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西安石油大学 硕士学位论文 在役钻井钢丝绳安全评定方法研究 姓名:陈辉 申请学位级别:硕士 专业:材料加工工程 指导教师:冯耀荣 20060515 中文摘要 论文题目:在役钻井钢丝绳安全评定方法研究 专业:材料加工工程 硕士生:陈辉( 签名)醢 羞至 指导教师:冯耀荣( 签名) 么乏辔 摘要 钢丝绳在石油工业中应用非常广泛。钻井钢丝绳是钻机提升系统的重要组成部分, 钻机提升系统是钻机最容易发生断裂事故的部件。目前,对钢丝绳只能依据A P II 冲9 B 标准进行定性评定,可靠性差。因此研究钢丝绳安全性定量评定的方法日益迫切。 基于国内外钢丝绳无损检测技术系统深入的研究,选用定性、定量准确率较高的无 损检测仪器进行钢丝绳损伤缺陷的检测。研究国内外各种钢丝绳剩余强度安全评价方法 及其存在的问题。对钢丝绳各类损伤状况及其对钢丝绳性能的影响进行了全面系统的分 析,得出钢丝绳的两种主要损伤缺陷,即局部缺陷( L F ) 和金属截面积损耗缺陷( I ,M A ) 。 应用钢丝绳无损检测仪对钢丝绳进行局部缺陷和金属截面积损耗缺陷检测,获得了 定性、定量准确率较高的检测结果。进行钢丝绳结构和受力分析研究,并基于大量的钢 丝绳损伤缺陷和强度分析,分别研究了钢丝绳局部缺陷和剩余强度之间的数学关系,以 及钢丝绳金属截面积损耗缺陷和剩余强度之间的数学关系,最终建立了钢丝绳局部缺陷、 金属截面积损耗缺陷和钢丝绳剩余强度之间的数学关系式,并进行钢丝绳安全系数的计 算,为钢丝绳安全评定提供了重要的依据。本文应用V i s u a lB a s i c 软件编写了钢丝绳剩余 强度评定系统程序,初步实现了钢丝绳剩余强度的定量评定,使钢丝绳剩余强度的评定 更方便、快捷、准确。 关键词:钢丝绳安全评定剩余强度无损检测 论文类型:开发研究 ( 本文得到“中国石油天然气集团公司技术开发项目( 0 4 8 2 1 0 1 4 0 0 ) ”的资助) I I 英文摘要 S u b j e c t :T h eQ u a n t i t i v eE v a l u a t i o nf o rt h eS e c u r i t yo fD r i l l i n gS t e e lW i r eR o p e S p e c i a l i t y : M a t e r i a lP r o c e s s i n gE n g i n e e r i n g N a m e :C h e nH u i ( s i g n a t u r e ) I n s t r u c t o r : F e n gY a o r o n g ( s i g n a t u r e ) A B S T R A C T S t e e lw i r er o p ew a sw i d e l yu s e di np e t r o l e u mi n d u s t r y D r i l l i n gs t e e lw i r er o p ew a st h e i m p o r t a n tp a r t so fd r i l ll i f t i n gs y s t e m ,a n dd r i l ll i f t i n gs y s t e mw a se a s y t oc a u s ef r a c t u r e a c c i d e n t s A tp r e s e n t ,s t e e lw i r er o p ec o u l do n l yb ee v a l u a t e da c c o r d i n gt ot h eA P IR P9 B s t a n d a r d ,w h i c hh a dt h eb a dr e l i a b i l i t y S ot h eq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o nm e t h o d so fs t e e lw i r e r o p ew e r en e e d e du r g e n t l y B a s e do ns y s t e m a t i c a l l ya n a l y s i so fn o n d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n o l o g yi nd o m e s t i ca n d i n t e m a t i o n a l ,t h en o n d e s t r u c t i v et e s t i n gi n s t r u m e n tw i t hh i g hq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v e a c c u r a c yw a ss e l e c t e dt od e t e c tt h ed e f e c t so fs t e e lw i r er o p e T h es a f e t ye v a l u a t i o nm e t h o d s o fs t e e lw i r er o p er e s i d u a li n t e n s i t yi nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a la n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m so f m e t h o d sw e r es t u d i e d A l lk i n d so fd a m a g ea n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so ns t e e lw i r er o p e p r o p e r t i e sw e r ea n a l y z e d ,a n dL o c a l i z e dF a u l t ( L F ) a n dL o s so f M e t a l l i cC r o s sS e c t i o n a lA r e a ( L M A ) w e r et w om a i nd a m a g ed e f e c t so fs t e e lw i r er o p e D e t e c t i o nr e s u l t sw i t hh i g hq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea c c u r a c yw e r eo b t a i n e db yu s i n g n o n d e s t r u c t i v et e s t i n gi n s t r u m e n t st od e t e c tL o c a l i z e dF a u l ta n dL o s s o fM e t a l l i cC r o s s S e c t i o n a lA r e ao fs t e e lw i r er o p e T h es t r u c t u r ea n ds t r e n g t ho fs t e e lw i r er o p ew e r es t u d i e d , a n do nt h eb a s i so fa n a l y s i so fs t e e lw i r er o p ed e f e c t sa n dr e s i d u a li n t e n s i t y , t h em a t h e m a t i c s r e l a t i o nb e t w e e nL o c a l i z e dF a u l t ,L o s so fM e t a l l i cC r o s sS e c t i o n a lA r e aa n dr e s i d u a li n t e n s i t y w e r er e s p e c t i v e l ys t u d i e d ,f i n a l l yt h em a t h e m a t i c se x p r e s s i o nb e t w e e nL o c a l i z e dF a u l t ,L o s s o fM e t a l l i cC r o s sS e c t i o n a lA r e aa n dr e s i d u a li n t e n s i t yo fs t e e lw i r er o p ew e r ef o u n d e d ,a n d t h es a f e t yc o e f f i c i e n to fs t e e lw i r er o p ew a sc a l c u l a t e dt oo f f e ri m p o r t a n tr e f e r e n c ef o rs t e e l w i r er o p es a f e t ye v a l u a t i o n V i s u a lB a s i cs o f t w a r ew e r ea d o p t e dt ow r i t et h er e s i d u a li n t e n s i t y e v a l u a t i o ns y s t e mp r o c e d u r eo fs t e :1w i r er o p e ,t h er e s i d u a li n t e n s i t ya n ds a f e t ye v a l u a t i o n m e t h o d sw e r ep r e l i m i n a r ya c h i e v e d ,a n dm a d et h ee v a l u a t i o nm e t h o d so fs t e e lw i r er o p e r e s i d u a li n t e n s i t ym o r ec o n v e n i e n t ,s w i f ta n da c c u r a t e K e y w o r d s :S t e e lw i r er o p e S a f e t ye v a l u a t i o n R e s i d u a li n t e n s i t yN o n d e s t r u c t i v et e s t i n g T h e s i s :D e v e l o p m e n tS t u d y ( T h i ss u b je c tg e t st h es u b s i d yf r o m T e c h n o l o g i c a lD e v e l o p m e n tI t e mo fC h i n aN a t i o n a l P e t r o l e u mC o m p a n y ( 0 4 8 2 1 0 1 4 0 0 ) ”) 学位论文创新性声明 Y941 64 6 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。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做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。 论文作者签名: 篷茎军日期:趁五耋盘 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定,即:研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时,署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名: 酸疆 导师签名:、名乞乏戛豸窆夕日期:乙细Z ,丘,) 。、 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 钢丝绳在石油工业中应用非常广泛,如在钻机提升、油井抽油、捞砂、顿钻和清屑 等方面都大量使用。石油钻井钢丝绳占全国石油工业钢丝绳数量的较大部分。相较于普 通钢丝绳,钻井钢丝绳使用条件恶劣、载荷大、绳速高( 9 0 1 5 0 m m i n ) 、损伤大,钢 丝绳通过的滑轮数量多且结构尺寸不大;在钻井作业中,钢丝绳从绞车滚筒经天车快绳 到游车要承受较大弯曲交变载荷。钻井钢丝绳是钻机提升设备的重要组成部分,而钻机 提升系统是钻机最容易发生断裂事故的部件。在天车滑轮上,由于绞车启动和刹车加速、 减速形成很大的脉动载荷,再加上钩载负荷形成很大拉应力;起钻时,钢丝绳以很高的 速度缠绕到滚筒上,滚筒两端由第一层到第二层的过渡处以及上下两层绳之间的交叉点 形成很大的挤压力,引起钢丝绳变形或破坏。随着我国深井和超深井钻探开采工作的不 断发展,钻井钢丝绳的使用条件更加恶劣,曾发生多起钢丝绳断裂事故。由于钻井平台 作业空间狭窄,钻具、游车系统全靠钢丝绳悬挂,一旦发生断裂事故,不但经济损失惨 重,而且可能造成重大人员伤亡。因此,钢丝绳是需要安全评定的主要部件之一。 目前,对钻井钢丝绳判废切除主要依据A P IR P9 B ( 油田用钢丝绳的使用、维护 推荐做法) 的规则,该规则根据钢丝绳的使用工作量( K N m ) 评定钢丝绳的寿命,即 以钢丝绳承受的载荷与工作行程作为钢丝绳报废切除的依据,这是一种经验的定性的方 法。用计算及查表的方法估计一般工况下钢丝绳的寿命,只根据计算数值决定钢丝绳的 倒绳与切除,而不考虑钢丝绳的损伤状况,所以对具体工况下钢丝绳的损伤和寿命无法 进行较为准确的评定:要么对钢丝绳寿命消耗估计过少,导致钢丝绳断裂;要么对钢丝 绳寿命估计过多,造成过早切除浪费。因此必须找到钢丝绳定量评定方法对钢丝绳进行 较为准确安全的评定。 钢丝绳安全性定量评定是对钢丝绳进行剩余强度的定量评定,即应用钢丝绳无损检 测仪器对钢丝绳进行损伤缺陷的定性定量检测,找到钢丝绳损伤缺陷与钢丝绳剩余强度 之间的关系,对存在缺陷的钢丝绳进行剩余强度的定量评定,并以此作为钢丝绳判废的 标准。 1 2 钢丝绳结构 在石油工业中所应用的钢丝绳通常是采用酸性或碱性平炉钢,氧气顶吹转炉钢或电 炉钢制造的,常用钢丝绳的直径范围为0 9 5 m m 0 5 2 0 m m 。提升、运输中常用的钢丝 绳是由钢丝捻制成螺旋状的绳股,再由绳股围绕绳芯捻制成螺旋状的钢丝绳。典型的钢 丝绳捻制方法有:左交互捻、右交互捻、左同向捻、右同向捻和右混合捻 2 1 。 在钢丝绳中,绳股是构成钢丝绳的主要单元,图1 1 是不同绳股结构的钢丝绳横截 西安石油大学硕士学位论文 面图【3 J 。从图中可以看出:除图1 1 ( k ) 、( 1 ) 所示密封钢丝绳属单股结构外,其他 都属多股结构,这就决定了钢丝绳表面不是光滑的,而是具有螺旋状的起伏不平的股波; 绳股的断面形状有圆形股和异形股( 图1 1 ( h ) 为三角形绳股,图1 1 ( n ) 为椭圆 形绳股) ;股内各层钢丝的数量多少与直径大小不尽相同;钢丝绳的绳芯有纤维 绳芯和金属绳芯两种,其作用是支撑固定绳股位置,保持钢丝绳形状稳定,减少绳股之 间钢丝的摩擦和挤压,缓和钢丝绳的弯曲应力,纤维绳芯还可储存润滑油脂,防止钢丝 锈蚀。石油工业中比较常用的是6 x 1 9 型钢丝绳,如图1 1 ( c ) 所示。 罐瓣黪黪 ( a ) 6 X 7 ( 线接触)( b ) 6 1 9 ( 点接触)( C ) 6 1 9( d ) 6 1 9 ( 金属绳芯、 ( 西鲁型,线接触)西鲁型,线接触) 臻臻耱黪一 ( e ) 6 ”( 3 6 ) ( 金属绳芯、( f ) 6 。( 2 8 )( 曲6 1 ( 2 5 )( h ) 6 6 ( 2 5 ) 瓦林吞型,线接触)( 瓦林吞型,线接触)( 瓦林吞型,线接触)( 金属绳芯、三角股绳) 黎毒 ( i ) 6 ”( 2 8 ) ( j ) 1 7 X 2 6 ( 金属绳芯( k ) 金属封绳( I ) 半密封绳 ( 瓦林吞型,面接触)多层股,面接触) 黎黪舞 ( m ) 1 7 7 多层股绳( n ) 1 2 X 6 + 3 X 1 2( 0 ) 6 X 2 4 ( 多层股,内椭圆股)( 纤维股芯,船舶用) 图卜1 钢丝绳绳股断面结构 2 第一章绪论 钢丝绳绳股内各层钢丝之间的相互接触状态对钢丝绳的性能和损伤影响较大。绳股 内各层钢丝之间的相互接触状态有点接触、线接触和面接触三种【3 J :点接触钢丝绳股 内各层钢丝的捻距相同、捻角不等;其接触状态如图1 2 ( a ) 所示。在工作过程中,有 应力集中和二次弯曲现象,易磨损、断丝;线接触钢丝绳股内各层钢丝的捻距不同、 捻角相等,如图1 2 ( b ) 所示。此种钢丝绳多用不同直径的钢丝捻制而成,柔性好、寿 命较前者高、工作中无二次弯曲现象,但股内各层钢丝承受的拉力不等,易断丝;面 接触钢丝绳是将线接触钢丝绳的绳股经特殊的挤压加工,使钢丝产生塑性变形而呈面接 触状态,其断面形状如图1 1 ( i ) 、( j ) 。面接触钢丝绳结构紧密、表面光滑、股内各层 钢丝接触应力小,与同直径的另两种钢丝绳相比,其金属断面系数大、强度高、耐磨损 和耐挤压性能好、寿命长,是大力发展和推广应用的绳种。 图1 - 2 钢丝绳股内各层钢丝接触状态 钢丝绳的结构尺寸3 1 ,如图1 3 所示,主要包括:钢丝绳的公称直径,即钢丝绳 的外接圆直径;单根钢丝直径;绳股间距,即沿钢丝绳轴向方向上两相邻绳股的 间距;捻距,即指同一绳股沿绳芯绕行一周后的轴向距离,相当于螺距,在数值上 等于绳股间距与绳股数的乘积。 图1 - 3 钢丝绳的结构 1 3 国内外钢丝绳无损检测技术 绳 径 自1 9 世纪下半期,人们就开始了钢丝绳无损检测技术的研究工作。目前,国内外己 提出具有代表性的方法有【4 】:电磁检测法、超声波检测法、红外线检测法、射线检测法、 。一 西安石油大学硕士学位论文 声发射检测法、涡流检测法。近几年,除了电磁检测技术在实践中得以应用外,其他检 测方法依然仅限于实验室研究,电磁检测法是目前公认的最可靠的钢丝绳检测方法,详 见表1 1 所示 3 , 5 - 8 。 表卜1 无损检测方法 物理方法测量原理分析方式优点缺点 判断断丝、点蚀断丝、点蚀 电磁法 测量漏磁通图线分析 等局部缺陷同时存在难以区分 测定金属不宜用于定量 电磁法测量主磁通图线分析 截面积变化检测断丝等局部缺陷 能确定结构复杂, 电磁法磁性成像图像分析 断丝、锈蚀区图像解释不唯一 测量钢丝绳结构 振铃计数、仪器费用高, 声发射法测量断丝、变形 变化时的弹性波事件计数信噪比低 超声波在回波图线操作复杂, 超声波法测量断丝 介质中传播分析信噪比低 非穿过式测量,对断丝、锈蚀等 磁致伸缩法磁致伸缩效应图线分析 可一次测量长度缺陷分辨率低 对断丝、锈蚀等 电涡流法电涡流效应图线分析可检测断丝、锈蚀 缺陷分辨率低 测定固定图线、数据对移动钢丝绳 电流法能测定断面状况 钢丝绳的电阻分析的检测困难大 横向激励振动波可检测出钢丝绳 振动检测法图线分析缺陷分辨率低 在钢丝绳中传播 截面积变化区 强x 射线不能连续测量, X 。射线法拍摄照片能确定断丝 垂直于绳轴照射射线防护费用高 1 3 1 国外钢丝绳无损检测技术的发展及现状 ( 1 )国外钢丝绳无损检测技术的发展 国外钢丝绳无损检测技术的发展经历了三个阶段【9 :定性检测金属截面积损耗 ( L M A ) 或局部缺陷( L F ) 因素的检测装置阶段;金属截面积损耗( I ,M A ) 定量检测 和局部缺陷( L F ) 检测一体化的电子仪器阶段;金属截面积总变化( T C M A I ,M A ) 定 量检测和局部缺陷( L F ) 检测一体化智能检测装置阶段。 1 9 0 6 年,南非人CM c C a n n 和RC o l s o n 发明了最早的钢丝绳无损检测装置,如图 4 第一章绪论 1 4 所示,用于测量钢丝绳的截面损失。由于这种检测方法采用了交流( A C ) 励磁,故 称为A C 方法 1 0 】。该方法测量精度很差,每次测量都要花费大量的时间把线圈缠绕在钢 丝绳上,因此很难在工程中推广使用。 2 0 世纪2 0 至4 0 年代科学家发明了直流线圈对钢丝绳励磁,差动检测线圈测量漏 磁场来判断钢丝绳上的局部损伤缺陷。由于采用直流( D C ) 将钢丝绳沿轴向励磁至饱 和,测量损伤处的漏磁通来判断损伤情况,故称为D C 方法【lU 1 。直流励磁结构庞大,仪 器笨重,操作复杂,线圈安装困难,检测结果可靠性差。1 9 1 9 年,R LS a n f o r d 和W B K o u v e n h o v e n 研制成功了世界上第一个采用漏磁通原理的无损检测装置【1 1 】,他们对两 种检测线圈,即单一多匝线圈和两个相同的且相距很近的多匝线圈取动信号,如图1 5 所示。差动线圈的抗干扰能力强,得到的结果比较可靠,但由于要花费大量的时间把线 圈缠绕在钢丝绳上,所以不宜在实际中应用。1 9 3 7 年,RW o m l e 和HM i i l l e r 发明了分 体式差动线圈,从而解决了这个问题,如图1 5 ( c ) 所示,它和图1 5 ( b ) 的差动线圈 是等效的。随后W o m l e 利用他们的发明首先实现了钢丝绳的在线检测。 , 接收线圈 _ 钢丝绳 :发射线圈 、一 钢丝绳 f b )( c ) 图1 - 4 测量钢丝绳截面损耗的A C 法图1 - 5 线圈检测漏磁通法 由于交流方法测量钢丝绳截面损失存在严重不足,人们一直在寻找新的测量截面损 失的方法。7 0 年代问世的M a g n o g r a p h 钢丝绳无损检测仪首次采用直流方法定量测量截 面损失,称为全磁通方法( T o t a l F l u xM a g n e t i cM e t h o d ) u ,原理如图1 - 6 所示。该仪 器使用永久磁铁将钢丝绳沿轴向直流励磁至饱和,则钢丝绳的磁通量与钢丝绳的横截面 积成正比,以霍尔元件测量磁轭与钢丝绳问的磁感应强度,就可以计算出钢丝绳中的磁 通量,它还能同时进行局部损伤的检测。随后又出现使用相同原理而采用磁通门探头的 R o t e s c o g r a p h 型钢丝绳探伤仪。 1 9 8 7 年,H RW e i s c h e d e l 发明了另一种测量钢丝绳磁通量的方法,原理如图1 7 所 示【l o , 1 2 ,将套在钢丝绳上的线圈相对于钢丝绳作轴向移动,并对线圈的感应电势积分, 就可得到线圈所在位置钢丝绳中磁通量与起始位置钢丝绳中磁通量的差值,即截面积损 失量。为避免每次测量都要缠绕线圈,他还发明了一种分体式线圈【1 2 】,在定量检测截面 西安石油大学硕士学位论文 损失的同时,它还可兼作测量局部损伤的差动线圈。美国、英国和德国也相继研制成功 了基于上述原理的探伤仪,如美国N D T 公司于8 0 年代末生产的L M A 一2 5 0 系列钢丝绳 无损探伤仪。 永久磁铁 ,、 的过程强度阢3 4 1 ,随f ,S 。,S :,S M 取值不同而发生变化,它 不仅依赖于断丝数,而且依赖于时间t ,满足i ) ,i i ) 的随机过程 f ,t 0 ) 称为自激点过 程。根据断丝过程可以进行钢丝绳剩余寿命的预测和钢丝绳最佳更换期的研究。 1 4 4 其它安全评价方法 对钢丝绳进行应力分析,求解钢丝绳截面积的允许减少率,以钢丝绳不能继续使用 时的承力面积作为失效的主要指标【3 5 1 ,超过指标时不可继续使用。 通过建立钢丝绳在钻井各工艺过程中做功量的一种实用计算公式,为钢丝绳在现场 1 4 第一章绪论 使用时进行定量判废提供理论依据【2 5 1 。 根据钢丝绳旋转捻制的结构特点和弹性力学的知识,将钢丝绳作为粘弹性杆处理, 对提升钢丝绳进行动负荷下的应力分析,计算提升钢丝绳的强度,并建立钢丝绳截面上 的破断拉力总和与提升钢丝绳强度之间的关系,参考安全规程规定的提升钢丝绳的安全 系数,进行钢丝绳的安全评定【3 6 1 。 1 4 5 钢丝绳剩余强度评价方法存在的问题 由于钢丝绳剩余强度的影响因素较多,通过研究发现,目前对钢丝绳剩余强度评价 方法的研究有很多类型,大都是针对某一单一因素的影响进行的,与钢丝绳无损检测技 术没有很好的联系起来。尽管提出了一些数学公式和计算方法,但由于没有综合考虑影 响钢丝绳剩余强度的各种因素,其可靠性不强,准确度不高。影响钢丝绳剩余强度的因 素较多,评价钢丝绳时应综合考虑这些因素对钢丝绳性能的影响才能得到较为可靠的结 论。因此要对钢丝绳进行实时在线无损检测,定量检测钢丝绳局部缺陷和金属截面积损 耗,综合考虑钢丝绳的各类影响因素,找到钢丝绳局部缺陷、金属截面积损耗与钢丝绳 剩余强度之间的关系,定量评定钢丝绳的剩余强度,避免事故的发生,提高经济效益。 1 5 本文的研究目的及意义 我国是世界石油钻井大国,但我国的石油钻井技术和管理水平与发达国家仍有一定 差距,每年发生的钻井事故较多,损失很大。钻机提升系统是钻机最容易发生断裂事故 的部件,钻井钢丝绳使用条件恶劣,是钻机最危险的部位,其损伤程度和承载能力直接 关系到设备和人身安全,所以钢丝绳是需要安全评定的主要部件之一。 本文的目的是研究在役钻井钢丝绳剩余强度定量评定的方法,即利用无损检测仪检 测钢丝绳局部缺陷和金属截面积损耗,建立钢丝绳局部缺陷、金属截面积损耗与钢丝绳 剩余强度之间的关系,并以此作为钢丝绳安全性定量评定的依据。 本研究完成后可以初步解决我国钻井钢丝绳倒绳、切除、判废的定量评价问题,降 低钻井提升系统断裂事故引发的生命财产损失,使得钻井钢丝绳倒绳、切除、判废有比 较准确的依据,将会获得良好的经济效益和社会效益。 西安石油大学硕士学位论文 第二章钢丝绳损伤分析研究 钢丝绳剩余强度的定量评定是应用钢丝绳无损检测仪器对钢丝绳的损伤缺陷进行 定性定量检测。钢丝绳在使用中会产生多种形式的损伤缺陷,根据钢丝绳损伤的性质和 特征,可将钢丝绳的损伤分为两大类:局部缺陷型( L o c a l i z e dF a u l t ) 和金属截面积损 耗型( L o s so f M e t a l l i cC r o s sS e c t i o n a lA r e a ) ,并分别简称为L F 型损伤和L M A 型损伤。 L F 型损伤是指在钢丝绳局部产生的损伤,主要包括内、外部断丝,锈蚀斑点,局部形 状异常等,特点是钢丝绳的金属截面积突然减小。L M A 型损伤是指钢丝绳在轴向较长 的范围内有效金属截面积的缓慢减少,主要包括磨损,长距离锈蚀,绳径缩细等,特点 是钢丝绳的金属截面积在较长范围内普遍减少。 2 1 在役钻井钢丝绳损伤分析 对油田现场发生的多起钢丝绳意外断裂事故进行调查研究发现,随着钢丝绳使用时 间的持续,钢丝绳会产生磨损、表面损伤( 砸伤、挤伤等) 、锈蚀、疲劳、变形等损伤现 象。意外因素( 如顿钻、抽股、一股断裂、散股、压扁、扭结等) 造成操作失控是导致 钢丝绳断裂的外在原因;表面过分磨损( 直径减少1 0 ) 、意外砸伤是断裂的内在原因; 磨损、腐蚀( 出现点蚀坑、麻芯损坏、腐烂、缺油、碰伤) 等综合原因导致断绳;钢丝 绳松股现象通常是由于受到异常载荷作用产生的。这些因素的综合影响导致钢丝绳断丝 数目增多,破断拉力明显下降,最终导致钢丝绳的意外断裂。 2 1 1 磨损 磨损和绳径变化是紧密相关的,一般通过对钢丝绳直径测量来测定其磨损程度。绳 径变细分正常变细和磨损变细两类【3 7 1 。正常变细是指新绳悬挂后( 通常在开始使用后不 久) ,直径变细速度较快,当变细到公称直径附近时( 钢丝表面还没有发生磨损) ,出现 暂时稳定,变细的原因是钢丝绳捻制结构引起伸长和变细,属正常变细,破断拉力不但 不损失,反而使钢丝绳紧密度增加,对使用是有好处的,以后继续使用时,随着钢丝表 面开始磨损,直径又渐渐地变细,变细是由于钢丝磨损和绳芯腐蚀变质等原因造成的, 称磨损变细,对使用有一定影响。 磨损变细的原因很多,有的是由于长期的机械磨损( 包括钢丝绳表面和股间各钢丝 之间) ,有的绳芯缩细( 局部突然缩细,这种现象可能是由于受到冲击力或遇到火焰喷 射使绳芯烧毁) ,还有钢丝局部锈蚀和断丝造成金属断面的减少。 ( 1 ) 磨损类型和特征 钢丝的机械磨损一般可分为:外部的均匀磨损、变形磨损、内部磨损,其断面形状 如图2 1 所示【3 7 4 。 1 6 第二章钢丝绳损伤分析研究 o Q ( a ) 外部均匀磨损 ( b ) 变形磨损( C ) 内部磨损 图2 1 钢丝磨损断面形状 外部磨损钢丝绳在使用过程中,与滑轮、卷筒、地面岩石等接触产生的钢丝磨 损。在外部磨损后绳径将变细,外周表面的细钢丝被磨平。在实际现象中有单面磨损和 均匀磨损,单面磨损主要是钢丝绳在不光滑的滑轮槽内或滑轮不转动而造成的,在地辊 和地面上产生的硬性磨擦也会产生这种现象。均匀磨损是在正常使用状态下的磨损。钢 丝绳单面磨损和均匀磨损示意图,如图2 2 所示【3 7 】。一般来讲钢丝绳破断拉力下降率和 钢丝绳直径减少率成比例关系,而单面磨损比均匀磨损下降率增加一倍左右,如图2 3 所示 2 5 1 。 ( a ) 单面磨损 图2 - 2 钢丝绳磨损示意图 ( b ) 均匀磨损 051 01 52 02 53 03 54 0 绳径减少率 图2 3 钢丝绳的绳径减少率和钢丝断面积减少率之间的关系( 外部和内部磨损共同作用) 1 7 加 断面积减少率矩 西安石油大学硕士学位论文 变形磨损变形磨损是针对钢丝绳在某一段的局部磨损而言的,产生的原因是钢丝 绳与滑轮经常产生陧性移位,钢丝绳在滑轮上剧烈振动、冲击,或者由于滑轮与卷筒中 心偏斜而产生的咬绳现象所造成的。这种变形磨损是局部挤压变形,其钢丝横断面是挤 压处向两旁伸展成翅形,从外观看钢丝宽度扩展,钢丝断面积并未显著减少,但局部挤 压处钢丝材质硬化,极易造成断丝。 内部磨损钢丝绳在使用过种程中,经过卷筒或滑轮时,钢丝绳所承受的全部负荷 压在钢丝绳的一侧,同时由于钢丝的弯曲,股中钢丝产生移动,这时股与股之间接触应 力最大,使相邻股间的钢丝产生局部压痕深凹,当反复循环拉伸弯曲时,在深凹处会产 生应力集中,最终钢丝被折断。 ( 2 ) 磨损对钢丝绳使用寿命的影响 钢丝绳之间或钢丝绳和滑轮之间的相对运动会产生摩擦,摩擦的结果一是产生磨 损,钢丝直径减小;二是产生摩擦热,温度较高时钢丝表面组织发生变化,产生白层淬 火组织及回火组织( 见图2 4 ) ,淬火组织硬度高、脆性大、受弯曲力或冲击振动载荷时 易产生裂纹,进而使钢丝疲劳断裂( 见图2 5 ) ,这是导致钢丝绳断裂的主要原因。 图2 - 4 钢丝表面薄层产生马氏体组织图图2 - 5 钢丝磨损后表面裂纹 由于磨损引起的钢丝表面组织剧变,导致了钢丝性能的劣化。磨损使钢丝有效承载 面积减小,加上表面产生的裂纹深度及脆化组织层深度,有的有效承载面积只有原来的 一半。同时磨损造成了应力集中,单丝断口几乎均位于磨损处。 由于钢丝绳受力比较复杂,就单个钢丝而言,承受拉伸、弯曲、扭转载荷,同时还 承受跳钻,钻柱共振以及刹车起动所带来的钢丝绳抖动,加速度引起的动态力等动载荷, 在深井或超深井作业中服役的钢丝绳受力情况更为复杂。在上述力的作用下,磨损损伤 表面易产生疲劳裂纹,首先是淬硬的马氏体层出现疲劳裂纹,继续服役过程中裂纹扩展, 单丝受力超过断裂强度时提前发生断裂。 第二章钢丝绳损伤分析研究 2 1 2 表面损伤 ( 1 ) 表面损伤的形式 钢丝绳表面损伤的形式有:砸伤、挤伤、压伤、碰伤、刮伤等,常见的是砸伤和内 层丝的挤伤。 砸伤是一种常见的表面损伤形式( 见图2 6 ) ,这种损伤是现场工具和设备意外接触 钢丝绳造成的,有时钢丝绳跳槽也可能造成此类伤害,伤痕一般是凹坑。内层丝的挤伤 ( 图2 - 7 ) 是由于钢丝绳在经过滑轮或缠绕到滚筒上时承受巨大的径向力,这种力有将 钢丝绳压扁的趋向,因此钢丝之间相互挤压,其接触表面会形成挤压伤痕。 图2 - 6 钢丝绳外层丝砸伤伤痕 ( 2 ) 表面损伤对钢丝绳性能的影响 图2 7 钢丝绳内层丝挤伤伤痕 f 、 表面损伤是使用后钢丝绳单丝扭转值大幅下降的原因,单丝上轻微损伤( 碰伤、砸 伤、挤伤等) 即可对起扭转值产生很大的影响,但对单丝正载破断拉力影响不大,除非 损伤严重时,破断拉力才有明显降低。表面损伤后,钢丝拉伸性能下降,多数钢丝达不 到标准规定值要求。钢丝扭转值大幅下降,损伤程度严重时,扭转一次即断裂,大部分 钢丝扭转值大大低于标准要求。钢丝拉伸和扭转试验断口几乎1 0 0 断裂于表面损伤处。 钢丝反复弯曲性能下降,有些试样人工弯折不足1 8 0 0 即发生断裂; 钢丝正常组织为均匀分布的拉长索氏体+ 少量珠光体+ 少量铁素体组织。砸伤引起的 钢丝绳断裂的断口,高倍下观察断口形貌为韧窝,如图2 8 所示。砸伤凹坑坑底呈鱼鳞 状形貌,表面极不平整,表面质量明显下降,有些断口附近因出现砸伤、挤伤而形成的 龟裂形貌,如图2 - 9 所示。钢丝表面砸伤后,伤痕( 一般为凹坑) 周围组织发生再次变 形,与基体组织形成两种截然不同的组织区域,局部还出现白亮马氏体层和显微裂纹。 这种组织性能差异将给钢丝绳的承载能力带来很大损害。钢丝绳受挤压形成的伤痕与钢 丝的捻制方向是一致的,接近一种螺旋状,这种损伤是钢丝之间受力后相互切入形成的。 光学显微镜观察结果表明,伤痕周围组织发生了强烈的再次变形,与基体组织的方向完 全不同,形成了过渡很突然的两种组织区域,因而在过渡处极易形成裂纹。 1 9 西安石油大学硕士学位论文 图2 - 8 钢丝绳断口韧窝形貌 图2 - 9 钢丝砸伤形成龟裂形貌 从受力条件分析,各种表面损伤的影响可归纳为:伤痕处截面积明显减小;伤 痕处产生应力集中;伤痕处变的极为粗糙。因为钢丝的机械性能严重恶化,不管是 实际使用中钢丝绳的断裂还是试验中钢丝的断裂,断口均位于表面损伤处,如图2 - 1 0 所示,而且单丝损伤深度越大,有伤断口数越多。 2 1 3 锈蚀 ( a ) 纵向 图2 - 1 0 钢丝砸伤引起断裂 ( b ) 横向 钢丝绳在使用过程中,长时间受到泥浆及有害气体的侵蚀很容易产生腐蚀破坏。钢 丝绳的锈蚀( 生锈、腐蚀) ,就是钢丝绳的金属表面与周围介质发生化学或电化学反应 而产生的破坏现象,如图2 1 l 所示。锈蚀引起的破坏一方面使钢丝承载面积减小,另 一方面容易引起应力集中。 第二章钢丝绳损伤分析研究 锈蚀可分为外部锈蚀和内部锈蚀【3 7 1 ,检查锈蚀目前只能采用目测和敲打的方法。内 部锈蚀的检查比外部锈蚀困难得多,通常采用的方法有两种:一是将钢丝绳股与股之间 设法拧开;二是测量绳径是否粗细不均。锈蚀损伤不是单独存在的,一般是与疲劳和磨 损同时产生,这就是通常所讲的腐蚀疲劳和腐蚀磨损。 图2 1 1 钢丝表面腐蚀现象 钢丝绳使用时,一方面与锈蚀介质接触,同时又承载了不同应力的变化,有内在的 和外在的双重影响。应力可以加速锈蚀的破坏,而锈蚀也可促使应力的破坏。钢丝绳锈 蚀后,力学性能随之降低,不仅使金属截面积减少,影响拉力,而且会导致绳芯( 天然 纤维绳芯) 腐烂,使股与股之间钢丝磨损加快、钢丝绳直径变细,钢丝的韧性和扭转值 明显下降,最终造成使用脆性。为了便于分析,表2 1 中【2 5 】把钢丝绳的锈蚀程度分为4 个等级,并粗略估计锈蚀对力学性能的影响。 表2 1 钢丝绳锈蚀的分级及对钢丝绳力学性能的影晌 级别力学性能损失钢丝绳表面锈蚀程度 轻度( I ) 约1 0 钢丝变色,失去光泽,有锈皮或麻点( 在钢丝表面呈现小黑点) 较重( I I ) 1 0 3 5 钢丝表面锈皮较厚或有麻坑,但尚未连接起来 严重( ) 2 5 4 0 有锈蚀裂纹,麻点形成麻坑,连成麻沟,外层钢丝松动 危险( ) 4 0 锈蚀面积大,钢丝失去圆形,股间钢丝咬痕深达钢丝直径的1 3 1 2 从表2 1 中可知,I 级属于轻度锈蚀,锈蚀影响不大,可按其它规定报废;I I 级锈 蚀时应考虑锈蚀的影响;级是严重的锈蚀,一般达到级时使用不安全了;级已达 危险状态。 2 1 4 疲劳 钢丝绳在使用过程中主要承受弯曲疲劳以及拉伸、扭曲和振动引起的疲劳。 ( 1 ) 弯曲疲劳 2 1 西安石油大学硕士学位论文 钢丝绳绕上卷筒或滑轮时,钢丝因弯曲会产生弯曲应力,而内部钢丝之间互相挤压 出现细微变形也会产生弯曲应力。钢丝绳中的钢丝受到反复出现的载荷作用,在最弱和 应力最大的地方先是形成裂纹,然后裂纹逐渐扩大,最终导致疲劳断丝【3 0 1 。疲劳断丝通 常出现在股的弯曲程度最厉害的- N ; I - 层钢丝上。一般情况下,疲劳断丝的出现意味着 钢丝绳已经接近使用后期。 ( 2 ) 拉伸、扭曲和振动引起的疲劳 在使用过程中,钢丝绳承受载荷的前后,变化的拉伸应力会引起金属疲劳。钢丝绳 与卷筒或滑轮表面接触时,钢丝所受的拉伸载荷不仅会使钢丝之间产生挤压应力,而且 在钢丝绳与卷筒或滑轮轮槽之间也会产生挤压应力。在这些挤压应力的作用下,钢丝绳 会发生快速的磨损,导致使用寿命大大降低。钢丝在钢丝绳中呈螺旋形,位于钢丝绳轴 线上的拉伸载荷,有将钢丝拉直的趋势,从而使钢丝受扭,产生扭转剪切应力【3 0 1 。疲劳 损伤的原理是在变应力的作用下,细钢丝表面首先由于各种滑移形成初始裂纹,然后裂 纹尖端在切应力的作用下反复塑性变形,使裂纹扩展直至断裂。 2 1 5 变形 钢丝绳在搬运和使用过程中,由于受到突然的撞击或冲击,而产生破坏钢丝绳原有 结构的现象,称为变形【3 7 】。变形不仅直接损坏一部分钢丝,而且因为改变了钢丝绳形状, 破坏了原绳的结构,会产生诸如拉应力再分配等现象,加速磨损并导致变曲疲劳损失增 加。钢丝绳的变形一般可分为:压扁、股松弛、弯折和扭结等【3 7 1 。 ( 1 ) 压扁 钢丝绳从高处摔下或受其它物件的冲撞挤压,以及乱绕在卷筒上使负载过大,从滑 轮轮槽上滑出落在轴上,都会造成局部压扁现象。局部压扁使一部分钢丝损坏,绳和股 的结构遭到破坏,不仅使破断拉力降低,而且会加速造成断丝和不规则的磨损3 7 1 。 ( 2 ) 股松弛 钢丝绳在过小的滑轮上工作,由于受N , N 烈的张力变化作用,个别股会出现松弛或 陷落现象,卸载后钢丝绳各股无法恢复原形。由于股松弛各股所承担的应力失去平衡, 使钢丝绳破断拉力损失较大,对钢丝绳的使用寿命产生很大影响。 ( 3 ) 弯折和扭结 钢丝绳局部受到冲击可能形成弯折现象。这种损伤会使钢丝绳局部弯曲,产生永久 变形。弯折使钢丝破断拉力下降,弯折程度越大,拉力值下降程度越大。 钢丝绳在局部扭曲后产生的永久变形叫扭结,扭曲的方向与钢丝绳旋向一致的称为 第二章钢丝绳损伤分析研究 正扭结,反之称为负扭结 3 9 】。普通钢丝绳带有自转性,如果绳股端部不加捆扎便施加张 力,绳股会向倒捻方向旋转,这是造成扭结的内在因素。钢丝绳一旦形成扭结,破断拉 力明显下降。尽管有些扭结的钢丝绳经过修复,表面上看不到明显的痕迹,但其内部还 是留下了一个伤痕,特别容易造成局部磨损和断丝,并导致意想不到的事故。根据研究 表明【4 ,钢丝绳在扭结损伤后强度将显著降低,正扭结的强度只有原强度的6 0 8 0 , 负扭结的强度还不到原强度的5 0 ,严重时强度将降低到只有原来的1 0 2 0 。 2 2 钢丝绳损伤对剩余强度的影响 钢丝绳磨损、表面损伤( 砸伤、挤伤等) 、锈蚀、疲劳、变形的加剧最终会导致断 丝的产生,断丝的主要形式有:磨损断丝、锈蚀断丝、疲劳断丝、剪切断丝、过载断丝、 扭结断丝等。断丝的常见断E l 形状如图2 1 2 所示【3 7 】。钢丝绳出现断丝后钢丝绳截面积 减少,承受拉力的减少量与断丝多少、断丝分布有关【3 7 】。钢丝绳一旦产生断丝,钢丝绳 强度会大幅下降,极易引发钢丝绳的意外断裂。 二= 二= ( a ) 过载 亡= = s = 3 ( c ) 磨损 ( e ) 剪切 匕 ( b ) 疲劳 E ;留罄 ( d ) 锈蚀 ( f ) 翱结 图2 1 2 断丝分类和断口形状示意图 过载断丝是钢丝绳承受过载负荷或冲击力过大所造成的,这种现象在一般正常使用 过程中很少出现。断口形状类似正常拉断,呈杯状塑性收缩。单纯过载钢丝破断部位分 散,伴有冲击,折弯时又易集中在一股。疲劳断丝是钢丝绳通过滑轮或卷筒时,在许用 应力作用下承受一定反复弯曲次数后,使钢丝由于金属疲劳而引起的断丝。断口形状平 齐、象刀切的样子,只有- d , 部分是最后被拉断,疲劳断丝出现在股的弯曲程度最厉害 的一侧外层钢丝,意味着钢丝绳使用已经接近后期。磨损断丝是在钢丝磨损极其严重时 才会出现,断口形状两侧呈斜茬,断口扁平。锈蚀断丝是在锈蚀严重的钢丝绳使用后期 出现,断口形状不整齐,呈针尖状。剪切断丝一般是钢丝绳在某一拐角上,钢丝被硬性 拉断,断口形状呈剪切状。扭结断丝一般在正常使用过程中不会出现,它是钢丝绳由于 出现钢丝松弛造成扭结现象后才出现。断口形状平整光滑,类似镜面。此外,经常在腐 蚀性环境下使用,钢丝遇到各种腐蚀介质影响而产生氢脆断丝现象,这种断口是不规则 西安石油大学硕士学位论文 的,出现氢脆现象很危险。 钢丝绳判废标准不一致,如以断丝数作为判废标准,则从一个捻距内3 根丝到1 4 根丝不等,完全按照经验,提早报废造成浪费。目前,对钻井钢丝绳判废切除主要依据 A P IR P9 B 1 ( 油田用钢丝绳的使用、维护推荐做法) 的规则,这种方法是一种经验的定 性方法,它用计算及查表的方法估计一般工况下钢丝绳的寿命( K N m ) ,对具体工况下 钢丝绳的损伤和寿命无法准确评定,可操作性不强,这是导致目前钻井钢丝绳经常发生 断裂的因素之一,所以必须利用无损检测仪器对钢丝绳进行检测,这种仪器一般使用漏 磁场原理检测绳中断丝数目以及磨损、腐蚀等。根据钢丝绳损伤检测的结果推测在役钢 丝绳的强度损失,由安全系数和使用章程决定更换钢丝绳的时间。 2 3 本章小结 ( 1 ) 根据钢丝绳损伤的类型和特征,钢丝绳损伤缺陷有两种类型:局部缺陷型( L F

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