王彦然 樊建春 杨思齐 马昕昱
(中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院)
在页岩气压裂作业现场，高压由壬件由于长期承受高温高压及交变载荷的作用，不可避免地会产生疲劳裂纹或应力腐蚀裂纹[1]。由高压管件损伤统计数据可知，高压由壬内接头螺纹齿根处为损伤裂纹的高发部位。由壬一旦产生疲劳裂纹、接头滑移甚至断裂事故，将会直接导致密封失效，压裂液外漏，严重影响现场作业[2]。目前，对压裂用高压管汇损伤失效预警的相关研究多集中于弯头和直管部位，如高压弯头拱背内壁的冲蚀磨损研究[3]、管体损伤的声发射试验研究[4-5]以及三通管件的疲劳断裂分析等[6]，针对复杂连接件的相关讨论较少。因此开展由壬连接部位的损伤检测研究具有重要意义。
目前，常规的连接部位检测技术有磁粉检测、超声波检测及超声相控阵检测等[7]，但在现场应用中均具一定的局限性。磁粉检测必须对检测部位进行磁化，操作较为繁琐，管件清洁程度也会影响检测效果[8]；
由于高压由壬结构复杂，使用超声检测到的缺陷回波信号难以准确识别[9]，且各类检测手段均需在管汇拆卸的状态下进行操作，无法满足压裂现场长周期连续作业的需求，难以推广应用。
金属磁记忆效应最早由俄罗斯专家A.A.DUBOV于1997年提出，将其定位为铁磁性材料的应力集中与疲劳损伤检测新技术[10-11]。作为一种非接触、高灵敏度的早期缺陷检测手段，在现场应用中具有其独特的技术优势[12]。该技术无需磁化即可检测的特点，以及其高精度、体积小、具有一定壁厚穿透力的探头，可实现结构复杂的连接结构的无拆卸缺陷检测。笔者开展了高压管汇的现场振动监测试验，并针对压裂现场“易损伤、难检测”的由壬管件进行了磁记忆损伤检测试验研究，由此提出并验证了在役高压由壬件损伤检测的新方法，对含缺陷高压由壬件进行了力磁耦合模拟分析，为通过磁记忆检测实现高压由壬损伤状态的量化评定奠定了理论基础。
1.1 监测系统原理
振动监测系统可对选定测点X、Y、Z轴 3个方向上的参数进行测量，从而实时掌握在役高压管汇各部位的振动情况，其原理如图1所示。
图1 监测系统原理图Fig.1 Schematic diagram of monitoring system
1.2 现场振动监测试验
高压管汇在多排压裂车之间集中排布，根据实际需求，使用由壬、三通等连接件对直管和弯头等管件进行组合连接。复杂的管汇排布对在线检测的灵活性提出了很高要求[13]。本次振动监测试验的测点选在压裂车柱塞泵液力端出口的弯管、三通和直管部位，共设置了4个测点。在配液停工阶段，将加速度传感器采用磁吸附的方式安装于各测点，设置采样频率500 Hz。图2为由壬和三通测点的布设情况。压裂施工作业一般会经历电橇驱动、启泵及排量平稳3个阶段，由于各阶段的振动剧烈程度不同，所以将采集到的振动数据按阶段划分。
图2 振动测点现场布置图Fig.2 Field layout of vibration measuring points
1.3 现场振动监测试验数据分析
以由壬测点Y轴方向的振动信号为例，在排量稳定阶段降噪后获得的振动时域信号如图3所示。
图3 降噪后的振动时域信号Fig.3 Vibration time domain signal after noise reduction
为了明确各测点在不同振动方向上的振动情况，使用MATLAB软件求解以上3个阶段各个测点的振动均方根(RMS)值，结果如表1所示。
表1 管汇各测点各阶段振动均方根Table 1 RMS value of vibration of measuring points in manifold at different stages
根据表1统计的各测点振动加速度值，绘制各阶段各测点不同方向的加速度值分布，如图4所示。
图4 各阶段不同测点加速度值分布Fig.4 Acceleration value distribution of different measuring points in different stages
通过对比分析，在电橇驱动阶段，各测点各方向的振动程度普遍较低，到达启泵阶段后，振动剧烈程度增加，各测点加速度值较上一阶段有所增加。其中，由壬及弯头处的增幅更为明显，且振动程度远大于三通和直管处。在排量稳定阶段，管汇各测点处的振动程度达到最大值。从振动加速度的均方根值可以看出，启泵后的各测点中，由壬部位振动程度最大，考虑振动方向，由壬的轴向与径向方向上的振动程度最大，竖直方向的振动程度较小。
振动监测结果进一步表明，由壬连接部位在压裂过程中与弯头部位一样承受着较强的流固耦合冲击，其产生的低频振动容易诱发由壬内外接头及内部密封元件的疲劳磨损及裂纹产生，使由壬面临严峻的失效风险。
现场振动监测试验结果明确了管汇体系的薄弱环节，为后续的管汇损伤检测提供了重点工作方向。针对由壬部位的失效情况，本文基于磁记忆原理搭建了适用于高压由壬易损部位的检测系统，并开展了室内及现场检测试验，以实现在役由壬件的损伤预警，对关键设备失效事故进行防控，最终达到降低作业风险的目的。
2.1 高压管汇件缺陷判定标准
为了量化材料的应力分布及损伤程度，引入磁记忆信号梯度值和磁记忆信号峰峰值两项参数。磁信号梯度值K表征选定检测路径上的应力分布状态，其计算公式为：
(1)
式中：HN+n、HN表示在N+n、N点的信号值;LN+n、LN为两点的位置坐标。
信号的梯度峰峰值σ表示当检测信号的梯度值发生骤变时，梯度最大值Kmax减去最小值Kmin所得的值，测点的峰峰值越大，则说明该测点的应力集中程度越严重。其表达式为：
σ=Kmax-Kmin
(2)
将管道内部压力达到管汇产生塑性变形临界强度时的磁记忆信号的峰峰值σ作为评判高压管汇失效的标准。根据室内试验及相关数值模拟结果，建立105 MPa级ø50.8 mm(2 in)规格压裂管汇件抗内压强度与磁记忆信号峰峰值之间的关系曲线，如图5所示。
图5 抗内压强度与信号峰峰值的关系曲线Fig.5 Internal pressure strength vs.peak-to-peak value of signal
在保证105 MPa的安全抗内压强度下，含纵向槽形裂纹额度管汇具有最小的梯度峰峰值，取其值0.326 V/mm为此规格管汇件的损伤临界梯度峰峰值。
2.2 金属磁记忆检测系统
金属磁记忆检测系统的构成主要分为3个模块：主体为磁记忆检测模块，其次是接收磁记忆信号并将其进行转换与输出的信号采集模块，最后是信号处理模块。由此构成了如图6所示的磁记忆检测系统。装置设计时综合考虑了压裂现场工况及检测难点，制作了可自由弯折的手持式检测环，容易实现狭小区域的检测，满足由壬连接部位的扫查需求，能够探测出复杂管汇件内部的细小裂纹和腐蚀坑等早期缺陷。
图6 磁记忆检测系统Fig.6 Magnetic memory detection system
2.3 高压由壬磁记忆检测室内检测试验
为了测试自行设计的磁记忆检测系统在高压由壬件缺陷检测中的检测效果，验证该系统在复杂结构管件检测当中的适用性，现利用三维检测平台开展室内试验研究。
依据现场调研结果，对ø50.8 mm(2 in)规格、fig1502型的由壬件进行刻伤，刻伤位置位于由壬内接头齿根末端，并将管件置于三维检测平台上，调整探头位置，保证合适的提离值，利用电机带动磁记忆探头沿管件轴向进行匀速扫查，检测过程如图7所示。同时选取完好由壬件的检测结果进行对照。
图7 室内试验检测过程Fig.7 Laboratory test detection process
选取覆盖缺陷位置处的单通道检测结果，对被采集信号进行梯度处理。刻伤由壬件与完好由壬件相同位置处的磁信号梯度值检测结果分别如图8a和图8b所示。
图8 有、无缺陷检测结果对比Fig.8 Comparison of detection results with/without defects
对比2种情况下的检测结果可知：探头在保持一定提离值的情况下，在靠近缺陷位置处的检测结果存在明显的信号突变；
在相同检测路径下，完好由壬件的磁信号梯度值曲线则比较平缓，几乎无明显信号突变。由此可验证磁记忆探头能够较好地反映出位于由壬内接头齿根末端处的缺陷。
2.4 高压由壬磁记忆检测现场检测试验
在压裂作业停工配液期间，对页岩气压裂现场的fig1502型由壬件进行磁记忆检测，检测部位为疲劳裂纹高发的由壬内接头，检测装置由远离由壬紧帽端向靠近端扫描，至端面结束，并对现场检测结果进行梯度分析及可视化云图分析处理。
在现场检测过程中发现了由壬件2处带缺陷，其磁记忆检测结果及实物如图9和图10所示。由图9和图10的试验结果可知：2个由壬在内接头端面附近均存在应力集中区域，前者的磁记忆梯度峰峰值为0.174 V/mm，属于安全峰峰值范围；
后者的磁记忆梯度峰峰值为0.303 V/mm，十分接近临界梯度峰峰值(0.326 N/mm)，需要在未来压裂周期的配液阶段加强检测频率。
图9 现场检测结果1Fig.9 Field detection result 1
图10 现场检测结果2Fig.10 Field detection result 2
由现场经验及振动检测分析结果可知，由壬处受到的振动影响较为强烈，且由于加工原因，内接头根槽端面极易因壁厚减薄而产生裂纹。因此，现场在线检测中，应提高对高压由壬的检测频率，以便在失效前及时更换，减少事故的发生。
作为结构复杂、失效风险高的管汇关键连接部位，高压由壬的相关力磁学模拟研究资料较为匮乏。鉴于此，笔者基于COMSOL软件建立fig1502型高压由壬模型，并进行力磁耦合模拟研究，求解在役高压由壬件的应力分布和磁场强度分布，分析承受内压条件下，由壬件缺陷部位对附近表面空间磁信号的影响。
3.1 应力-磁导率之间的关系
当铁磁性构件上存在应力时，构件会对外显示磁各向异性，各项磁学参数值会随外力发生改变[14]。为了探究在地磁场作用下高压由壬材料35CrMo所受外部应力和磁场之间的线性关系，通过实验室的静载拉伸试验台，对由壬材料进行轴向拉伸，并利用磁阻探头测量材料在受力过程中的磁场变化，结果如图11所示。
图11 拉伸应力与磁感应强度的关系曲线Fig.11 Tensile stress vs.magnetic induction intensity
由图11可知，由壬材料在地磁场环境下受外部应力作用时，其磁感应强度值随应力的增长呈线性增长趋势。拟合可得磁感应强度B和应力σ之间的关系式为：
B=3.874×10-4σ+1.247
(3)
建立铁磁特性和应力的耦合关系模型，可以得到更好的力磁耦合模拟结果。本节从磁导率特性入手，基于能量守恒定律建立了无外磁场激励下的铁磁性材料应力-磁导率关系式[15]：
(4)
式中：Bm为饱和磁感应强度，A/m；
λm为饱和磁致伸缩系数，10-6；
μ0为材料初始未受外力条件下的磁导率，H/m；
μσ表示应力值为σ时构件的磁导率，H/m。
3.2 地磁场中的高压由壬模型
高压由壬件由由壬外接头、由壬内接头、密封圈及由壬紧帽组成。本次的模拟对象为压裂现场常用的fig1502型由壬，其结构如图12所示。根据磁记忆检测机理和应力-磁导率关系式，选择软件中的固体力学场和静磁场进行耦合；
由于要分析含缺陷状态下的力磁场分布情况，所以建模时在由壬内接头模型螺纹齿根处预置了不同深度的缺陷。按照表2中的参数设置高压由壬材料的固体力学及磁学参数。本次研究过程分为2步：首先是力学研究，对比不同载荷情况下，含缺陷与不含缺陷由壬件的应力分布情况；
其次是根据应力-磁导率关系式对试件的磁导率进行迭代求解，得到不同内压下由壬试件内的磁场强度分布。
1—由壬外接头；
2—由壬紧帽；
3—由壬内接头；
4—密封圈图12 由壬结构图Fig.12 Union structure
表2 高压由壬材料参数Table 2 High-pressure union material parameters
在此研究结果的基础上，根据磁记忆损伤检测的需求创建分析路径，对路径下由壬件的力磁学模拟结果进行对比分析，分析结果可为磁记忆手段检测高压由壬缺陷提供理论参考。
3.3 高压由壬力磁耦合模拟结果
3.3.1 不同载荷下的应力分布
由于现场泄压状态的管汇内压一般为30 MPa，压裂阶段的管汇内压通常处于70～90 MPa之间，而目前管汇的最大承压极限为140 MPa，所以分别对无缺陷管汇和含缺陷管汇依次施加30、90和140 MPa的内压，在由壬内接头末端齿根部位预置了深5 mm、宽2 mm的裂纹缺陷。选取高压由壬模型的剖面，分析其应力分布情况。
图13为不同内压且有、无缺陷情况下高压由壬的应力分布对比云图。在内压为30 MPa、无缺陷情况下，由壬件的应力集中部位分别位于外接头端面与由壬紧帽的接触端，以及由壬内接头与由壬紧帽接触端的齿根部位，在尖点处达到最大值。两处的应力最大值分别为138和121 MPa；
而相同内压下，含缺陷的高压由壬应力集中部位在由壬紧帽与由壬外接头的接触端以及位于由壬内接头齿根部位的缺陷处，2处的应力最大值分别为138以及261 MPa。
图13 不同内压且有、无缺陷情况下高压由壬的应力分布云图Fig.13 Stress distribution cloud chart of high-pressure union with/without defects under different internal pressures
内压升至90 MPa后，有、无缺陷的高压由壬应力集中部位与内压30 MPa时的两处位置相同。无缺陷由壬的应力集中区域应力最大值分别为413和344 MPa；
含缺陷由壬的应力最大值分别为435以及783 MPa。
内压升至最大工作压力140 MPa后，有、无缺陷的高压由壬的应力集中部位与前2阶段相同，且应力集中区域明显扩大，无缺陷情况下2处应力集中区域的应力最大值分别为689和528 MPa；
含缺陷高压由壬则为723和1 220 MPa。
由表2可知，当内压p1=90 MPa时，由壬内接头齿根5 mm深度缺陷部位周围的应力值已经逼近材料的屈服极限835 MPa，压裂作业时，内压若继续增加，则会加速裂纹扩展速度，导致由壬内接头末端发生严重损伤。当内压p1增大至140 MPa时，由壬紧帽与由壬内、外接头的2处接触端的最大应力值大幅增加，疲劳失效风险增大；
缺陷部位的应力已远超材料的屈服极限，易引发由壬接头断裂事故。
3.3.2 不同载荷下的磁信号分布
在弱磁环境下，外载荷变化时，材料内部磁信号的变化较为细微[16]。为了给由壬的磁记忆检测提供理论量化依据，依照现场检测过程中的常规扫描路径，选取由壬内接头端面下方、距离管壁提离值为6 mm、长10 mm的线段进行分析。
在无缺陷条件和在30、90和140 MPa这3个典型工作内压下，检测路径上的磁感应强度分布情况如图14所示。由图14可知：3种不同内压下的磁感应强度信号变化趋势相同；
随着内压增大，由壬件所承受的应力增大，磁感应强度也随之呈递增趋势；
内压从30 MPa增加到90 MPa，磁感应强度变化量在0.19×10-4T左右；
内压从90 MPa增加至140 MPa时，磁感应强度变化量在0.24×10-4T左右。
图14 不同内压下的磁感应强度分布图Fig.14 Magnetic induction intensity distribution under different internal pressures
绘制检测路径上选定点的磁感应强度与内压之间的关系曲线，如图15所示。由图15可知，随着内压的增大，磁感应强度呈增大趋势，二者之间具有良好的线性关系，其变化规律符合公式：
图15 内压与磁感应强度的关系曲线Fig.15 Internal pressure vs magnetic induction intensity
B=0.008 69pi+3.692 72
(5)
3.3.3 不同缺陷深度下的磁信号分布
根据现场由壬的开裂情况，在由壬内接头末端齿根处预置1处宽1 mm、深5 mm的裂纹缺陷，对比研究有缺陷与无缺陷由壬件的磁感应强度分布，在内压为90 MPa的情况下，研究结果如图16所示。
图16 有无缺陷由壬件的磁感应强度对比曲线Fig.16 Magnetic induction intensity comparison curve of union with/without defects
由图16可知，不论是否存在缺陷，磁感应强度的变化趋势均一致。有缺陷由壬件的磁信号曲线在靠近缺陷处有较为明显的磁信号畸变。这是由于裂纹尖端应力集中处产生的漏磁信号导致磁场发生叠加，从而引起了磁感应强度值的增大。该异常幅值变化量在0.2×10-4T左右。
为了确定裂纹深度对其附近磁感应强度的影响，在内压为90 MPa时，设定裂纹深度在1～5 mm之间，取缺陷附近任意一点进行研究，该点处的磁感应强度大小随裂纹深度的变化情况如图17所示。
图17 裂纹深度与磁感应强度的关系曲线Fig.17 Crack depth vs.magnetic induction intensity
从图17可知，随着裂纹深度的增大，磁感应强度信号呈增大趋势。裂纹深度t与磁感应强度B之间的变化规律符合公式：
B=1.628 4t+5.621 55
(6)
(1)结合现场调研结果，对在役高压管汇系统开展了振动监测试验，明确了由壬部位在压裂工况下的振动情况，同时指出由壬是在役高压管汇的薄弱环节。
(2)基于磁记忆检测手段开展了室内测试试验及现场由壬件损伤检测试验，并根据高压管汇件缺陷判定标准对现场检测结果进行了初步评判。
(3)对高压由壬进行了力磁耦合仿真分析，明确了不同内压下,有、无缺陷由壬件应力的分布情况；
研究了内压及缺陷深度对由壬件力磁分布的影响，并建立了内压-磁感应强度、缺陷深度-磁感应强度的线性关系。模拟结果为在役由壬件的磁记忆损伤检测定量分析与安全评价提供了理论依据。
(4)对不同管径及承压能力的由壬件，其所受内压与缺陷类型、缺陷深度的定量关系还有待继续研究。
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