安全生產(chǎn)_在役鉆井鋼絲繩安全評定方法研究論文

西安石油大學(xué) 碩士學(xué)位論文 在役鉆井鋼絲繩安全評定方法研究 姓名：陳輝 申請學(xué)位級別：碩士 專業(yè)：材料加工工程 指導(dǎo)教師：馮耀榮 20060515 中文摘要 論文題目：在役鉆井鋼絲繩安全評定方法研究 專業(yè)：材料加工工程 碩士生：陳輝( 簽名)醢 羞至 指導(dǎo)教師：馮耀榮( 簽名) 么乏轡 摘要 鋼絲繩在石油工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。鉆井鋼絲繩是鉆機提升系統(tǒng)的重要組成部分， 鉆機提升系統(tǒng)是鉆機最容易發(fā)生斷裂事故的部件。目前，對鋼絲繩只能依據(jù)A P II 沖9 B 標(biāo)準(zhǔn)進行定性評定，可靠性差。因此研究鋼絲繩安全性定量評定的方法日益迫切。 基于國內(nèi)外鋼絲繩無損檢測技術(shù)系統(tǒng)深入的研究，選用定性、定量準(zhǔn)確率較高的無 損檢測儀器進行鋼絲繩損傷缺陷的檢測。研究國內(nèi)外各種鋼絲繩剩余強度安全評價方法 及其存在的問題。對鋼絲繩各類損傷狀況及其對鋼絲繩性能的影響進行了全面系統(tǒng)的分 析，得出鋼絲繩的兩種主要損傷缺陷，即局部缺陷( L F ) 和金屬截面積損耗缺陷( I ，M A ) 。 應(yīng)用鋼絲繩無損檢測儀對鋼絲繩進行局部缺陷和金屬截面積損耗缺陷檢測，獲得了 定性、定量準(zhǔn)確率較高的檢測結(jié)果。進行鋼絲繩結(jié)構(gòu)和受力分析研究，并基于大量的鋼 絲繩損傷缺陷和強度分析，分別研究了鋼絲繩局部缺陷和剩余強度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，以 及鋼絲繩金屬截面積損耗缺陷和剩余強度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，最終建立了鋼絲繩局部缺陷、 金屬截面積損耗缺陷和鋼絲繩剩余強度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，并進行鋼絲繩安全系數(shù)的計 算，為鋼絲繩安全評定提供了重要的依據(jù)。本文應(yīng)用V i s u a lB a s i c 軟件編寫了鋼絲繩剩余 強度評定系統(tǒng)程序，初步實現(xiàn)了鋼絲繩剩余強度的定量評定，使鋼絲繩剩余強度的評定 更方便、快捷、準(zhǔn)確。 關(guān)鍵詞：鋼絲繩安全評定剩余強度無損檢測 論文類型：開發(fā)研究 ( 本文得到“中國石油天然氣集團公司技術(shù)開發(fā)項目( 0 4 8 2 1 0 1 4 0 0 ) ”的資助) 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 ) ”) 學(xué)位論文創(chuàng)新性聲明 Y941 64 6 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成 果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他 人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果；也不包含為獲得西安石油大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位 或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中做 了明確的說明并表示了謝意。 申請學(xué)位論文與資料若有不實之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 論文作者簽名： 篷莖軍日期：趁五耋盤 學(xué)位論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解西安石油大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀 學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬西安石油大學(xué)。學(xué)校享有以任何方法發(fā)表、復(fù)制、 公開閱覽、借閱以及申請專利等權(quán)利。本人離校后發(fā)表或使用學(xué)位論文或與該論文直接 相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時，署名單位仍然為西安石油大學(xué)。 論文作者簽名： 酸疆 導(dǎo)師簽名：、名乞乏戛豸窆夕日期：乙細(xì)Z ，丘，) 。、 第一章緒論 第一章緒論 1 1 前言 鋼絲繩在石油工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，如在鉆機提升、油井抽油、撈砂、頓鉆和清屑 等方面都大量使用。石油鉆井鋼絲繩占全國石油工業(yè)鋼絲繩數(shù)量的較大部分。相較于普 通鋼絲繩，鉆井鋼絲繩使用條件惡劣、載荷大、繩速高( 9 0 1 5 0 m m i n ) 、損傷大，鋼 絲繩通過的滑輪數(shù)量多且結(jié)構(gòu)尺寸不大；在鉆井作業(yè)中，鋼絲繩從絞車滾筒經(jīng)天車快繩 到游車要承受較大彎曲交變載荷。鉆井鋼絲繩是鉆機提升設(shè)備的重要組成部分，而鉆機 提升系統(tǒng)是鉆機最容易發(fā)生斷裂事故的部件。在天車滑輪上，由于絞車啟動和剎車加速、 減速形成很大的脈動載荷，再加上鉤載負(fù)荷形成很大拉應(yīng)力；起鉆時，鋼絲繩以很高的 速度纏繞到滾筒上，滾筒兩端由第一層到第二層的過渡處以及上下兩層繩之間的交叉點 形成很大的擠壓力，引起鋼絲繩變形或破壞。隨著我國深井和超深井鉆探開采工作的不 斷發(fā)展，鉆井鋼絲繩的使用條件更加惡劣，曾發(fā)生多起鋼絲繩斷裂事故。由于鉆井平臺 作業(yè)空間狹窄，鉆具、游車系統(tǒng)全靠鋼絲繩懸掛，一旦發(fā)生斷裂事故，不但經(jīng)濟損失慘 重，而且可能造成重大人員傷亡。因此，鋼絲繩是需要安全評定的主要部件之一。 目前，對鉆井鋼絲繩判廢切除主要依據(jù)A P IR P9 B ( 油田用鋼絲繩的使用、維護 推薦做法) 的規(guī)則，該規(guī)則根據(jù)鋼絲繩的使用工作量( K N m ) 評定鋼絲繩的壽命，即 以鋼絲繩承受的載荷與工作行程作為鋼絲繩報廢切除的依據(jù)，這是一種經(jīng)驗的定性的方 法。用計算及查表的方法估計一般工況下鋼絲繩的壽命，只根據(jù)計算數(shù)值決定鋼絲繩的 倒繩與切除，而不考慮鋼絲繩的損傷狀況，所以對具體工況下鋼絲繩的損傷和壽命無法 進行較為準(zhǔn)確的評定：要么對鋼絲繩壽命消耗估計過少，導(dǎo)致鋼絲繩斷裂；要么對鋼絲 繩壽命估計過多，造成過早切除浪費。因此必須找到鋼絲繩定量評定方法對鋼絲繩進行 較為準(zhǔn)確安全的評定。 鋼絲繩安全性定量評定是對鋼絲繩進行剩余強度的定量評定，即應(yīng)用鋼絲繩無損檢 測儀器對鋼絲繩進行損傷缺陷的定性定量檢測，找到鋼絲繩損傷缺陷與鋼絲繩剩余強度 之間的關(guān)系，對存在缺陷的鋼絲繩進行剩余強度的定量評定，并以此作為鋼絲繩判廢的 標(biāo)準(zhǔn)。 1 2 鋼絲繩結(jié)構(gòu) 在石油工業(yè)中所應(yīng)用的鋼絲繩通常是采用酸性或堿性平爐鋼，氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐鋼或電 爐鋼制造的，常用鋼絲繩的直徑范圍為0 9 5 m m 0 5 2 0 m m 。提升、運輸中常用的鋼絲 繩是由鋼絲捻制成螺旋狀的繩股，再由繩股圍繞繩芯捻制成螺旋狀的鋼絲繩。典型的鋼 絲繩捻制方法有：左交互捻、右交互捻、左同向捻、右同向捻和右混合捻 2 1 。 在鋼絲繩中，繩股是構(gòu)成鋼絲繩的主要單元，圖1 1 是不同繩股結(jié)構(gòu)的鋼絲繩橫截 西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文 面圖【3 J 。從圖中可以看出：除圖1 1 ( k ) 、( 1 ) 所示密封鋼絲繩屬單股結(jié)構(gòu)外，其他 都屬多股結(jié)構(gòu)，這就決定了鋼絲繩表面不是光滑的，而是具有螺旋狀的起伏不平的股波； 繩股的斷面形狀有圓形股和異形股( 圖1 1 ( h ) 為三角形繩股，圖1 1 ( n ) 為橢圓 形繩股) ；股內(nèi)各層鋼絲的數(shù)量多少與直徑大小不盡相同；鋼絲繩的繩芯有纖維 繩芯和金屬繩芯兩種，其作用是支撐固定繩股位置，保持鋼絲繩形狀穩(wěn)定，減少繩股之 間鋼絲的摩擦和擠壓，緩和鋼絲繩的彎曲應(yīng)力，纖維繩芯還可儲存潤滑油脂，防止鋼絲 銹蝕。石油工業(yè)中比較常用的是6 x 1 9 型鋼絲繩，如圖1 1 ( c ) 所示。 罐瓣黲黲 ( a ) 6 X 7 ( 線接觸)( b ) 6 1 9 ( 點接觸)( C ) 6 1 9( d ) 6 1 9 ( 金屬繩芯、 ( 西魯型，線接觸)西魯型，線接觸) 臻臻耱黲一 ( e ) 6 ”( 3 6 ) ( 金屬繩芯、( f ) 6 。( 2 8 )( 曲6 1 ( 2 5 )( h ) 6 6 ( 2 5 ) 瓦林吞型，線接觸)( 瓦林吞型，線接觸)( 瓦林吞型，線接觸)( 金屬繩芯、三角股繩) 黎毒 ( i ) 6 ”( 2 8 ) ( j ) 1 7 X 2 6 ( 金屬繩芯( k ) 金屬封繩( I ) 半密封繩 ( 瓦林吞型，面接觸)多層股，面接觸) 黎黲舞 ( m ) 1 7 7 多層股繩( n ) 1 2 X 6 + 3 X 1 2( 0 ) 6 X 2 4 ( 多層股，內(nèi)橢圓股)( 纖維股芯，船舶用) 圖卜1 鋼絲繩繩股斷面結(jié)構(gòu) 2 第一章緒論 鋼絲繩繩股內(nèi)各層鋼絲之間的相互接觸狀態(tài)對鋼絲繩的性能和損傷影響較大。繩股 內(nèi)各層鋼絲之間的相互接觸狀態(tài)有點接觸、線接觸和面接觸三種【3 J ：點接觸鋼絲繩股 內(nèi)各層鋼絲的捻距相同、捻角不等；其接觸狀態(tài)如圖1 2 ( a ) 所示。在工作過程中，有 應(yīng)力集中和二次彎曲現(xiàn)象，易磨損、斷絲；線接觸鋼絲繩股內(nèi)各層鋼絲的捻距不同、 捻角相等，如圖1 2 ( b ) 所示。此種鋼絲繩多用不同直徑的鋼絲捻制而成，柔性好、壽 命較前者高、工作中無二次彎曲現(xiàn)象，但股內(nèi)各層鋼絲承受的拉力不等，易斷絲；面 接觸鋼絲繩是將線接觸鋼絲繩的繩股經(jīng)特殊的擠壓加工，使鋼絲產(chǎn)生塑性變形而呈面接 觸狀態(tài)，其斷面形狀如圖1 1 ( i ) 、( j ) 。面接觸鋼絲繩結(jié)構(gòu)緊密、表面光滑、股內(nèi)各層 鋼絲接觸應(yīng)力小，與同直徑的另兩種鋼絲繩相比，其金屬斷面系數(shù)大、強度高、耐磨損 和耐擠壓性能好、壽命長，是大力發(fā)展和推廣應(yīng)用的繩種。 圖1 - 2 鋼絲繩股內(nèi)各層鋼絲接觸狀態(tài) 鋼絲繩的結(jié)構(gòu)尺寸3 1 ，如圖1 3 所示，主要包括：鋼絲繩的公稱直徑，即鋼絲繩 的外接圓直徑；單根鋼絲直徑；繩股間距，即沿鋼絲繩軸向方向上兩相鄰繩股的 間距；捻距，即指同一繩股沿繩芯繞行一周后的軸向距離，相當(dāng)于螺距，在數(shù)值上 等于繩股間距與繩股數(shù)的乘積。 圖1 - 3 鋼絲繩的結(jié)構(gòu) 1 3 國內(nèi)外鋼絲繩無損檢測技術(shù) 繩 徑 自1 9 世紀(jì)下半期，人們就開始了鋼絲繩無損檢測技術(shù)的研究工作。目前，國內(nèi)外己 提出具有代表性的方法有【4 】：電磁檢測法、超聲波檢測法、紅外線檢測法、射線檢測法、 。一 西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文 聲發(fā)射檢測法、渦流檢測法。近幾年，除了電磁檢測技術(shù)在實踐中得以應(yīng)用外，其他檢 測方法依然僅限于實驗室研究，電磁檢測法是目前公認(rèn)的最可靠的鋼絲繩檢測方法，詳 見表1 1 所示 3 , 5 - 8 。 表卜1 無損檢測方法 物理方法測量原理分析方式優(yōu)點缺點 判斷斷絲、點蝕斷絲、點蝕 電磁法 測量漏磁通圖線分析 等局部缺陷同時存在難以區(qū)分 測定金屬不宜用于定量 電磁法測量主磁通圖線分析 截面積變化檢測斷絲等局部缺陷 能確定結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 電磁法磁性成像圖像分析 斷絲、銹蝕區(qū)圖像解釋不唯一 測量鋼絲繩結(jié)構(gòu) 振鈴計數(shù)、儀器費用高， 聲發(fā)射法測量斷絲、變形 變化時的彈性波事件計數(shù)信噪比低 超聲波在回波圖線操作復(fù)雜， 超聲波法測量斷絲 介質(zhì)中傳播分析信噪比低 非穿過式測量，對斷絲、銹蝕等 磁致伸縮法磁致伸縮效應(yīng)圖線分析 可一次測量長度缺陷分辨率低 對斷絲、銹蝕等 電渦流法電渦流效應(yīng)圖線分析可檢測斷絲、銹蝕 缺陷分辨率低 測定固定圖線、數(shù)據(jù)對移動鋼絲繩 電流法能測定斷面狀況 鋼絲繩的電阻分析的檢測困難大 橫向激勵振動波可檢測出鋼絲繩 振動檢測法圖線分析缺陷分辨率低 在鋼絲繩中傳播 截面積變化區(qū) 強x 射線不能連續(xù)測量， X 。射線法拍攝照片能確定斷絲 垂直于繩軸照射射線防護費用高 1 3 1 國外鋼絲繩無損檢測技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀 ( 1 )國外鋼絲繩無損檢測技術(shù)的發(fā)展 國外鋼絲繩無損檢測技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段【9 ：定性檢測金屬截面積損耗 ( L M A ) 或局部缺陷( L F ) 因素的檢測裝置階段；金屬截面積損耗( I ，M A ) 定量檢測 和局部缺陷( L F ) 檢測一體化的電子儀器階段；金屬截面積總變化( T C M A I ，M A ) 定 量檢測和局部缺陷( L F ) 檢測一體化智能檢測裝置階段。 1 9 0 6 年，南非人CM c C a n n 和RC o l s o n 發(fā)明了最早的鋼絲繩無損檢測裝置，如圖 4 第一章緒論 1 4 所示，用于測量鋼絲繩的截面損失。由于這種檢測方法采用了交流( A C ) 勵磁，故 稱為A C 方法 1 0 】。該方法測量精度很差，每次測量都要花費大量的時間把線圈纏繞在鋼 絲繩上，因此很難在工程中推廣使用。 2 0 世紀(jì)2 0 至4 0 年代科學(xué)家發(fā)明了直流線圈對鋼絲繩勵磁，差動檢測線圈測量漏 磁場來判斷鋼絲繩上的局部損傷缺陷。由于采用直流( D C ) 將鋼絲繩沿軸向勵磁至飽 和，測量損傷處的漏磁通來判斷損傷情況，故稱為D C 方法【lU 1 。直流勵磁結(jié)構(gòu)龐大，儀 器笨重，操作復(fù)雜，線圈安裝困難，檢測結(jié)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個采用漏磁通原理的無損檢測裝置【1 1 】，他們對兩 種檢測線圈，即單一多匝線圈和兩個相同的且相距很近的多匝線圈取動信號，如圖1 5 所示。差動線圈的抗干擾能力強，得到的結(jié)果比較可靠，但由于要花費大量的時間把線 圈纏繞在鋼絲繩上，所以不宜在實際中應(yīng)用。1 9 3 7 年，RW o m l e 和HM i i l l e r 發(fā)明了分 體式差動線圈，從而解決了這個問題，如圖1 5 ( c ) 所示，它和圖1 5 ( b ) 的差動線圈 是等效的。隨后W o m l e 利用他們的發(fā)明首先實現(xiàn)了鋼絲繩的在線檢測。 ， 接收線圈 _ 鋼絲繩 ：發(fā)射線圈 、一 鋼絲繩 f b )( c ) 圖1 - 4 測量鋼絲繩截面損耗的A C 法圖1 - 5 線圈檢測漏磁通法 由于交流方法測量鋼絲繩截面損失存在嚴(yán)重不足，人們一直在尋找新的測量截面損 失的方法。7 0 年代問世的M a g n o g r a p h 鋼絲繩無損檢測儀首次采用直流方法定量測量截 面損失，稱為全磁通方法( T o t a l F l u xM a g n e t i cM e t h o d ) u ，原理如圖1 - 6 所示。該儀 器使用永久磁鐵將鋼絲繩沿軸向直流勵磁至飽和，則鋼絲繩的磁通量與鋼絲繩的橫截面 積成正比，以霍爾元件測量磁軛與鋼絲繩問的磁感應(yīng)強度，就可以計算出鋼絲繩中的磁 通量，它還能同時進行局部損傷的檢測。隨后又出現(xiàn)使用相同原理而采用磁通門探頭的 R o t e s c o g r a p h 型鋼絲繩探傷儀。 1 9 8 7 年，H RW e i s c h e d e l 發(fā)明了另一種測量鋼絲繩磁通量的方法，原理如圖1 7 所 示【l o , 1 2 ，將套在鋼絲繩上的線圈相對于鋼絲繩作軸向移動，并對線圈的感應(yīng)電勢積分， 就可得到線圈所在位置鋼絲繩中磁通量與起始位置鋼絲繩中磁通量的差值，即截面積損 失量。為避免每次測量都要纏繞線圈，他還發(fā)明了一種分體式線圈【1 2 】，在定量檢測截面 西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文 損失的同時，它還可兼作測量局部損傷的差動線圈。美國、英國和德國也相繼研制成功 了基于上述原理的探傷儀，如美國N D T 公司于8 0 年代末生產(chǎn)的L M A 一2 5 0 系列鋼絲繩 無損探傷儀。 永久磁鐵 ，、 的過程強度阢3 4 1 ，隨f ，S 。，S ：，S M 取值不同而發(fā)生變化，它 不僅依賴于斷絲數(shù)，而且依賴于時間t ，滿足i ) ，i i ) 的隨機過程 f ，t 0 ) 稱為自激點過 程。根據(jù)斷絲過程可以進行鋼絲繩剩余壽命的預(yù)測和鋼絲繩最佳更換期的研究。 1 4 4 其它安全評價方法 對鋼絲繩進行應(yīng)力分析，求解鋼絲繩截面積的允許減少率，以鋼絲繩不能繼續(xù)使用 時的承力面積作為失效的主要指標(biāo)【3 5 1 ，超過指標(biāo)時不可繼續(xù)使用。 通過建立鋼絲繩在鉆井各工藝過程中做功量的一種實用計算公式，為鋼絲繩在現(xiàn)場 1 4 第一章緒論 使用時進行定量判廢提供理論依據(jù)【2 5 1 。 根據(jù)鋼絲繩旋轉(zhuǎn)捻制的結(jié)構(gòu)特點和彈性力學(xué)的知識，將鋼絲繩作為粘彈性桿處理， 對提升鋼絲繩進行動負(fù)荷下的應(yīng)力分析，計算提升鋼絲繩的強度，并建立鋼絲繩截面上 的破斷拉力總和與提升鋼絲繩強度之間的關(guān)系，參考安全規(guī)程規(guī)定的提升鋼絲繩的安全 系數(shù)，進行鋼絲繩的安全評定【3 6 1 。 1 4 5 鋼絲繩剩余強度評價方法存在的問題 由于鋼絲繩剩余強度的影響因素較多，通過研究發(fā)現(xiàn)，目前對鋼絲繩剩余強度評價 方法的研究有很多類型，大都是針對某一單一因素的影響進行的，與鋼絲繩無損檢測技 術(shù)沒有很好的聯(lián)系起來。盡管提出了一些數(shù)學(xué)公式和計算方法，但由于沒有綜合考慮影 響鋼絲繩剩余強度的各種因素，其可靠性不強，準(zhǔn)確度不高。影響鋼絲繩剩余強度的因 素較多，評價鋼絲繩時應(yīng)綜合考慮這些因素對鋼絲繩性能的影響才能得到較為可靠的結(jié) 論。因此要對鋼絲繩進行實時在線無損檢測，定量檢測鋼絲繩局部缺陷和金屬截面積損 耗，綜合考慮鋼絲繩的各類影響因素，找到鋼絲繩局部缺陷、金屬截面積損耗與鋼絲繩 剩余強度之間的關(guān)系，定量評定鋼絲繩的剩余強度，避免事故的發(fā)生，提高經(jīng)濟效益。 1 5 本文的研究目的及意義 我國是世界石油鉆井大國，但我國的石油鉆井技術(shù)和管理水平與發(fā)達國家仍有一定 差距，每年發(fā)生的鉆井事故較多，損失很大。鉆機提升系統(tǒng)是鉆機最容易發(fā)生斷裂事故 的部件，鉆井鋼絲繩使用條件惡劣，是鉆機最危險的部位，其損傷程度和承載能力直接 關(guān)系到設(shè)備和人身安全，所以鋼絲繩是需要安全評定的主要部件之一。 本文的目的是研究在役鉆井鋼絲繩剩余強度定量評定的方法，即利用無損檢測儀檢 測鋼絲繩局部缺陷和金屬截面積損耗，建立鋼絲繩局部缺陷、金屬截面積損耗與鋼絲繩 剩余強度之間的關(guān)系，并以此作為鋼絲繩安全性定量評定的依據(jù)。 本研究完成后可以初步解決我國鉆井鋼絲繩倒繩、切除、判廢的定量評價問題，降 低鉆井提升系統(tǒng)斷裂事故引發(fā)的生命財產(chǎn)損失，使得鉆井鋼絲繩倒繩、切除、判廢有比 較準(zhǔn)確的依據(jù)，將會獲得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。 西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章鋼絲繩損傷分析研究 鋼絲繩剩余強度的定量評定是應(yīng)用鋼絲繩無損檢測儀器對鋼絲繩的損傷缺陷進行 定性定量檢測。鋼絲繩在使用中會產(chǎn)生多種形式的損傷缺陷，根據(jù)鋼絲繩損傷的性質(zhì)和 特征，可將鋼絲繩的損傷分為兩大類：局部缺陷型( L o c a l i z e dF a u l t ) 和金屬截面積損 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 ) ，并分別簡稱為L F 型損傷和L M A 型損傷。 L F 型損傷是指在鋼絲繩局部產(chǎn)生的損傷，主要包括內(nèi)、外部斷絲，銹蝕斑點，局部形 狀異常等，特點是鋼絲繩的金屬截面積突然減小。L M A 型損傷是指鋼絲繩在軸向較長 的范圍內(nèi)有效金屬截面積的緩慢減少，主要包括磨損，長距離銹蝕，繩徑縮細(xì)等，特點 是鋼絲繩的金屬截面積在較長范圍內(nèi)普遍減少。 2 1 在役鉆井鋼絲繩損傷分析 對油田現(xiàn)場發(fā)生的多起鋼絲繩意外斷裂事故進行調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，隨著鋼絲繩使用時 間的持續(xù)，鋼絲繩會產(chǎn)生磨損、表面損傷( 砸傷、擠傷等) 、銹蝕、疲勞、變形等損傷現(xiàn) 象。意外因素( 如頓鉆、抽股、一股斷裂、散股、壓扁、扭結(jié)等) 造成操作失控是導(dǎo)致 鋼絲繩斷裂的外在原因；表面過分磨損( 直徑減少1 0 ) 、意外砸傷是斷裂的內(nèi)在原因； 磨損、腐蝕( 出現(xiàn)點蝕坑、麻芯損壞、腐爛、缺油、碰傷) 等綜合原因?qū)е聰嗬K；鋼絲 繩松股現(xiàn)象通常是由于受到異常載荷作用產(chǎn)生的。這些因素的綜合影響導(dǎo)致鋼絲繩斷絲 數(shù)目增多，破斷拉力明顯下降，最終導(dǎo)致鋼絲繩的意外斷裂。 2 1 1 磨損 磨損和繩徑變化是緊密相關(guān)的，一般通過對鋼絲繩直徑測量來測定其磨損程度。繩 徑變細(xì)分正常變細(xì)和磨損變細(xì)兩類【3 7 1 。正常變細(xì)是指新繩懸掛后( 通常在開始使用后不 久) ，直徑變細(xì)速度較快，當(dāng)變細(xì)到公稱直徑附近時( 鋼絲表面還沒有發(fā)生磨損) ，出現(xiàn) 暫時穩(wěn)定，變細(xì)的原因是鋼絲繩捻制結(jié)構(gòu)引起伸長和變細(xì)，屬正常變細(xì)，破斷拉力不但 不損失，反而使鋼絲繩緊密度增加，對使用是有好處的，以后繼續(xù)使用時，隨著鋼絲表 面開始磨損，直徑又漸漸地變細(xì)，變細(xì)是由于鋼絲磨損和繩芯腐蝕變質(zhì)等原因造成的， 稱磨損變細(xì)，對使用有一定影響。 磨損變細(xì)的原因很多，有的是由于長期的機械磨損( 包括鋼絲繩表面和股間各鋼絲 之間) ，有的繩芯縮細(xì)( 局部突然縮細(xì)，這種現(xiàn)象可能是由于受到?jīng)_擊力或遇到火焰噴 射使繩芯燒毀) ，還有鋼絲局部銹蝕和斷絲造成金屬斷面的減少。 ( 1 ) 磨損類型和特征 鋼絲的機械磨損一般可分為：外部的均勻磨損、變形磨損、內(nèi)部磨損，其斷面形狀 如圖2 1 所示【3 7 4 。 1 6 第二章鋼絲繩損傷分析研究 o Q ( a ) 外部均勻磨損 ( b ) 變形磨損( C ) 內(nèi)部磨損 圖2 1 鋼絲磨損斷面形狀 外部磨損鋼絲繩在使用過程中，與滑輪、卷筒、地面巖石等接觸產(chǎn)生的鋼絲磨 損。在外部磨損后繩徑將變細(xì)，外周表面的細(xì)鋼絲被磨平。在實際現(xiàn)象中有單面磨損和 均勻磨損，單面磨損主要是鋼絲繩在不光滑的滑輪槽內(nèi)或滑輪不轉(zhuǎn)動而造成的，在地輥 和地面上產(chǎn)生的硬性磨擦也會產(chǎn)生這種現(xiàn)象。均勻磨損是在正常使用狀態(tài)下的磨損。鋼 絲繩單面磨損和均勻磨損示意圖，如圖2 2 所示【3 7 】。一般來講鋼絲繩破斷拉力下降率和 鋼絲繩直徑減少率成比例關(guān)系，而單面磨損比均勻磨損下降率增加一倍左右，如圖2 3 所示 2 5 1 。 ( a ) 單面磨損 圖2 - 2 鋼絲繩磨損示意圖 ( b ) 均勻磨損 051 01 52 02 53 03 54 0 繩徑減少率 圖2 3 鋼絲繩的繩徑減少率和鋼絲斷面積減少率之間的關(guān)系( 外部和內(nèi)部磨損共同作用) 1 7 加 斷面積減少率矩 西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文 變形磨損變形磨損是針對鋼絲繩在某一段的局部磨損而言的，產(chǎn)生的原因是鋼絲 繩與滑輪經(jīng)常產(chǎn)生隉性移位，鋼絲繩在滑輪上劇烈振動、沖擊，或者由于滑輪與卷筒中 心偏斜而產(chǎn)生的咬繩現(xiàn)象所造成的。這種變形磨損是局部擠壓變形，其鋼絲橫斷面是擠 壓處向兩旁伸展成翅形，從外觀看鋼絲寬度擴展，鋼絲斷面積并未顯著減少，但局部擠 壓處鋼絲材質(zhì)硬化，極易造成斷絲。 內(nèi)部磨損鋼絲繩在使用過種程中，經(jīng)過卷筒或滑輪時，鋼絲繩所承受的全部負(fù)荷 壓在鋼絲繩的一側(cè)，同時由于鋼絲的彎曲，股中鋼絲產(chǎn)生移動，這時股與股之間接觸應(yīng) 力最大，使相鄰股間的鋼絲產(chǎn)生局部壓痕深凹，當(dāng)反復(fù)循環(huán)拉伸彎曲時，在深凹處會產(chǎn) 生應(yīng)力集中，最終鋼絲被折斷。 ( 2 ) 磨損對鋼絲繩使用壽命的影響 鋼絲繩之間或鋼絲繩和滑輪之間的相對運動會產(chǎn)生摩擦，摩擦的結(jié)果一是產(chǎn)生磨 損，鋼絲直徑減??；二是產(chǎn)生摩擦熱，溫度較高時鋼絲表面組織發(fā)生變化，產(chǎn)生白層淬 火組織及回火組織( 見圖2 4 ) ，淬火組織硬度高、脆性大、受彎曲力或沖擊振動載荷時 易產(chǎn)生裂紋，進而使鋼絲疲勞斷裂( 見圖2 5 ) ，這是導(dǎo)致鋼絲繩斷裂的主要原因。 圖2 - 4 鋼絲表面薄層產(chǎn)生馬氏體組織圖圖2 - 5 鋼絲磨損后表面裂紋 由于磨損引起的鋼絲表面組織劇變，導(dǎo)致了鋼絲性能的劣化。磨損使鋼絲有效承載 面積減小，加上表面產(chǎn)生的裂紋深度及脆化組織層深度，有的有效承載面積只有原來的 一半。同時磨損造成了應(yīng)力集中，單絲斷口幾乎均位于磨損處。 由于鋼絲繩受力比較復(fù)雜，就單個鋼絲而言，承受拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷，同時還 承受跳鉆，鉆柱共振以及剎車起動所帶來的鋼絲繩抖動，加速度引起的動態(tài)力等動載荷， 在深井或超深井作業(yè)中服役的鋼絲繩受力情況更為復(fù)雜。在上述力的作用下，磨損損傷 表面易產(chǎn)生疲勞裂紋，首先是淬硬的馬氏體層出現(xiàn)疲勞裂紋，繼續(xù)服役過程中裂紋擴展， 單絲受力超過斷裂強度時提前發(fā)生斷裂。 第二章鋼絲繩損傷分析研究 2 1 2 表面損傷 ( 1 ) 表面損傷的形式 鋼絲繩表面損傷的形式有：砸傷、擠傷、壓傷、碰傷、刮傷等，常見的是砸傷和內(nèi) 層絲的擠傷。 砸傷是一種常見的表面損傷形式( 見圖2 6 ) ，這種損傷是現(xiàn)場工具和設(shè)備意外接觸 鋼絲繩造成的，有時鋼絲繩跳槽也可能造成此類傷害，傷痕一般是凹坑。內(nèi)層絲的擠傷 ( 圖2 - 7 ) 是由于鋼絲繩在經(jīng)過滑輪或纏繞到滾筒上時承受巨大的徑向力，這種力有將 鋼絲繩壓扁的趨向，因此鋼絲之間相互擠壓，其接觸表面會形成擠壓傷痕。 圖2 - 6 鋼絲繩外層絲砸傷傷痕 ( 2 ) 表面損傷對鋼絲繩性能的影響 圖2 7 鋼絲繩內(nèi)層絲擠傷傷痕 f 、 表面損傷是使用后鋼絲繩單絲扭轉(zhuǎn)值大幅下降的原因，單絲上輕微損傷( 碰傷、砸 傷、擠傷等) 即可對起扭轉(zhuǎn)值產(chǎn)生很大的影響，但對單絲正載破斷拉力影響不大，除非 損傷嚴(yán)重時，破斷拉力才有明顯降低。表面損傷后，鋼絲拉伸性能下降，多數(shù)鋼絲達不 到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值要求。鋼絲扭轉(zhuǎn)值大幅下降，損傷程度嚴(yán)重時，扭轉(zhuǎn)一次即斷裂，大部分 鋼絲扭轉(zhuǎn)值大大低于標(biāo)準(zhǔn)要求。鋼絲拉伸和扭轉(zhuǎn)試驗斷口幾乎1 0 0 斷裂于表面損傷處。 鋼絲反復(fù)彎曲性能下降，有些試樣人工彎折不足1 8 0 0 即發(fā)生斷裂； 鋼絲正常組織為均勻分布的拉長索氏體+ 少量珠光體+ 少量鐵素體組織。砸傷引起的 鋼絲繩斷裂的斷口，高倍下觀察斷口形貌為韌窩，如圖2 8 所示。砸傷凹坑坑底呈魚鱗 狀形貌，表面極不平整，表面質(zhì)量明顯下降，有些斷口附近因出現(xiàn)砸傷、擠傷而形成的 龜裂形貌，如圖2 - 9 所示。鋼絲表面砸傷后，傷痕( 一般為凹坑) 周圍組織發(fā)生再次變 形，與基體組織形成兩種截然不同的組織區(qū)域，局部還出現(xiàn)白亮馬氏體層和顯微裂紋。 這種組織性能差異將給鋼絲繩的承載能力帶來很大損害。鋼絲繩受擠壓形成的傷痕與鋼 絲的捻制方向是一致的，接近一種螺旋狀，這種損傷是鋼絲之間受力后相互切入形成的。 光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果表明，傷痕周圍組織發(fā)生了強烈的再次變形，與基體組織的方向完 全不同，形成了過渡很突然的兩種組織區(qū)域，因而在過渡處極易形成裂紋。 1 9 西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 - 8 鋼絲繩斷口韌窩形貌 圖2 - 9 鋼絲砸傷形成龜裂形貌 從受力條件分析，各種表面損傷的影響可歸納為：傷痕處截面積明顯減??；傷 痕處產(chǎn)生應(yīng)力集中；傷痕處變的極為粗糙。因為鋼絲的機械性能嚴(yán)重惡化，不管是 實際使用中鋼絲繩的斷裂還是試驗中鋼絲的斷裂，斷口均位于表面損傷處，如圖2 - 1 0 所示，而且單絲損傷深度越大，有傷斷口數(shù)越多。 2 1 3 銹蝕 ( a ) 縱向 圖2 - 1 0 鋼絲砸傷引起斷裂 ( b ) 橫向 鋼絲繩在使用過程中，長時間受到泥漿及有害氣體的侵蝕很容易產(chǎn)生腐蝕破壞。鋼 絲繩的銹蝕( 生銹、腐蝕) ，就是鋼絲繩的金屬表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng) 而產(chǎn)生的破壞現(xiàn)象，如圖2 1 l 所示。銹蝕引起的破壞一方面使鋼絲承載面積減小，另 一方面容易引起應(yīng)力集中。 第二章鋼絲繩損傷分析研究 銹蝕可分為外部銹蝕和內(nèi)部銹蝕【3 7 1 ，檢查銹蝕目前只能采用目測和敲打的方法。內(nèi) 部銹蝕的檢查比外部銹蝕困難得多，通常采用的方法有兩種：一是將鋼絲繩股與股之間 設(shè)法擰開；二是測量繩徑是否粗細(xì)不均。銹蝕損傷不是單獨存在的，一般是與疲勞和磨 損同時產(chǎn)生，這就是通常所講的腐蝕疲勞和腐蝕磨損。 圖2 1 1 鋼絲表面腐蝕現(xiàn)象 鋼絲繩使用時，一方面與銹蝕介質(zhì)接觸，同時又承載了不同應(yīng)力的變化，有內(nèi)在的 和外在的雙重影響。應(yīng)力可以加速銹蝕的破壞，而銹蝕也可促使應(yīng)力的破壞。鋼絲繩銹 蝕后，力學(xué)性能隨之降低，不僅使金屬截面積減少，影響拉力，而且會導(dǎo)致繩芯( 天然 纖維繩芯) 腐爛，使股與股之間鋼絲磨損加快、鋼絲繩直徑變細(xì)，鋼絲的韌性和扭轉(zhuǎn)值 明顯下降，最終造成使用脆性。為了便于分析，表2 1 中【2 5 】把鋼絲繩的銹蝕程度分為4 個等級，并粗略估計銹蝕對力學(xué)性能的影響。 表2 1 鋼絲繩銹蝕的分級及對鋼絲繩力學(xué)性能的影晌 級別力學(xué)性能損失鋼絲繩表面銹蝕程度 輕度( I ) 約1 0 鋼絲變色，失去光澤，有銹皮或麻點( 在鋼絲表面呈現(xiàn)小黑點) 較重( I I ) 1 0 3 5 鋼絲表面銹皮較厚或有麻坑，但尚未連接起來 嚴(yán)重( ) 2 5 4 0 有銹蝕裂紋，麻點形成麻坑，連成麻溝，外層鋼絲松動 危險( ) 4 0 銹蝕面積大，鋼絲失去圓形，股間鋼絲咬痕深達鋼絲直徑的1 3 1 2 從表2 1 中可知，I 級屬于輕度銹蝕，銹蝕影響不大，可按其它規(guī)定報廢；I I 級銹 蝕時應(yīng)考慮銹蝕的影響；級是嚴(yán)重的銹蝕，一般達到級時使用不安全了；級已達 危險狀態(tài)。 2 1 4 疲勞 鋼絲繩在使用過程中主要承受彎曲疲勞以及拉伸、扭曲和振動引起的疲勞。 ( 1 ) 彎曲疲勞 2 1 西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文 鋼絲繩繞上卷筒或滑輪時，鋼絲因彎曲會產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，而內(nèi)部鋼絲之間互相擠壓 出現(xiàn)細(xì)微變形也會產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。鋼絲繩中的鋼絲受到反復(fù)出現(xiàn)的載荷作用，在最弱和 應(yīng)力最大的地方先是形成裂紋，然后裂紋逐漸擴大，最終導(dǎo)致疲勞斷絲【3 0 1 。疲勞斷絲通 常出現(xiàn)在股的彎曲程度最厲害的- N ； I - 層鋼絲上。一般情況下，疲勞斷絲的出現(xiàn)意味著 鋼絲繩已經(jīng)接近使用后期。 ( 2 ) 拉伸、扭曲和振動引起的疲勞 在使用過程中，鋼絲繩承受載荷的前后，變化的拉伸應(yīng)力會引起金屬疲勞。鋼絲繩 與卷筒或滑輪表面接觸時，鋼絲所受的拉伸載荷不僅會使鋼絲之間產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，而且 在鋼絲繩與卷筒或滑輪輪槽之間也會產(chǎn)生擠壓應(yīng)力。在這些擠壓應(yīng)力的作用下，鋼絲繩 會發(fā)生快速的磨損，導(dǎo)致使用壽命大大降低。鋼絲在鋼絲繩中呈螺旋形，位于鋼絲繩軸 線上的拉伸載荷，有將鋼絲拉直的趨勢，從而使鋼絲受扭，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力【3 0 1 。疲勞 損傷的原理是在變應(yīng)力的作用下，細(xì)鋼絲表面首先由于各種滑移形成初始裂紋，然后裂 紋尖端在切應(yīng)力的作用下反復(fù)塑性變形，使裂紋擴展直至斷裂。 2 1 5 變形 鋼絲繩在搬運和使用過程中，由于受到突然的撞擊或沖擊，而產(chǎn)生破壞鋼絲繩原有 結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，稱為變形【3 7 】。變形不僅直接損壞一部分鋼絲，而且因為改變了鋼絲繩形狀， 破壞了原繩的結(jié)構(gòu)，會產(chǎn)生諸如拉應(yīng)力再分配等現(xiàn)象，加速磨損并導(dǎo)致變曲疲勞損失增 加。鋼絲繩的變形一般可分為：壓扁、股松弛、彎折和扭結(jié)等【3 7 1 。 ( 1 ) 壓扁 鋼絲繩從高處摔下或受其它物件的沖撞擠壓，以及亂繞在卷筒上使負(fù)載過大，從滑 輪輪槽上滑出落在軸上，都會造成局部壓扁現(xiàn)象。局部壓扁使一部分鋼絲損壞，繩和股 的結(jié)構(gòu)遭到破壞，不僅使破斷拉力降低，而且會加速造成斷絲和不規(guī)則的磨損3 7 1 。 ( 2 ) 股松弛 鋼絲繩在過小的滑輪上工作，由于受N , N 烈的張力變化作用，個別股會出現(xiàn)松弛或 陷落現(xiàn)象，卸載后鋼絲繩各股無法恢復(fù)原形。由于股松弛各股所承擔(dān)的應(yīng)力失去平衡， 使鋼絲繩破斷拉力損失較大，對鋼絲繩的使用壽命產(chǎn)生很大影響。 ( 3 ) 彎折和扭結(jié) 鋼絲繩局部受到?jīng)_擊可能形成彎折現(xiàn)象。這種損傷會使鋼絲繩局部彎曲，產(chǎn)生永久 變形。彎折使鋼絲破斷拉力下降，彎折程度越大，拉力值下降程度越大。 鋼絲繩在局部扭曲后產(chǎn)生的永久變形叫扭結(jié)，扭曲的方向與鋼絲繩旋向一致的稱為 第二章鋼絲繩損傷分析研究 正扭結(jié)，反之稱為負(fù)扭結(jié) 3 9 】。普通鋼絲繩帶有自轉(zhuǎn)性，如果繩股端部不加捆扎便施加張 力，繩股會向倒捻方向旋轉(zhuǎn)，這是造成扭結(jié)的內(nèi)在因素。鋼絲繩一旦形成扭結(jié)，破斷拉 力明顯下降。盡管有些扭結(jié)的鋼絲繩經(jīng)過修復(fù)，表面上看不到明顯的痕跡，但其內(nèi)部還 是留下了一個傷痕，特別容易造成局部磨損和斷絲，并導(dǎo)致意想不到的事故。根據(jù)研究 表明【4 ，鋼絲繩在扭結(jié)損傷后強度將顯著降低，正扭結(jié)的強度只有原強度的6 0 8 0 ， 負(fù)扭結(jié)的強度還不到原強度的5 0 ，嚴(yán)重時強度將降低到只有原來的1 0 2 0 。 2 2 鋼絲繩損傷對剩余強度的影響 鋼絲繩磨損、表面損傷( 砸傷、擠傷等) 、銹蝕、疲勞、變形的加劇最終會導(dǎo)致斷 絲的產(chǎn)生，斷絲的主要形式有：磨損斷絲、銹蝕斷絲、疲勞斷絲、剪切斷絲、過載斷絲、 扭結(jié)斷絲等。斷絲的常見斷E l 形狀如圖2 1 2 所示【3 7 】。鋼絲繩出現(xiàn)斷絲后鋼絲繩截面積 減少，承受拉力的減少量與斷絲多少、斷絲分布有關(guān)【3 7 】。鋼絲繩一旦產(chǎn)生斷絲，鋼絲繩 強度會大幅下降，極易引發(fā)鋼絲繩的意外斷裂。 二= 二= ( a ) 過載 亡= = s = 3 ( c ) 磨損 ( e ) 剪切 匕 ( b ) 疲勞 E ；留罄 ( d ) 銹蝕 ( f ) 翱結(jié) 圖2 1 2 斷絲分類和斷口形狀示意圖 過載斷絲是鋼絲繩承受過載負(fù)荷或沖擊力過大所造成的，這種現(xiàn)象在一般正常使用 過程中很少出現(xiàn)。斷口形狀類似正常拉斷，呈杯狀塑性收縮。單純過載鋼絲破斷部位分 散，伴有沖擊，折彎時又易集中在一股。疲勞斷絲是鋼絲繩通過滑輪或卷筒時，在許用 應(yīng)力作用下承受一定反復(fù)彎曲次數(shù)后，使鋼絲由于金屬疲勞而引起的斷絲。斷口形狀平 齊、象刀切的樣子，只有- d , 部分是最后被拉斷，疲勞斷絲出現(xiàn)在股的彎曲程度最厲害 的一側(cè)外層鋼絲，意味著鋼絲繩使用已經(jīng)接近后期。磨損斷絲是在鋼絲磨損極其嚴(yán)重時 才會出現(xiàn)，斷口形狀兩側(cè)呈斜茬，斷口扁平。銹蝕斷絲是在銹蝕嚴(yán)重的鋼絲繩使用后期 出現(xiàn)，斷口形狀不整齊，呈針尖狀。剪切斷絲一般是鋼絲繩在某一拐角上，鋼絲被硬性 拉斷，斷口形狀呈剪切狀。扭結(jié)斷絲一般在正常使用過程中不會出現(xiàn)，它是鋼絲繩由于 出現(xiàn)鋼絲松弛造成扭結(jié)現(xiàn)象后才出現(xiàn)。斷口形狀平整光滑，類似鏡面。此外，經(jīng)常在腐 蝕性環(huán)境下使用，鋼絲遇到各種腐蝕介質(zhì)影響而產(chǎn)生氫脆斷絲現(xiàn)象，這種斷口是不規(guī)則 西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文 的，出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象很危險。 鋼絲繩判廢標(biāo)準(zhǔn)不一致，如以斷絲數(shù)作為判廢標(biāo)準(zhǔn)，則從一個捻距內(nèi)3 根絲到1 4 根絲不等，完全按照經(jīng)驗，提早報廢造成浪費。目前，對鉆井鋼絲繩判廢切除主要依據(jù) A P IR P9 B 1 ( 油田用鋼絲繩的使用、維護推薦做法) 的規(guī)則，這種方法是一種經(jīng)驗的定 性方法，它用計算及查表的方法估計一般工況下鋼絲繩的壽命( K N m ) ，對具體工況下 鋼絲繩的損傷和壽命無法準(zhǔn)確評定，可操作性不強，這是導(dǎo)致目前鉆井鋼絲繩經(jīng)常發(fā)生 斷裂的因素之一，所以必須利用無損檢測儀器對鋼絲繩進行檢測，這種儀器一般使用漏 磁場原理檢測繩中斷絲數(shù)目以及磨損、腐蝕等。根據(jù)鋼絲繩損傷檢測的結(jié)果推測在役鋼 絲繩的強度損失，由安全系數(shù)和使用章程決定更換鋼絲繩的時間。 2 3 本章小結(jié) ( 1 ) 根據(jù)鋼絲繩損傷的類型和特征，鋼絲繩損傷缺陷有兩種類型：局部缺陷型( L F