)題十分突出，給鉆井生產(chǎn)造成重大損失。研究表明，平均每次鉆具斷裂事故造成的損失可高達(dá)10.6萬(wàn)美元，約占鉆井總成本的14%，中國(guó)西部某油田僅在2009年上半年即發(fā)生鉆具斷裂事故21起，統(tǒng)計(jì)表明超過(guò)50%以上的斷裂事故是因疲勞造成。斷裂事故發(fā)生后，恢復(fù)生產(chǎn)是非常昂貴和耗時(shí)的[2]。因此，在鉆具使用過(guò)程中能夠盡早發(fā)現(xiàn)敏感部位的應(yīng)力集中異?；虺霈F(xiàn)的微裂紋，在裂紋顯著擴(kuò)展之前及時(shí)采取措施，對(duì)于有效預(yù)防鉆具疲勞破壞具有特別重要的意義。

現(xiàn)有的常規(guī)檢測(cè)方法有磁粉檢測(cè)、漏磁檢測(cè)、超聲波檢測(cè)等，但均不能滿足在鉆井早期診斷鉆柱損傷狀況的需求，主要是因?yàn)椋?1)敏感范圍局限于宏觀缺陷，難以捕捉鉆柱早期損傷過(guò)程中材料結(jié)構(gòu)由連續(xù)到不連續(xù)過(guò)渡階段的微弱異常信號(hào)；(2)對(duì)缺陷高發(fā)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚大的鉆柱連接部位的適應(yīng)性差，存在檢測(cè)盲區(qū)。

金屬磁記憶方法是一種可以監(jiān)測(cè)應(yīng)力集中和早期損傷的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[3]。金屬磁記憶方法檢測(cè)的是由機(jī)械應(yīng)力與地磁場(chǎng)共同誘導(dǎo)產(chǎn)生的殘余磁場(chǎng)，無(wú)需對(duì)檢測(cè)對(duì)象施加外加磁場(chǎng)進(jìn)行磁化，在疲勞損傷檢測(cè)方面顯示出良好的發(fā)展應(yīng)用前景[4]。另外，基于巨磁阻效應(yīng)的巨磁阻傳感器具有體積小、靈敏度高、無(wú)需磁化、結(jié)構(gòu)小、可靠性高等特點(diǎn)[5-7]，為其應(yīng)用于鉆柱疲勞損傷檢測(cè)提供了便利。此外，該傳感器可檢測(cè)大壁厚鐵磁性構(gòu)件損傷，例如實(shí)現(xiàn)了在外表面檢測(cè)鉆具內(nèi)螺紋應(yīng)力集中異常狀態(tài)，并進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]。目前針對(duì)不同材料受力或疲勞過(guò)程中金屬磁記憶變化特征已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，其中DONG[9-10]、SHI[11]等進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，研究了拉應(yīng)力與磁記憶法向信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。劉昌奎[12]、DONG[13]、LI[14]、李一[15]等研究了拉伸疲勞過(guò)程中磁記憶法向信號(hào)的變化特征。羅龍清[16]、錢(qián)正春[17]等研究了拉壓疲勞試驗(yàn)過(guò)程中磁記憶法向信號(hào)的變化情況。LI[18]等研究了旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)條件下，磁記憶法向信號(hào)的變化規(guī)律。

針對(duì)磁記憶檢測(cè)技術(shù)，雖然已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，但還存在一些不足，總結(jié)為：1)大部分研究?jī)H針對(duì)疲勞過(guò)程中磁記憶信號(hào)變化特征，很少結(jié)合微觀觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析；2)大部分研究主要針對(duì)磁記憶法向信號(hào)(Hp(y ))展開(kāi)，而對(duì)磁記憶切向信號(hào)(Hp(x))變化特征研究較少；3)針對(duì)磁記憶信號(hào)定量評(píng)價(jià)方法的研究不多。

本文選用基于巨磁阻效應(yīng)的磁記憶傳感器采集了疲勞試驗(yàn)過(guò)程中磁記憶切向信號(hào)Hp(x)，提取了磁記憶特征參數(shù)，研究了基于磁記憶信號(hào)參量的損傷定量評(píng)估方法。借助CCD攝像機(jī)在光學(xué)顯微鏡下觀測(cè)試樣疲勞過(guò)程，對(duì)比分析疲勞損傷特性與磁記憶信號(hào)特征參數(shù)關(guān)系。

1 疲勞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

疲勞試驗(yàn)在自制的四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。如圖1所示為四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)原理。該試驗(yàn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)恒定位移幅值疲勞試驗(yàn)，其中偏心輪在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，推動(dòng)連接桿來(lái)回往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)碰撞球通過(guò)推桿傳動(dòng)沖擊試樣。其中推桿中間固定安裝一個(gè)可監(jiān)測(cè)沖擊壓力的傳感器以及可調(diào)節(jié)推桿長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)螺母。

1.2 試樣制備

該試樣由35CrMo鋼通過(guò)機(jī)械加工而成。35CrMo作為一種典型鉆具材料，具有良好的機(jī)械性能。其化學(xué)組成成分以及機(jī)械性能如表1、表2所示。一個(gè)寬為2 mm、深為1.5 mm的預(yù)制人工缺口通過(guò)線切割機(jī)切割而成。檢測(cè)路徑平行于缺陷尖端，編號(hào)為L(zhǎng)1，有效檢測(cè)距離L為15 mm，如圖2所示。

1.3 力學(xué)模型

試驗(yàn)過(guò)程中，試樣在受力的情況下，可以簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)支梁，如圖3所示。當(dāng)試樣處于最大彎曲狀態(tài)時(shí)，力矩模型和彎矩模型如圖4所示。

圖1 四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)Fig. 1 Four-point bending fatigue testing machine

表1 化學(xué)成分Table 1 Chemical components

表2 機(jī)械性能Table 2 Mechanical properties

圖2 試樣尺寸結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Sample size structure

圖3 試樣加載示意圖Fig. 3 Sample loading diagram

圖4 試樣受力分析圖Fig. 4 Analysis chart of sample stress

1.4 試驗(yàn)步驟

為了便于光學(xué)顯微鏡觀測(cè)材料表面疲勞特性，試驗(yàn)前利用拋光機(jī)對(duì)試樣表面進(jìn)行拋光。疲勞試驗(yàn)在地磁場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行，試驗(yàn)沖擊頻率為2 Hz。試驗(yàn)過(guò)程中，每次停機(jī)進(jìn)行磁記憶信號(hào)檢測(cè)前，先利用配備有CCD攝像機(jī)的光學(xué)顯微鏡觀測(cè)試樣表面形貌特征并拍照保存，在裂紋產(chǎn)生后，測(cè)量裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度a。其中，磁記憶信號(hào)通過(guò)三維檢測(cè)平移臺(tái)南北方向檢測(cè)，磁記憶傳感器距離試樣提離值為2 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 疲勞損傷表面形貌

不同疲勞循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)試樣表面形貌特征，如圖5所示。在疲勞初期，隨著疲勞次數(shù)的增加，位錯(cuò)出現(xiàn)并快速增加。循環(huán)至300次后，由于位錯(cuò)塞積的出現(xiàn)，導(dǎo)致總體位錯(cuò)結(jié)構(gòu)處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀況。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，在5000次時(shí)，由于位錯(cuò)結(jié)合，導(dǎo)致了缺口部位微裂紋匯集。循環(huán)至7000次時(shí)，主裂紋出現(xiàn)并開(kāi)始擴(kuò)展。隨著循環(huán)次數(shù)進(jìn)一步增加，裂紋快速擴(kuò)展，在16 000次時(shí)發(fā)生嚴(yán)重不可逆變形，直至16 200次時(shí)發(fā)生斷裂。

在裂紋形成后，測(cè)量不同循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度a，以a為縱坐標(biāo)，以疲勞循環(huán)次數(shù)N為橫坐標(biāo)做圖，如圖6所示。由圖6可知，在5000～6000次以及16 000次到斷裂階段，主裂紋快速擴(kuò)展，在6000～16 000次之間裂紋擴(kuò)展速率較為穩(wěn)定。隨著裂紋連續(xù)擴(kuò)展，裂紋尖端形成不可恢復(fù)的開(kāi)口，且角度越來(lái)越大，主裂紋附近塑性變形量及波及區(qū)域也越來(lái)越大。

2.2 磁記憶信號(hào)特征

疲勞試驗(yàn)開(kāi)始前采集一組試樣表面磁記憶信號(hào)作為參考，之后分別在第300和500次停機(jī)檢測(cè)，500～3000次采用每循環(huán)500次停機(jī)檢測(cè)一次，3000～16 000次每隔1000次檢測(cè)一次，直至16 200次時(shí)發(fā)生斷裂。為了更清晰地觀測(cè)磁記憶信號(hào)變化特征，參照光學(xué)顯微鏡觀測(cè)結(jié)果，以疲勞主裂紋的擴(kuò)展為界限，將疲勞過(guò)程中磁記憶信號(hào)分為兩段呈現(xiàn)，如圖7、圖8所示。

圖5 不同疲勞次數(shù)下試樣表面形貌特征Fig. 5 Surface morphology features of specimens under different fatigue times

圖6 不同循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度Fig. 6 The length of crack propagation under different cycles

為了進(jìn)一步深入分析磁記憶檢測(cè)信號(hào)與疲勞損傷程度之間的關(guān)系，將采集到的磁記憶信號(hào)進(jìn)行梯度處理，并以裂紋擴(kuò)展為界限，分兩部分呈現(xiàn)，如圖9、圖10所示。其中，K作為磁記憶信號(hào)(Hp(x))的梯度值，可以作為磁記憶方法定量評(píng)估應(yīng)力集中程度的參數(shù)(K=△Hp(x)/?L)[14]。

為了研究磁記憶特征參數(shù)定量分析疲勞損傷方法，分別提取了磁記憶信號(hào)峰值Hp(x)max(Hp(x)max=max{Hp(x )})、磁記憶信號(hào)峰峰值Hp(x )sub(Hp(x)sub=Hp(x)max?Hp(x )min)、磁記憶信號(hào)梯度峰值Kmax(Kmax=max{K})以及磁記憶信號(hào)梯度峰峰值Ksub(Ksub=Kmax?Kmin)，如圖11、圖12所示。

從圖11、圖12可以看出，不同循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的Hp(x)max、Hp(x)sub、Kmax及Ksub曲線都可以大致被劃分為4個(gè)階段：初始階段、穩(wěn)定階段、波動(dòng)階段以及快速增長(zhǎng)階段。初始階段，循環(huán)次數(shù)為0到300次，Hp(x)max快速?gòu)?.63 Gs增長(zhǎng)到3.81 Gs(其中Hp(x)sub從0.03 Gs增長(zhǎng)到0.21 Gs，Kmax從0.05×10-2Gs/mm增長(zhǎng)到0.3×10-2Gs/mm，Ksub從0.1×10-2Gs/mm增長(zhǎng)到0.6×10-2Gs/mm)。穩(wěn)定階段，循環(huán)次數(shù)從300到6000次，在此階段，Hp(x)max在3.81 Gs到3.85 Gs區(qū)間小幅波動(dòng)(其中Hp(x )sub處于0.19 Gs與0.25 Gs之間，Kmax處于0.24×10-2Gs/mm與0.34×10-2Gs/mm之間，Ksub處于0.47×10-2Gs/mm與0.68×10-2Gs/mm之間)，基本處于一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài)。波動(dòng)階段，循環(huán)次數(shù)從6000到15 000，Hp(x)max在3.79 Gs到4.82 Gs之間波動(dòng)(其中Hp(x)sub在0.19 Gs到0.91 Gs之間波動(dòng)，Kmax在0.26×10-2Gs/mm到0.85×10-2Gs/mm之間波動(dòng)，Ksub在0.52×10-2Gs/mm到1.71×10-2Gs/mm之間波動(dòng))，并整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)?？焖僭鲩L(zhǎng)階段，循環(huán)次數(shù)到達(dá)15 000次之后，Hp(x)max從4.82 Gs快速增長(zhǎng)至7.78 Gs(其中Hp(x)sub從0.91 Gs快速上升至4.16 Gs，Kmax從0.74×10-2Gs/mm快速增長(zhǎng)至3.12×10-2Gs/mm，Ksub從1.47×10-2Gs/mm快速增長(zhǎng)至6.24×10-2Gs/mm)，直至試樣發(fā)生斷裂。

圖7 裂紋擴(kuò)展前磁記憶信號(hào)Fig. 7 MMM signals before crack propagation

圖8 裂紋擴(kuò)展后磁記憶信號(hào)Fig 8 MMM signals after crack propagation

圖9 裂紋擴(kuò)展前磁記憶梯度信號(hào)Fig. 9 The K before crack propagation

圖10 裂紋擴(kuò)展后磁記憶梯度信號(hào)Fig 10 The K after crack propagation

3 討論及分析

為了研究磁記憶信號(hào)特征參數(shù)表征裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度的方法，建立了特征參數(shù)與裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度關(guān)系曲線，如圖13、圖14所示。裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度為x軸，Hp(x)max、Hp(x)sub、Kmax及Ksub為y軸。從圖13、圖14可以看出，隨著裂紋長(zhǎng)度增加，磁記憶信號(hào)特征參數(shù)整體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。磁記憶信號(hào)是疲勞裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生的自發(fā)信號(hào)，可以作為重要參數(shù)表征鉆具疲勞裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度。鐵磁性材料表面裂紋將產(chǎn)生自發(fā)磁異常信號(hào)，并在外加載荷消失后仍然存在。因此，其被用來(lái)預(yù)測(cè)鉆具殘余壽命包括疲勞裂紋長(zhǎng)度是可能的。然而試驗(yàn)結(jié)果受載荷類(lèi)型、大小、位置、化學(xué)成分、試樣幾何尺寸、加工工序等因素的影響，要想真正實(shí)現(xiàn)鉆具壽命預(yù)測(cè)，還有大量的工作需要去完成。a

圖11 不同循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)Hp(x )max及Hp(x)subFig. 11 The Hp(x)max and Hp(x )sub under different cycles

圖12 不同循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)Kmax及KsubFig 12 The Kmax and Ksub under different cycles

圖13 不同裂紋長(zhǎng)度a對(duì)應(yīng)Hp(x )max及Hp(x)subFig. 13 The Hp(x)max and Hp(x )sub under different crack length

圖14 不同裂紋長(zhǎng)度a對(duì)應(yīng)Kmax及KsubFig 14 The Kmax and Ksub under different crack length a

為了分析上述磁記憶信號(hào)參數(shù)評(píng)估鉆具疲勞損傷程度的可靠性，需進(jìn)行損傷評(píng)估方法研究。采用磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度Kmax平均值法[19]，分別針對(duì)不同循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的Hp(x )max、Hp(x)sub、Kmax及Ksub進(jìn)行平均值法計(jì)算，其數(shù)據(jù)處理方式如下：

式中n為構(gòu)件疲勞試驗(yàn)過(guò)程中不同循環(huán)周次采集磁記憶信號(hào)的總次數(shù)；Hp(x為第i次磁信號(hào)檢測(cè)時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值；Hp(x為第i次磁信號(hào)檢測(cè)時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度峰峰值；為第i次磁信號(hào)檢測(cè)時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度最大值；為第i次磁信號(hào)檢測(cè)時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度峰峰值。

將在不同循環(huán)周次下經(jīng)過(guò)磁信號(hào)處理所得到的Hp(x )max、Hp(x)sub、Kmax及Ksub與式(1)-(4)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，得到其比值m1、m2、m3及m4：

磁記憶信號(hào)特征參量定量評(píng)估結(jié)果如表3所示，疲勞裂紋匯集時(shí)，Hp(x)max、Kmax及Ksub對(duì)應(yīng)的m處于0.8～0.9之間，與胡先龍的損傷評(píng)價(jià)結(jié)果中[20]，當(dāng)m＞1時(shí),構(gòu)件處于較為嚴(yán)重的損傷狀態(tài)基本相吻合。而Hp(x)sub并不能有效地對(duì)35CrMo鋼損傷狀況進(jìn)行定量評(píng)估，這可能與試樣初始應(yīng)力狀況有關(guān)。

如圖5及圖11、圖12所示，對(duì)比分析疲勞過(guò)程中試樣表面形貌特征以及磁記憶信號(hào)特征參數(shù)曲線發(fā)現(xiàn)，磁記憶信號(hào)特征參數(shù)曲線能夠較為準(zhǔn)確地表征疲勞過(guò)程，包括位錯(cuò)的積累、微裂紋的匯集和擴(kuò)展、快速斷裂過(guò)程。磁記憶信號(hào)切向分量作為漏磁場(chǎng)能的集中體現(xiàn)，其信號(hào)參數(shù)變化的4個(gè)階段可以綜合金屬磁記憶檢測(cè)機(jī)理、延性材料滑移開(kāi)裂理論以及鐵磁學(xué)原理加以解釋。在試驗(yàn)的初始階段，外加載荷對(duì)試樣持續(xù)作用，試樣內(nèi)部應(yīng)力能大幅度增長(zhǎng)，試樣內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的磁彈性能來(lái)抵消所產(chǎn)生的應(yīng)力能，而磁彈性能的產(chǎn)生會(huì)通過(guò)改變?cè)嚇哟女牣牨谖恢眉按女犠源呕较蚴共牧媳砻娈a(chǎn)生漏磁場(chǎng)，最終表現(xiàn)為疲勞初始階段磁記憶信號(hào)參數(shù)大幅度上升。材料晶?；七\(yùn)動(dòng)存在一個(gè)能量積累的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程需要一定的時(shí)間，而應(yīng)力能在滑移發(fā)生后又會(huì)得到釋放，因此在大量的晶粒處于積累及滑移的混合疊加過(guò)程中，就有可能造成材料內(nèi)部應(yīng)力能緩慢變化的過(guò)程，這就解釋了為什么磁記憶信號(hào)特征參數(shù)在第2階段處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。這種平衡狀態(tài)在微裂紋匯集后被打破，微裂紋匯集產(chǎn)生的幾何缺陷形成漏磁場(chǎng)使磁信號(hào)明顯上升。在進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段后，裂紋尖端一直處于位錯(cuò)積累—新的微裂紋—位錯(cuò)積累的循環(huán)過(guò)程中，如圖15所示，隨著裂紋長(zhǎng)度增加，開(kāi)口角度變大，磁信號(hào)參數(shù)整體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，與磁記憶信號(hào)參數(shù)曲線波動(dòng)階段相對(duì)應(yīng)。隨著裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，接近斷裂時(shí)，試樣發(fā)生嚴(yán)重的不可逆變形，造成了試樣不連續(xù)面積快速增加，同時(shí)試樣表面塑性變形大量堆積，試樣表面形成的漏磁場(chǎng)大量增加，與第4階段磁記憶信號(hào)參數(shù)快速增加相對(duì)應(yīng)。

4 結(jié)論

對(duì)比分析了典型鉆具材料(35CrMo)疲勞損傷微觀形貌及磁記憶檢測(cè)檢測(cè)信號(hào)變化特征，同時(shí)利用磁記憶信號(hào)特征參數(shù)對(duì)疲勞損傷進(jìn)行定量評(píng)估。得出以下結(jié)論：

(1)磁記憶信號(hào)特征參數(shù)Hp(x )max、Hp(x )sub、Kmax及Ksub可以準(zhǔn)確表征35CrMo鋼的疲勞損傷過(guò)程。損傷過(guò)程可以分為4個(gè)階段：初始階段、穩(wěn)定階段、波動(dòng)階段以及快速增長(zhǎng)階段。其中初始階段和穩(wěn)定階段對(duì)應(yīng)疲勞損傷的位錯(cuò)快速積累過(guò)程，波動(dòng)階段對(duì)應(yīng)微裂紋的匯集及擴(kuò)展，快速增長(zhǎng)階段對(duì)應(yīng)試樣的快速斷裂。

表3 磁記憶信號(hào)特征參量定量評(píng)估結(jié)果Table 3 Results of quantitative assessment of the MMM signal feature parameters

圖15 裂紋擴(kuò)展階段尖端形貌特征Fig. 15 Cutting edge morphology features of crack propagation stage

(2)隨著裂紋擴(kuò)展，裂紋尖端形成不可逆開(kāi)口，且角度越來(lái)越大，裂紋附近塑性變形量及波及區(qū)域也越來(lái)越大。

(3)裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度與磁記憶信號(hào)特征參數(shù)值Hp(x )max、Hp(x)sub、Kmax及Ksub呈現(xiàn)正比關(guān)系，該結(jié)論可以為磁記憶檢測(cè)技術(shù)預(yù)測(cè)鉆具殘余壽命包括裂紋長(zhǎng)度提供數(shù)據(jù)支撐。

(4)磁記憶信號(hào)特征參數(shù)定量評(píng)估結(jié)果表明Hp(x)max、Kmax及Ksub都可以較為準(zhǔn)確地定量評(píng)估35CrMo鋼的損傷程度。

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