金属磁记忆诊断在石油套管检测中的应用

徐金龙 ，徐凌云，林 海，冯浚汉，吕善胜，华 斌，田 琼

（1.湛江出入境检验检疫局，湛江 524022；2.上海出入境检验检疫局工业品与原材料检测中心，上海 200135）

铁磁性构件在加工冷却硬化过程中，冷却硬化严重的地方可能形成颈变，在构件形成颈变处会发生位错的快速趋近，并引起微裂纹——形成后来构件损坏的发源点或应力集中线。当应力集中线与外部负荷作用力的方向垂直时，颈变引发的构件断裂常常发生在应力集中线上，因此，及时地找到在役金属构件的应力集中线是非常重要的。工程部件由于疲劳、蠕变而产生的微裂纹会导致缺陷处出现应力集中。研究表明［1］：铁磁性金属部件存在着磁机械效应，其表面上的磁场分布与部件所受应力有一定的关系，因此可通过检测部件表面的磁场分布情况间接地对部件缺陷和／或应力集中位置进行诊断。

铁磁性部件缺陷或应力集中区域磁场的切向分量Hp（x）具有最大值，法向分量Hp（y）值改变符号且具有零值，如图1所示。实际应用中，通过检测法向分量Hp（y）来完成对部件的检测。

图1 应力集中线磁场强度示意

石油套管属于铁磁性构件，且其产生应力腐蚀裂纹的一个主要原因是应力集中，故利用金属磁记忆检测技术［2－4］对石油套管的应力集中进行检测具有实际的意义。目前，金属磁记忆检测对石油套管的检测应用尚处于起步阶段。笔者利用金属磁记忆检测手段对石油套管进行应力集中分析，并辅以超声波检测方法判断该应力集中部位是否有宏观缺陷产生［5］。

1 检测过程及分析

1.1 检测仪器

金属磁记忆检测仪器采用厦门爱德森公司生产的EMS－2000智能磁记忆金属诊断仪，检测条件：两通道检测模式和八通道检测模式；通道增益：依据探头与被测物距离而定，选择32；数字滤波：范围1～100，选择8；背景磁场抑制：－CH1；每米记数值：选用20 000；时基速度：选择10，与检测速度配合。

超声波检测采用MasterScan 380M 便携式数字超声波探伤仪，检测范围0.1～20m，脉冲重复频率30～6 000Hz，适用快速扫描。

1.2 检测过程及分析

选取四根已服役套管做管体金属磁记忆扫描，并在图2～5 中列出检测管体和磁记忆检测图。

a号套管采用双通道纵向折返扫描，距离探测采用内时钟方式。图2为被检测套管外观及其磁记忆检测信号。对如图2（a）所示的两个圆形区域扫查后发现在A和B两线段处出现应力集中现象；在图3上方曲线中主要表现为在A、B两线段处明显尖锐的峰形（峰形代表磁场强度变化率K，且下方图形出现过零点（下方为磁场强度Hp（y）），经便携式超声波检测，a号套管该区域并没有发现宏观缺陷。

图2 a号套管外观及其磁记忆检测信号

b号套管亦采用两通道纵向折返扫描，套管外观和磁记忆检测信号如图3所示。套管被扫描区域为图3（a）所示黑铅方框内。扫描过程中发现在b号套管的C、D、E三处磁场强度Hp（y）过零点，且K峰形尖锐，K值远大于45。按照磁记忆检测原理可以判断在C、D、E三处有应力集中。而经便携式超声波探测仪检测，在C、D、E三处并没有发现宏观缺陷。

c号套管左半部分采用两通道半环向扫描方式扫描，从图4（a）所示的套管中部环向折返向管体左方向扫描；右半部分采用八通道纵向折返扫描。

c号套管左半部分磁记忆检测信号见图4（b），在该套管G、F两个位置处有明显的峰信号（前半部分峰形虽有磁场强度过零点，但磁场变化率低，且信号不稳定故不足判定为应力集中，后半部分两个峰值过高显示在G、F两处），且Hp（y）过零点，K值大于45。故可判断在G、F两个位置应力集中明显。

c号套管右半部分纵向折返扫描磁记忆检测信号见图4（c），在该套管H处（线段）有明显的峰形，Hp（y）过零点，磁场强度变化率（K值）大于45；图4（c）中表现为几处峰形（实际都是在H线段处，因为是折返扫描）。故可以判断在该处存在应力集中现象。经便携式超声波探测仪检测，在G、F两个位置没有发现宏观缺陷，在H处发现有埋藏性裂纹缺陷（长12mm 深3mm）。

d号套管采用八通道半环向折返扫查方式，从管体管端处向管体扫描，扫描方式为半环向扫描，套管外观及其磁记忆检测信号见图5。

图3 b号套管外观及其磁记忆检测信号

图4 c号套管外观及其左、右部分磁记忆检测信号

图5 d号套管外观及其检测信号

从图5（b）中可见，如图5（a）中所示的I、J线段处有明显的峰信号。由Hp（y）过零点，K值大于45，可以判定在该处存在应力集中现象。对d号套管，使用便携式超声波探测仪检测，在I、J线段处没有发现宏观缺陷。

2 结论

（1）所抽检的四根已服役石油套管均存在不同程度应力集中，且应力集中并没有因为套管的停用而消失，说明应力集中没有得到释放，在该应力集中部位可能已发生塑性变形。c号套管存在应力性裂纹，在裂纹的尖端应力集中现象依然存在；该套管如继续使用，裂纹在应力作用下有继续扩展的趋势，从而真正影响到油井的安全。

（2）磁记忆检测技术能够发现石油套管的应力集中区域，即使该区域尚未出现宏观缺陷；其有助于油井检测维护人员及时地预防因石油套管应力集中而引起的宏观缺陷，从而减少油井事故的发生。

［1］任吉林，林俊明，池永滨，等.金属磁记忆检测技术［M］.北京：中国电力出版社，2000.

［2］胡先龙，池永滨.磁记忆诊断技术中应力集中水平定量评估方法［J］.华北电力技术，2005（6）：9－13.

［3］章彬斌，梁斌.基于金属磁记忆方法的压力容器对接焊缝应力测试［J］.无损检测，2011，33（3）：31－33.

［4］任吉林，周培，陈曦，等.磁记忆切向分量信号的检测试验［J］.无损检测，2011，33（12）：1－5.

［5］汪超，熊伟，李雅可.钢管超声波检测时缺陷波形的识别［J］.无损检测，2011，33（4）：75－78.