在役钻井钢丝绳安全评定方法研究

'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APII冲9B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(LF)和金属截面积损耗缺陷(I，MA)。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VisualBasic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(0482101400)”的资助)II ^英文摘要Subject：TheQuantitiveEvaluationfortheSecurityofDrillingSteelWireRopeSpeciality：MaterialProcessingEngineeringName：ChenHui(signature)Instructor：FengYaorong(signature)ABSTRACTSteelwireropewaswidelyusedinpetroleumindustry．Drillingsteelwireropewastheimportantpartsofdrillliftingsystem，anddrillliftingsystemwaseasytocausefractureaccidents．Atpresent，steelwireropecouldonlybeevaluatedaccordingtotheAPIRP9Bstandard，whichhadthebadreliability．Sothequantitativeevaluationmethodsofsteelwireropewereneededurgently．Basedonsystematicallyanalysisofnondestructivetestingtechnologyindomesticandintemational，thenondestructivetestinginstrumentwithhighqualitativeandquantitativeaccuracywasselectedtodetectthedefectsofsteelwirerope．Thesafetyevaluationmethodsofsteelwireroperesidualintensityindomesticandinternationalandtheexistingproblemsofmethodswerestudied．Allkindsofdamageandtheinfluencefactorsonsteelwireropepropertieswereanalyzed，andLocalizedFault(LF)andLossofMetallicCrossSectionalArea(LMA)weretwomaindamagedefectsofsteelwirerope．DetectionresultswithhighqualitativeandquantitativeaccuracywereobtainedbyusingnondestructivetestinginstrumentstodetectLocalizedFaultandLossofMetallicCrossSectionalAreaofsteelwirerope．Thestructureandstrengthofsteelwireropewerestudied，andonthebasisofanalysisofsteelwireropedefectsandresidualintensity,themathematicsrelationbetweenLocalizedFault，LossofMetallicCrossSectionalAreaandresidualintensitywererespectivelystudied，finallythemathematicsexpressionbetweenLocalizedFault，LossofMetallicCrossSectionalAreaandresidualintensityofsteelwireropewerefounded，andthesafetycoefficientofsteelwireropewascalculatedtoofferimportantreferenceforsteelwireropesafetyevaluation．VisualBasicsoftwarewereadoptedtowritetheresidualintensityevaluationsystemprocedureofste：1wirerope，theresidualintensityandsafetyevaluationmethodswerepreliminaryachieved，andmadetheevaluationmethodsofsteelwireroperesidualintensitymoreconvenient，swiftandaccurate．Keywords：SteelwireropeSafetyevaluationResidualintensityNondestructivetestingThesis：DevelopmentStudy(Thissubjectgetsthesubsidyfrom‘‘TechnologicalDevelopmentItemofChinaNationalPetroleumCompany(0482101400)”) 学位论文创新性声明Y941646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(90～150m／min)、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APIRP9B[¨(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(KN．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09．5mm～052．0mm。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[21。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【3J。从图中可以看出：①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；②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)；③股内各层钢丝的数量多少与直径大小不尽相同；④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6x19型钢丝绳，如图1．1(c)所示。罐瓣黪黪(a)6X7(线接触)(b)6×19(点接触)(C)6×19(d)6×19(金属绳芯、(西鲁型，线接触)西鲁型，线接触)臻臻耱黪一(e)6”(36)(金属绳芯、(f)6。(28)(曲61(25)(h)66(25)瓦林吞型，线接触)(瓦林吞型，线接触)(金属绳芯、三角股绳)黎毒@④(i)6”(28)(j)17X26(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)17×7多层股绳(n)12X6+3X12(0)6X24(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【3J：①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；②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；③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‘31，如图1．3所示，主要包括：①钢丝绳的公称直径，即钢丝绳的外接圆直径；②单根钢丝直径；③绳股间距，即沿钢丝绳轴向方向上两相邻绳股的间距；④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19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(LMA)或局部缺陷(LF)因素的检测装置阶段；金属截面积损耗(I，MA)定量检测和局部缺陷(LF)检测一体化的电子仪器阶段；金属截面积总变化(TCMA．I，MA)定量检测和局部缺陷(LF)检测一体化智能检测装置阶段。1906年，南非人CMcCann和RColson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(AC)励磁，故称为AC方法[10】。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。20世纪20至40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(DC)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DC方法【lU1。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。1919年，RLSanford和WBKouven—hoven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【11】，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。1937年，RWomle和HMiiller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Womle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fb)(c)图1-4测量钢丝绳截面损耗的AC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。70年代问世的Magnograph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(Total．FluxMagneticMethod)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Rotescograph型钢丝绳探伤仪。1987年，HRWeischedel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【lo,12]，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【12】，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NDT公司于80年代末生产的LMA一250系列钢丝绳无损探伤仪。永久磁铁，，’————、<⋯＼、L—／永久磁铁钢丝绳聚磁环及霍尔元件图1-8积分线圈检测钢丝绳截面损耗法图1-9霍尔元件检测磁通法加拿大矿业能源技术中心的EKalwa博士重点研究了应用霍尔元件检测钢丝绳漏磁通和主磁通的方法，如图1-9所示【13】。通过大量的实验，深入分析了钢丝绳局部缺陷与检测信号的定量关系，找出了部分缺陷定量特征与检测信号之间的一些关系。1995年，加拿大在原有的检测原理基础上推出了基于计算机的MagnographII型钢丝绳探伤仪的原理样机【14】，其重要的突破是提供了TCMA-LMA选项。TCMA(TotalChangeinMetallic6 第一章绪论Area)截面积总变化是钢丝绳的金属截面积相对于出厂时的改变，是个绝对量，它是基于一个不变的基准。这一点不同于LMA，需要人为地选取某一钢丝绳作完好的基准，是相对量。MagnographII型钢丝绳探伤仪为消除人为因素在钢丝绳检测中的影响迈出了一大步。1986年至1996年，以加拿大矿业能源技术中心为主，由加拿大和美国的多个矿业公司、钢丝绳制造公司参与组成了一个研究小组，实施了一个钢丝绳缺陷电磁检测技术的十年研究计划。1986年，研究小组从调查各矿业公司使用钢丝绳电磁检测仪的情况着手，对当时的电磁探头作了全面的评估，深入分析了各矿业公司在使用钢丝绳电磁检测仪的同时仍然连续发生重大事故的深层原因。1990年，研究小组开始对基于永久磁铁和霍尔元件的检测探头做深入的机理研究，在实验室和工业现场做了大量实验，筹建钢丝绳检测的数据库，对换绳标准做了细致分析，制定了一套钢丝绳电磁检测仪操作规范。1994年前后研制成了一套双功能、计算机辅助钢丝绳缺陷检测系统。1996年完成此系统的工业现场实验。该系统较以前的检测仪器有较大的改进，借助计算机增加了不少选择项目，除了检测局部缺陷(LF)和截面积损耗(I，MA)缺陷外，还可检测TCMA(绝对金属截面积变化，即钢丝绳的金属截面积相对于出厂时的改变)，数据存储量大，操作提示多，人机界面友好。但是从发表的文献看，此系统的智能化程度还不够，检测曲线仍然需要操作人员解释，也没有和科学的换绳标准联系起来，整个系统体积较大，现场操作仍显麻烦。(2)国外钢丝绳无损检测技术的现状近几年，除了电磁检测技术外，其它钢丝绳缺陷检测技术依然仅限于实验室研究。各国学者在实践中逐步推广电磁检测技术的同时，深入研究此门技术在工程应用中所遇到的各种实际问题，寻找解决的方法。这些问题主要集中在：缺陷定量检测精度问题，仪器可靠性问题，仪器多功能问题，仪器操作简化及智能化问题，基于检测结果如何对钢丝状态评估问题等。目前，加拿大、美国、俄罗斯、波兰等国家在钢丝绳无损检测技术方面都已取得了较大的成果。俄罗斯新型电脑化钢索电磁无损探伤仪[”】(INTROS磁性钢索测试仪)是基于磁头强烈的永磁体使线缆处于磁饱和状态的原理，探头位于磁极和线缆之间。线缆的不规则(如坏线、锈蚀和磨损)会导致磁渗漏流量变化，则探头的信号即可判断线缆的铁金属区和坏线部位。INTROS基于强磁原理工作无需预先磁化，同一当前检测数据可以与历史检测记录作纵向比较。INTROS无损探伤仪可应用于矿井、码头、起重机械、电梯、索道等钢索的在线无损检测，检测钢索的截面损失和局部断丝等缺陷。近来由波兰的采掘冶金大学(UniversityofMiningandMetallurgy)开发并研制的MD系列钢丝绳检测仪器【16】也是比较先进的。MD20系列钢丝绳检测仪是一种用来检测小直径(08mm～022mm)钢丝绳断丝和局部腐蚀等缺陷的简单工具，可以通过仪器快速检7 西安石油大学硕士学位论文测直接找到钢丝绳坏损程度超过安全设定值的位置。MD120B钢丝绳探伤仪是比MD20钢丝绳检测仪更先进的仪器，是波兰Zawada公司总结了30多年钢丝绳现场检验的丰富经验最新开发出的钢丝绳高速探伤记录仪器。该仪器同样采用漏磁的探伤方法，可以通过对钢丝绳全面检测确定缺陷所在位置，利用数理积分法从记录中读出高磁感应的缺陷，检测局部损伤精度为钢丝绳横截面积的O．2％【17]。磁检测法是目前公认的最为可靠的钢丝绳检测方法。该方法长期受到人们的重视，也是目前最为成熟的检测方法。当然除了电磁法外，各国的科研人员也在积极探索其它的无损检测方法，如电涡流法、声发射法、激光扫描法、超声波法和振动波法等【3]。在80年代后期至90年代中后期，除了在钢丝绳电磁检测技术方面取得系列成果外，各国学者积极探讨新的钢丝绳缺陷检测方法。1987年，德国采用激光扫描方法测量钢丝绳直径，用一激光束沿钢丝绳轴向连续扫描来测量钢丝绳相邻绳股尺寸在径向上的变化，进而计算出不同位置的钢丝绳直径。1988年，日本的铃木纪生在理论和实验基础上研究了超声波检测钢丝绳缺陷(主要是断丝)的方法，主要解决静态悬吊钢丝绳检测问题。同年，美国科学家HKuwn和GLBurkhard对利用横向激励振动波检测钢丝绳缺陷作了实验研究。1994年，HKuwn又对基于磁致伸缩效应检测钢丝绳缺陷的原理作了深入研究，取得了一定的进展。1．3．2国内钢丝绳无损检测技术的发展及现状(1)国内钢丝绳无损检测技术发展进程我国钢丝绳无损检测技术起步较晚，20世纪60年代初才开始进行研究。国内自行开发研制的钢丝绳探伤仪一般是单一因素(主要针对断丝)的检测仪器。80年代华中理工大学杨叔子院士等人开始了钢丝绳断丝在线检测的研究，重点研究钢丝绳断丝的定量检i贝lj[3,18-20】。他们采用漏磁通法，以永久磁铁励磁钢丝绳，用集成霍尔元件测量钢丝绳周围各个方向上的磁场信号，用码盘控制采样的间距，用计算机对数据进行处理，并对钢丝绳的励磁磁路、信号处理等进行了大量研究，首先研制成功了MTC．94型钢丝绳探伤仪，定性地检测钢丝绳的局部异常缺陷。在80年代末，采用便携机为检测平台研制了GDJY系列钢丝绳断丝定量检测仪。1992年底，GDJY-B型钢丝绳断丝定量检测仪通过国家技术鉴定，该仪器在探伤传感器上采用“聚磁"技术检测漏磁场，这是漏磁探伤检测技术上的突破。由于采用计算机提高了仪器的智能化水平，实现了钢丝绳检测信号的等距离采样，对于断丝信号特征的提取、断丝检测信号定量识别进行了有效的探索，实现了断丝的定量检测，该项技术在当时已处于国际领先水平，为我国钢丝绳检测技术的发展做出了较大贡献。80年代末，河南洛阳涧西矿冶机电研究所成功研制了GXT型断丝在线检测装置。该仪器采用自行研制的动态感应线圈进行在线检测，主要用于检测局部损伤，在国内较 第一章绪论有影响。为了吸收和借鉴国外先进的钢丝绳无损检测技术，1986年，抚顺煤矿分院从英国Becofit公司引进了LMA-25型钢丝绳探伤仪，在消化其关键技术的基础上，与哈尔滨工业大学合作采用单片机系统研制成功了GST型钢丝绳探伤仪[22,23]，该仪器为国内首台可同时进行LMA和LF检测的探伤仪，其各项性能指标已达到国际同类产品的水平。随后国内相继出现了一些与之类似的定量检测LMA和LF检测一体化的钢丝绳检测装置。此外在90年代末，我国东北大学对声发射技术检测钢丝绳断丝作了试验探讨【l31。(2)国内钢丝绳无损检测技术的现状我国在钢丝绳无损检测方面虽然起步较晚，但在仪器的计算机化和智能化方面却取得了较好的成绩：将人工智能和模式识别技术引入钢丝绳定量判别中，可实现钢丝绳断丝根数的准确识别；采用磁阻测量原理，实现钢丝绳直径的非接触测量；实现断丝和磨损一体化检测，减轻了检测强度。目前，国内较先进的无损检测仪器是华中理工大学研制的MTC系列钢丝绳无损探伤装置【241。MTC系列钢丝绳无损检测仪是采用永久磁铁或直流电磁铁励磁，磁敏感元件检测磁场信息，计算机处理系统处理检测信号并给出定量化结果。磁性检测方法检测钢丝绳缺陷(断丝、磨损、锈蚀等)的基本原理是：用一磁场沿钢丝绳轴向磁化钢丝绳段，一旦存在缺陷的钢丝绳通过这一磁化磁场时，就会在钢丝绳表面产生漏磁场，或者引起磁化钢丝绳磁路内的磁通变化，若采用磁敏感元件检测这些磁场的畸变即可获得有关钢丝绳缺陷的信息。MTC系列钢丝绳检测仪是一种定量检测钢丝绳中表面或内部断丝和因磨损、锈蚀、绳径等引起的钢丝绳横截面中金属截面积总和变化的计算机化无损检测仪器。该仪器采用了LF型探伤传感器和LMA型探伤传感器，检测信号经过放大、滤波等处理后由计算机采集和判别。钢丝绳运行的位置由光电编码器编码后进入计算机，计算机对位置编码器发出的脉冲信号计数，通过计算后得到损伤的精确位置。该仪器对使用中的钢丝绳可进行高精度检测，及时发现不安全隐患，减少事故的发生。检测时既准确又快捷，可以减轻工人的劳动强度，提高工作效率，适用于各种用途及规格的钢丝绳探伤研制。1．3．3钢丝绳无损检测技术存在的问题及发展趋势目前钢丝绳无损检测技术智能化程度不高，虽然在仪器检测钢丝绳中已经达到很高的精确度，但在进行信号判别时，需要检测人员有一定的检测判别经验，因此在检测结果中存在人为因素。主要表现为以下几方面：(1)钢丝绳局部缺陷(LF)定量检测问题【13】LF定量检测主要是指钢丝绳断丝根数的检测，目前对断丝的检测主要是依据霍尔元9 西安石油大学硕士学位论文件的漏磁通法。若在检测区段内只有极少量且分布在外表面的断丝，则较容易判别。若在同一截面内外有多根断丝或不同截面的数根断丝断口相距很近或钢丝直径很细，加上断丝在截面位置的随机性，所检测到的漏磁通幅值大小并不随断丝根数呈线性变化或其它形式的确定性变化，这就会带来较大误差，因此有待于进一步的研究解决。(2)钢丝绳强度损失的评估问题【13]检测钢丝绳就是为了依据检测结果评估在役钢丝绳的强度损失，找出钢丝绳在使用过程中各部位强度的变化和强度最弱的位置，计算其承载能力，从而决定折减使用的破断拉力和判废换绳的时间。在役钻井钢丝绳金属截面积损伤(I，MA)、局部缺陷(LF)与钢丝绳剩余强度之间的关系还有待于进一步的研究。(3)钢丝绳切除与判废问题目前油田用钢丝绳的判废切除主要采用计算工作量的方法，即根据钢丝绳的工作量(KN．m)评估钢丝绳的寿命。石油用钢丝绳切除判废的主要依据是APIRP9B[1】(油田用钢丝绳的使用、维护推荐做法)的规则，这是一种经验的定性方法，对于不断投入使用的结构复杂、性能优良的新型钢丝绳，显得过于落后且易造成较大浪费，因而有待于找到一种新的定量评价方法。(4)适用于油田工况的无损检测仪一目前国内研制成功的钢丝绳无损检测仪主要用于检测矿山、煤炭、旅游、建筑、起重机等行业的钢丝绳，需要对这些仪器进行改装，以适应钻井钢丝绳的现场检测。科学技术的迅猛发展为钢丝绳无损检测技术的发展提供了理论基础和技术支持。钢丝绳检测的目的是根据检测的结果推测在役钢丝绳的强度损失，得到钢丝绳剩余强度，并由安全系数和使用章程决定更换钢丝绳的时间。因而实际需要的是钢丝绳强度检测仪，它能把整条钢丝绳各部位强度变化情况和最弱部位指示出来，目前尚且无法达到这一点。现在只能对影响钢丝绳强度损失的损伤进行检测，如果可以建立起在役钻井钢丝绳截面损耗(LMA)、局部缺陷(LF)与钢丝绳剩余强度之间的数学关系，那么就可以准确地掌握钢丝绳的强度损失。1．4钢丝绳剩余强度评价方法目前，油田上对钢丝绳判废的常用方法是依据APIRP9BEl】(油田用钢丝绳的使用、维护推荐做法)的规则进行判废切除。该规则根据钢丝绳的使用工作量(KN．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方法。根据起下钻作业、钻进作业、取心作业、下套管作业等过程中钢丝绳承受的载荷与工作行程计算出钢丝绳的工作量(KN．m)，即已经消耗了的寿命，当该10 第一章绪论段钢丝绳的工作量达到了额定寿命时就应该切除，从死绳端放出一段新的钢丝绳。钢丝绳的额定寿命用查图表的方法获得，图表是按照岩石的可钻性、井架高度、绳径确定钢丝绳的额定寿命。岩石的可钻性被分为四个等级，即难钻、易钻、以及界于二者之间的两个等级。但岩石的可钻性评判没有细则，缺乏可操作性。因此该方法是经验性的、一般性的，没有考虑特殊的、异常的工况，例如没有考虑油田现场的不规范操作(缺乏润滑、砸伤、挤压等)、设备异常(滑轮或滚筒磨损、位置安装不当)等引起钢丝绳的过度消耗，而这些现象是我国钻井现场经常发生的，所以该方法评估出的寿命可能与实际差别较大。在油田现场还可以凭经验观察在一定范围内钢丝绳外层钢丝的断丝数，观察钢丝绳变细情况或钢丝绳在滚筒上的缠绕情况等一些直观现象决定其使用期限【251。这种方法必然受到检测人员的精神状态、责任心、身体状况等基本素质和工作环境(如噪音、照度、温度、淋水等)、钢丝绳状况(如钢丝绳结构、表面清洁程度、运行速度、晃动幅度)等多种因素的影响，故检测结果的可信度差。此外，这种人工检测法根本无法检测到经常发生在钢丝绳内部的损伤。钢丝绳作为钻机的一个重要构件，直接关系到生命财产的安全，直接决定着钻井效益及成本，所以单凭眼观手摸的方法判定是远远不够的。由于钢丝绳的特殊结构和随机因素，在对大量的钢丝绳断丝情况分析后发现，一处发生断丝后，其余断丝仍有可能发生在其它部位，而且与该处是否发生断丝无关。钢丝绳是由多根承载件平行捻成的，一根钢丝破断后，在离断裂处很短的距离内又可重新承受载荷【261，因此单凭人工检测的方法是无法准确检测出钢丝绳的损伤情况的，而APIRP9B[1】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情况和寿命无法准确评定。因此研究钢丝绳的剩余强度评价方法是当前面临的主要问题。国内外关于钢丝绳剩余强度的评价方法进行了很多研究，剩余强度的定量评价主要是针对使用后的钢丝绳的各种缺陷进行的。1．4．1全程最小安全系数评价法钢丝绳是导磁体【27l，其表面具有凸凹不平的捻制股波，利用电磁检测仪磁通量的变化可以得到钢丝绳伸长量的变化，即可得到钢丝绳的应变，同时引入钢丝绳的弹性模量和截面积等结构参数，并进行定量计算，便可得到钢丝绳的张力。钢丝绳损伤后仍具有的承载能力(即拉断力)称为剩余强度。目前的研究把钢丝绳损伤模式归结为LF型(断丝类)和LMA型(磨损类)两大类【281，分别检测出LF型和LMA型损伤量及其在钢丝绳轴向上的位置，予以记录存储，据此可判断钢丝绳剩余强度。对于钢丝绳的LF型损伤【29l，即在断丝处该钢丝失去强度(无承载能力)。但由于捻制的钢丝之间存在摩擦，使得在长度方向相隔一定距离以后，该钢丝又重新恢复承载 西安石油大学硕士学位论文能力，这个距离称为钢丝的失效长度，其大小取决于钢丝绳的捻制结构。对于异向捻钢丝绳，其断丝失效长度为钢丝绳捻距的2．9倍，而对同向捻钢丝绳为捻距的6倍。如果把失效长度范围内的所有断丝认为是集中在一个断面内，计算出的钢丝绳剩余强度与拉断实验所需的拉断力是相当一致的[291。因此，可得断丝损伤引起的钢丝绳强度降低量的计算公式为㈣彳％=Qd孚(1—1)式中，％为断丝损伤引起的钢丝绳强度降低量，Q为新钢丝绳的破断拉力，A。为失效长度范围内的断裂钢丝的断面积之和，彳。为钢丝绳所有钢丝的断面积之和。对于存在LMA型损伤的钢丝绳的剩余强度可按下式计算[29】Q删=OdBl(1—2)式中，B为采用感应线圈对具有LMA型损伤的钢丝绳进行检测所得到的检测信号的基线振幅与对同型号新绳检测的检测信号的基线振幅的比值；n为与钢丝绳使用条件有关的特征值，竖井提升用绳取n=0．05，斜井提升用绳取n=0．27。综上可得钢丝绳同时存在LF和LMA型损伤时的剩余强度计算式为(B值和4值的计算应保证在同一段失效长度之内)【29】级=‰一％=Q∞一一争)(1．3)钢丝绳的安全系数不是定值，而是随着钢丝绳的剩余强度状况和受力状况变化的动态量，称其为动态安全系数m；，可按下式计算[29】m：：堡(1-4)‘，：式中，绋，为在位置f处钢丝绳的剩余强度，E为在位置i处钢丝绳的实测张力。将钢丝绳损伤与张力检测信号经预处理后送入计算机进行数字处理，并依据式(1．1)～式(1．4)实时计算出钢丝绳的剩余强度、张力及动态安全系数。图1—10是钢丝绳安全检测与评价系统框图【291。应用上述方法，可以实时获得钢丝绳在一次工作循环内各个区段的动态安全系数及其变化情况。但对于钢丝绳这种特殊构件，应以其全长范围内损伤最严重部分在承受最大张力下的安全系数，即全程最小安全系数m血作为其安全性评价的标准【29】，即‰=器酬m5，12 第一章、绪论式中，安全。[m。】为规程规定的安全系数。从理论上讲，只要[m。]大于1，即可保证钢丝绳的图卜10钢丝绳安全检测与评价系统框图1．4．2最大强度损失评价法该方法同样也是利用无损检测仪器进行钢丝绳的损伤检测‘301，利用检测结果进行钢丝绳金属截面积的损伤计算，并以此作为安全评定的标准。(1)定义一根绳或钢丝所能承受的最大的破断载荷为破断强度咒，一根钢丝绳所有单丝的破断强度总和为总强度S。，钢丝绳的破断强度除以总强度所得的系数为钢丝绳效率77。钢丝绳效率通常依赖绳的结构和其它因素，一般为70％---,90％【311。钢丝绳破断强度损失百分比(％LBS)，其中S。枷，为新绳的咒；钢丝绳总强度损失百分比(％LAS)，其中S。。为新绳的S。‘301，即籼肚‰[卜丧]×10毗∽6，％LAS=Sanew[卜丧卜％∽7)(2)钢丝绳报废标准在钢丝绳的整个使用寿命期内，施加在钢丝绳上的最大载荷三一变化很大，同时钢丝绳效率叩在最小效率叩疵和100％之间变化(最小效率即为新绳效率叩曲=rl。。)。此外由卵变化引起的钢丝绳破断强度最小值&曲也将发生很大变化。因此，钢丝绳的报废必须考虑最坏情况下的破断强度损失百分比，即％LBS的最大值【30】 西安石油大学硕士学位论文％圾ci)=Sb，删[卜筝×10]0％=[·一拦卜％㈤8，=1r／,wS．(i)-】×100％=[·一矧x100％=％⋯、1钆式中，E(f)一第i次检验时钢丝绳的总强度；Sb(f)一第i次检验的破断强度Sb；Sb曲(f)一第i次检验时钢丝绳的最小可能破断强度，是在新绳条件下获得的；％皿S(f)一第f次检验的破断强度损失百分比。这意味着％三雕一或同等的％LAS可作为公式化的钢丝绳报废标准。1．4．3数学建模法在使用初期，随着钢丝绳中各单丝之间相互磨合，松散的结构逐渐趋于紧凑，从而出现破断拉力上升的现象。随着使用时间的增长，钢丝绳内的钢丝不断出现压痕、磨损，即使经常加润滑油，也难免产生这种性能劣化，这种损伤引起应力集中，导致钢丝断裂，时间越长，断丝发生率越大。断裂的单丝破损面对邻近的单丝也将造成压迫，使外力集中到邻近单丝上，从而增大了邻近单丝的断丝机会。以M表示钢丝绳中[O，t)的断丝个数，断丝发生时间为S。，S：，．．．SⅣ．，得到一个断丝过程【321{Ⅳf，t≥0)，它满足以下性质：i)P以=0}=1；(1-9)ii)对任意t≥0和h≥0，有P{Ⅳf，f+^=1Nt，墨，S2，⋯，SM)=x(t，S1，S2，．．．，SM)Jil+D(办)(1-10)P{M，f+^≥2IN，，S1，S2，．．．，SM)=o(h)(1—11)由式1．11记x(t，S1，S2，⋯，SM)=1．imb-1P{M，，+^≥1Nt，墨。S2，⋯，S肌)(1—12)。‘h---)O’称其为过程{M，t≥o>的过程强度阢341，随Ⅳf，S。，S：，．．．SM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)，ii)的随机过程{Ⅳf，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【351，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14 第一章绪论使用时进行定量判废提供理论依据【251。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【361。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(LocalizedFault)和金属截面积损耗型(LossofMetallicCrossSectionalArea)，并分别简称为LF型损伤和LMA型损伤。LF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。LMA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10％)、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【371。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【374¨。16 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【37】。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[251。(a)单面磨损图2-2钢丝绳磨损示意图(b)均匀磨损0510152025303540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)17∞∞∞∞∞∞∞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100％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1800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。19 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：①伤痕处截面积明显减小；②伤痕处产生应力集中；⑧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2-10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2-10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2．1l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【371，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—11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【25】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10％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(II)10％～35％钢丝表面锈皮较厚或有麻坑，但尚未连接起来严重(Ⅲ)25％—40％有锈蚀裂纹，麻点形成麻坑，连成麻沟，外层钢丝松动危险(Ⅳ)>40％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；II级锈蚀时应考虑锈蚀的影响；Ⅲ级是严重的锈蚀，一般达到Ⅲ级时使用不安全了；Ⅳ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㈣。(1)弯曲疲劳21 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【301。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【301。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【37】。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【371。(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‘371。(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[39】。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60％～80％，负扭结的强度还不到原强度的50％，严重时强度将降低到只有原来的10％～20％。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El形状如图2．12所示【37】。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【37】。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—12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14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APIRP9B[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(KN．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(LF)和金属截面积损耗型(IMA)。(2)钢丝绳在现场使用中会产生磨损、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、意外砸伤是断裂的内在原因；磨损、腐蚀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。(3)钢丝绳在现场使用中产生的各类损伤最终主要表现为断丝和磨损，钢丝绳无损检测仪的主要检测对象就是断丝和磨损损伤。 第三章钢丝绳无损检测钢丝绳安全性定量评定是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，因此钢丝绳无损检测仪的定性定量准判率对钢丝绳剩余强度的定量评定有很大的影响。3．1钢丝绳无损检测仪器通过调查研究国内外钢丝绳无损检测技术的进展，综合调研国内外钢丝绳无损检测仪器的优缺点及定性定量准判率，考虑实际使用中的问题，最终选用国内较早研究钢丝绳无损检测仪器，且目前在国内外取得较先进研究成果的华中理工大学杨叔子院士等人研制的MTE系列钢丝绳无损检测仪器进行油田用钢丝绳的损伤检测。在研究中应用MTE系列钢丝绳无损检测仪进行钢丝绳局部缺陷和金属截面积损耗的定性定量检测，并进行检测信号分析，得到钢丝绳局部缺陷和金属截面积损耗的详细数据，以此作为研究钢丝绳损伤缺陷与钢丝绳剩余强度之间关系的依据。3．1．1钢丝绳无损检测仪的组成钢丝绳无损检测仪由探伤传感器、信号处理器、A／D转换器、计算机及相关外设、信号处理软件以及仪器的安装支架等组成，其结构原理见图3-1所示，检测仪器见图3．2所示，检测过程见图3．3所示。传感器信号线A信号处理单元连接线B终端处理单元图3-1无损检测仪器结构原理图传感器：是将钢丝绳的缺陷信息转换成电信息的部件。工作过程中，它与被检构件直接接触，接触面将产生磨损。信号处理单元：是将传感器送来的信号进行处理、转换，成为终端处理单元接受的物理信号。终端处理单元：是将信号采集处理单元送来的信号进行处理，形成最终检测结果的系统，它是检测仪的核心。按照系统平台的不同，有便携机、台式机、以及工业计算机。 西安石油大学硕士学位论文外围连接线：是主单元联系的通路。有时，连线的好坏将对检测的结果造成很大的影响。图3-2钢丝绳无损检测仪器图3-3钢丝绳无损检测过程3．1．2钢丝绳无损检测仪的工作原理钢丝绳无损检测仪是采用永久磁铁或直流电磁铁励磁、磁敏感元件检测磁场信息和计算机处理系统处理检测信号并给出定量化结果的无损检测仪。磁性检测方法检测钢丝绳缺陷(断丝、磨损、锈蚀等)的基本原理是m】：用一磁场沿钢丝绳轴向磁化钢丝绳段，当钢丝绳通过这一磁化磁场时，一旦钢丝绳中存在缺陷，钢丝绳表面就会产生漏磁场，或者引起磁化钢丝绳磁路内的磁通变化，采用磁敏感元件检测这些磁场的畸变即可获得有关钢丝绳缺陷的信息。根据钢丝绳结构和缺陷特征，人们研究出两种类型的磁检测方法：局部缺陷检测法(LocalizedFaultMethod)，简称LF法，如图3-4(a)所示；金属截面积损耗检测法(LossofMetallicCrossSectionalAreaMethod)，简称LMA法，如图3—4(b)所示。前者通过测量钢丝绳表面局部区域中的漏磁场获得信息，主要检测断丝、锈蚀、斑点等引起局部突变磁场的缺陷：后者通过测量磁化回路中主磁通的变化获得信息，主要检测磨损、锈蚀等引起钢丝绳横截面中金属截面积总和变化的缺陷。磁检测法主要由两大部分组成，其一为磁化钢丝绳的励磁装置；其二为检测磁场的磁检测装置。励磁装置对钢丝绳磁化的程度直接关系着缺陷能否被检出以及探伤传感器的体积和重量，国外现均采用将钢丝绳磁化至深度磁化的方法。磁检测装置是探伤传感器的关键部分，关系着缺陷检测的空间位置分辨力、程度分辨力、信噪比和灵敏度等。在LF法中，采用了感应线圈、霍尔元件、基于多元件组合的检测、基于整磁板技术的检测、基于聚磁技术的检测等漏磁检测方法来克服因钢丝绳结构给检测信号带来的干扰、提高缺陷漏磁检测灵敏度、防止漏检；LMA法中，通过选择检测元件的布置位置，来提高检测信号的灵敏度和定性、定量分辨力。缺陷漏磁场是关键，通常由磁敏感元件实现。磁敏感应线圈的输出电势随线圈与被测对象问相对移动的速度而变化，能测量磁通的相对变化量；霍尔元件的输出电势不受 第三章钢丝绳无损检测检测速度的影响，且可以测量磁场强度的绝对值，灵敏度和可靠度也较高。钢丝绳运行的位置由光电编码器编码后进入计算机，计算机对位置编码器发出的脉冲信号计数，通过计算后得到精确的位置。(a)LF法霍图3-4钢丝绳磁检测原理图3．1．3钢丝绳无损检测仪的操作检测过程的流程图见3—5所示。安装传感器上安装信号处理单元上安装处理终端’上连接导线上合上信号处理器电源上启动软件上信号采集上推出软件上拆除检测仪器图3-5钢丝绳无损检测流程图27霍尔元件(b)LMA法漏磁测量线圈 西安石油大学硕士学位论文运行软件，进入检测系统，如图3-6所示。系统界面有六个标题，每个标题的操作提示显示在屏幕上方的眉栏中。按空格键后进入主程序，移动左右光标键进行功能选择，按回车键后选中功能，被选中的标题呈低亮度显示。进行钢丝绳的检测首先要对仪器进行标定，需要标定的参数有：钢丝绳直径、金属截面积、捻距、采样间隔、第一门限、第二门限、波形缩小率、截面基准值。系统将自动保存或修改这些参数，以备参数设置时使用。门限有第一门限和第二门限。第一门限值是断丝识别的定性参数，即判断断丝的有无，它的值过小可能出现多判，过大又可能出现漏检；第二门限值是判断每一处集中断丝根数的参数，它的大小主要由钢丝绳中单根钢丝直径大小决定，它的值太大断丝的根数将少判，太小断丝的根数会多判。门限的标定有两种方法：离线标定(模拟断丝)和在线标定(实际已存在断丝)。截面灵敏度的标定有两种方法：在线标定和离线标定。截面积基准值的标定有：绝对截面积的测量(以新绳为基准)和相对截面积的测量(以旧绳为基准)。截面积的检测结果显示的是截面积变化量最大处的相对变化量，正值为截面积增大，负值为截面积减小。截面积相对变化量的计算公式如下：LMA％=塑塑≮篙勰蔫鬻型圳。％b-，按ESC键退出程序，如图3—7所示，按Y键退出，N键否定。图3-6钢丝绳检测仪分析系统检测软件界面图3-7钢丝绳检测仪退出检测程序界面3．1．4钢丝绳无损检测仪的技术指标钢丝绳无损检测仪是一种定量检测钢丝绳中表面或内部断丝和因磨损、锈蚀等引起的钢丝绳横截面中金属截面积总和变化的计算机化无损检测仪器。采用了LF型探伤传感器和LMA型探伤传感器，检测信号经过放大、滤波等处理后由计算机采集和判别，钢丝绳运行的位置由光电编码器编码后进入计算机，计算机对位置编码器发出的脉冲信 第三章钢丝绳无损检测号计数，通过计算后得到精确的位置。钢丝绳无损检测仪的主要技术指标如下【44】：位置精度为0．3m／100m；钢丝绳检测灵敏度指标为丝径≥1．5mm、断口间隙≥2mm的一根断丝；断丝根数定性判别准确率为98％；断丝根数定量判别准确率为70％(单处集中断丝有一根误判时)；金属截面积检测相对灵敏度为2％，即当金属截面积相对变化2％时，监测仪显示值或波形有明显的变化；检测速度为0"～6m／s；可检测范围为5-200mm；重量(不含计算机)<5Kg。钢丝绳无损检测仪所检测钢丝绳试样长度不小于2．5m，弯曲度不大于15mrn／m。标准试样采用对钢丝绳进行人工锯断的方式制作。用检测仪检测标准试样上的缺陷，需重复100次；用检测仪检测标准试样上达到检测灵敏度的缺陷，也需重复100次。对同一型号的检测仪，其检测灵敏度、定性检测准确率、断丝定量检测准确率的测定可以一次重复试验，分别统计分析；对有效位之后的数据采用四舍五入的方法进位。3．2钢丝绳损伤缺陷检测在钢丝绳无损检测中常用的检测术语有：IZ一厶l位置误差：P∥=L—里X100％(3—2)三其中：三为位置平均值，三；为第f次测量值；定性准判率：钢丝绳任意位置上有无断丝的准确判断概率；定量准判率：钢丝绳断丝位置断丝根数的准确判断概率。以下是被检测钢丝绳的其中一组j：直径为032mm,结构为6x19S+FC型钢丝绳，其断丝总面积为416．2mm,结构如图3—8所示。一．、?≯．，。。瓣图3-86×19S+FC型钢丝绳结构图根据检测要求并结合现场条件，此次检测在静止状态(即固定钢丝绳保持无晃动)下，通过人力带动检测传感器在钢丝绳上来回检测的方式对12根钢丝绳分别进行检测，对断丝缺陷钢丝绳9根进行了各100次检测，50：检测作为一个数据记录；对磨损缺陷及原始钢丝绳3根进行了各20次检测，2次检测作为一个数据记录。由于每根钢丝绳的缺陷状态及位置分布都不一样，所以针对每根钢丝绳依次分析，29 西安石油大学硕士学位论文但也有些共同问题：①在对钢丝绳进行位置统计时，每次检测不可能从一个绝剥相同的起点开始，正因为如此，假定第一个缺陷位置为0，再计算其他缺陷相对于第一个缺陷的位置，这样既避免了固定起点位置带来的误差，也给检测带来了方便：②由于采用来回检测的方式，所以两个方向上数据统计的顺序相反，这会反映在后面的数据统计表中：③在检测数据中，有个别检测因操作的失误而没有一次检测完所有的缺陷，在统计时，对这样的检测数据予以剔除，在100次检测中，这样的检测仅有1次，所以也不会影响到统计结果；④每一个钢丝绳检测信号的数据波形包含5次检测，检测结果对应一个数据。3．2．1局部缺陷(LF)检测在本检测巾局部缺陷(LF)检测主要是进行断丝检测。分别对9根存在晰丝缺陷的钢丝绳进行检测，下面仅列出其中一根钢丝绳的检测信号和检测数据。该铜丝绳缺陷为集中3根断丝，断丝问隔为90ram，整根绳上共有缺陷12处。(1)钢丝绳检测信号钢丝绳检测信号(其中一组)如图3-9所示，波峰点表示该处有集中断丝。(2)钢丝绳断丝检测结果判断钢丝绳断丝位置及断丝定量结果如图3-10所示(仅列出一组)：图3-9钢丝绳检测信号波形图 第三章钢丝绳无损检测图3—10钢丝绳断丝位置及断丝定量结果(3)钢丝绳断丝检测结果记录及统计分析表3—1钢丝绳断丝位置及断丝定量结果≥弋1234S678910断丝测量根数43(1)位置(mm)25028603580636069903603150384064607120断丝测量根数3(2)位置(mm)34027603680626070904603050394063707210断丝测量根数3(3)位置(mm)44026703770617071805602950404062707310断丝测量根数3(4)位置(m)54025703870607072706602860414061807400断丝测量根数3(5)位置(trim)64024703970597073807602750424060707500断丝测量根数3(6)位置(ram)73023804060588074608502670433059807590断丝测量根数3(7)位置(mm)82022804t60578075609402570442058907690断丝测量根数33l 西安石油大学硕士学位论文(8)位置(mm)920219042505690765010302480451058007780断丝测量根数3(9)位置(mm)1010209043505590775011302380461057007880断丝测量根数3(10)位置(mm)1110200044405500785012302290471056107980断丝测量根数3(11)位置(mm)1210190045305410794013202190480055108070断丝测量根数3(12)位置(mm)1310181046305310804014202090490054108170续＼＼序号＼11121314151617181920项目＼＼断丝测量根数3(1)位置(mm)51032204100689076803403180396066707370断丝测量根数3(2)位置(mm)60031304200680077804303090406065707470断丝测量根数3(3)位置(mm)70030304300670078705302990416064707560断丝测量根数3(4)位置(mm)80029304390660079706202890425063707660断丝测量根数343(5)位置(mm)90028304490650080707202790436062707760断丝测量根数3(6)位置(mm)99027404580641081508102700444061907850断丝测量根数3(7)位置(m珈)108026504680631082509002610453060907950断丝测量根数3(8)位置(mm)1180255047706230835010002520463060008040断丝测量根数3(9)位置(mm)1270246048706130844010902420473059008140断丝测量根数3(10)位置(mm)1370236049706040854011902330483058108240断丝测量根数3(11)位置(1nm)147022705060594086301280223049205720833032 第三章钢丝绳无损检测断丝测量根数3(12)位置(mm)1570217051605840874013902140502056208430对上面的钢丝绳断丝位置及断丝定量结果进行统计，可以得到钢丝绳位置误差、定性准判率和定量准判率。①钢丝绳位置误差统计结果见表3—2所示：表3-2钢丝绳位置误差统计＼＼项目平均值JL-LiI。。，误差岔八L(mIn)(ram)断丝(1)0断丝(2)96．86．87．0％断丝(3)193．913．97．2％断丝(4)290．110．13．5％断丝(5)390．110．12．6％断丝(6)478．811．22．3％断丝(7)573．613．62．4％断丝(8)667．217．22．6％断丝(9)763．216．82．2％断丝(10)858．218．22．1％断丝(11)953．216．81．8％断丝(12)1051-821．82．1％②钢丝绳断丝定性准判率统计结果如表3．3所示：表3-3钢丝绳断丝定性准判率统计状态检测次数断丝处漏检总数多检总数定性准判率静止100122099．83％③钢丝绳断丝定量准判率统计结果如表3—4所示：表3-4钢丝绳断丝定量准判率统计检测准确检测允龟tF--a：l根误判时准确断丝判别根数1234次数检测次数断丝(1)096410096100 西安石油大学硕士学位论文断丝(2)0O1000100断丝(3)O0100O100断丝(4)01000100断丝(5)0O99110099100断丝(6)01000100断丝(7)01000100断丝(8)0100O100断丝(9)O0901010090100断丝(10)O099010099断丝(11)0O99010099断丝(12)0100O100定量准判率98．6％允许士1根误判时定量准判率99．8％(4)所有钢丝绳断丝检测结果准判率统计对9根存在断丝缺陷的钢丝绳检测结果的准判率进行统计，见表3．5和图3．11所示。从表3．5和图3．11中可以看出，2号N8号钢丝绳的定性定量准判率较高，1号和9号钢丝绳的定量准判率比较低，因为检测信号与钢丝绳的缺陷周向分布有很大的关系，1号和9号钢丝绳的缺陷分布在周向0-3600的范围较大，而每次检测都是固定的检测角度，所以得到的信号不利于作出准确的定量判别。另一方面，现场钢丝绳缺陷多为3-4根，因此检测程序主要针对的是3~4根断丝，而断丝为3~4根的钢丝绳定量检测对于实际应用来说更有意义，所以在本次检测中，1号和9号钢丝绳定量统计分析的定量准判率不是很高，但定性准判率仍然达到100％，不会出现漏检。表3-5断丝检测准判率统计序号定性准判率定量准判率允{；q--aa根误判时定量准判率1100％27．3％58．3％299．95％76．6％99．2％3100％84．3％98．0％499．83％98．6％99．8％5100％81．8％95．7％6100％92．2％100％7100％8100％82．1％97．7％34 第三章钢丝绳无损检测9100％42．6％87．4％平均值99．98％76．17％92．9％1．11．O0．9O．8更薅n7泵0．6磐o．50．40．30．2序号A：断丝定性准判率B：断丝定量准判率．C-允许±1根误判时断丝定量准判率7‘图3-11断丝检测结果的准判率●3．2．2金属截面积损耗(LMA)检测在本检测中金属截面积损耗(LMA)检测主要是进行磨损检测。对存在磨损的钢丝绳进行检测，并以其中一根磨损量最小的钢丝绳作为比较标准。磨损钢丝绳缺陷为通体周向磨损，长度约为2000mm。(1)磨损及原始钢丝绳检测信号10号标准钢丝绳检测信号如图3—12所示，11号轻磨损钢丝绳检测信号如图3—13所示，12号严重磨损钢丝绳检测信号如图3．14所示。 西安石油大学硕士学位论文固3—12{示准铜丝绳裣潮信号图3-13轻磨损钢丝绳{盎测信号 第三章钢丝绳无损检测图3—14严重磨损钢丝绳检测信号(2)磨损钢丝绳检测信号分析表8-6磨损及标准钢丝绳的t．MA0值＼jL月删田值沁12号磨损绳11号磨损绳10号标准绳112728．0812828，9612935．08212741．6012835．8812872．46312739．7012867．0712907．08412788．2412820．2012885．49512757．4212848．4412887．87612722．4212817．8212880．44712730．2912793．6512886．26812707．6612809．8412885．21912713．0512788．7912916．561012703．2912802．1812908．41IMAO12733．1812821．2812896．49钢丝绳磨损缺陷不同于断丝缺陷，断丝缺陷属于局部缺陷，可以利用局部检测的方法检测，如前面的钢丝绳断丝在信号上可以通过畸变信号表现出来。磨损缺陷会引起钢丝绳横截面中金属截面积和的变化，在波形上属于缓变信号，因此在对钢丝绳磨损进行检测及评价时，选择～个与钢丝绳横截面中金属截面积和相关的参量LMA0，通过 西安石油大学硕士学位论文LMAO的变化来反映钢丝绳横截面中金属截面积和的变化，即反映钢丝绳的磨损状态。对磨损及原始钢丝绳均检i贝1]20次，每2次作一个数据记录。以LMA00-i．g原始钢丝绳检测得到的LMAO值，LMA01记12号磨损钢丝绳检测得到【MA0值，LMA02记11号磨损钢丝绳检测得到的LMA0值，检测数据见表3—6所示。钢丝绳金属截面积损失：LMA％：—LM—A—01—--LM-A00×100％(3—3)己M月UU根据式3．3可计算得：12号磨损钢丝绳金属截面积损失为LMAI％=．1．27％；11号磨损钢丝绳金属截面积损失为LMA2％=．0．58％。对检测结果进行比较，发现12号钢丝绳磨损程度要大于11号钢丝绳，这与钢丝绳实际磨损情况是吻合的。利用绝对截面积检测法得到的检测结果见表3．7。表3—7绝对截面积检测法检测结果序号检测磨损损失百分比1—1．02％2．0．92％3一O．97％4—0．89％5—1．22％6—1．06％7—1．14％8．0．53％9—0．45％10—0．11％11—0．69％12—1．38％3．3本章小结(1)钢丝绳无损检测仪是采用永久磁铁或直流电磁铁励磁、磁敏感元件检测磁场信息和计算机处理系统处理检测信号并给出定量化结果的无损检测仪。钢丝绳无损检测的两种方法：局部缺陷检测法(LF法)和金属截面积损耗检测法(LMA法)。(2)钢丝绳无损检测仪具有较高的可靠性和准判率。在对钢丝绳进行的损伤缺陷检测中，钢丝绳断丝检测的定性准判率为99．98％，定量准判率为76．17％，允许士1根误判时定量准判率为92．90％；金属截面积检测相对灵敏度为2％，即当金属截面积相对变化2％时，监测仪显示值或波形有明显的变化。 第四章在役钻井钢丝绳剩余强度评定方法研究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，即找到钢丝绳损伤缺陷与钢丝绳剩余强度之间的关系，并以此作为钢丝绳判废的标准。前面对钢丝绳的局部缺陷和金属截面积损耗进行了定性定量检测，并获得了较为可靠的结果。根据钢丝绳局部缺陷和金属截面积损耗的检测结果，研究钢丝绳局部缺陷、金属截面积损耗与钢丝绳剩余强度之间的关系，对钢丝绳进行安全性定量评定。4．1钢丝绳破断试验及单丝试验4．1-1钢丝绳强度试验对存在断丝、磨损等缺陷的钢丝绳进行整绳破断试验和单丝拆股拉伸、扭转试验。整绳破断拉力试验的钢丝绳取长度约为1．5m。对钢丝绳进行通体超声波清洗，然后散开钢丝绳的两端并灌入合金，灌入合金后的钢丝绳端部呈锥状，以便放入钢丝绳破断拉伸仪的夹头中。图4—1即为两端灌入合金后的钢丝绳。将钢丝绳锥状合金头放入拉伸仪的夹头内进行钢丝绳整绳的破断拉力试验。图’4—2为整绳破断试验过程，图4—3为拉断试验后的钢丝绳(在整绳破断试验中，钢丝绳出现一股断裂，即认为该钢丝绳已破断)。钢丝绳单丝破断拉力及扭转值的测定是从钢丝绳上截取一股，进行拆丝并分别进行单丝破断拉力试验和单丝扭转试验。图4—4为单丝拉力试验，图牛5为单丝扭转试验。图4-1灌入合金后的钢丝绳39 西安石油大学硕士学位论文图4-2整绳破断试验图4_3拉断后的钢丝绳图}4单丝拉伸试验 图4_5单丝扭转试验4．1．2钢丝绳破断拉力、单丝破断拉力和扭转值(1)026rnrn钢丝绳钢丝绳直径为026mm，结构为6x19S+FC。表4-1为SY／T5170—1998”1规定的标准值，表4-2为试验值。表4—1SY／T5170—1998标准破断拉力、单丝破断拉力和扭转值直径破断拉力砸N)3600扭转次数整绳破断拉力(ram)单始最小平均最小大于或等于㈣02．315．7837．1302302．115．6765．9692637201．191．8641．96247表4_2旧绳破断拉力、单丝破断拉力和扭转值序号直径(mm)破断力㈣扭转次数整绳破断拉力哐N)12．318．3002941422．n6．0453036，5003046．5503356．5503566．4753576．5002786．6753141 西安石油大学硕士学位论文96．60031106．60034平均值6．49932112．37532122．23054132．30553142．21063152．250541．19162．23064172．36053182．33043192．30052平均值2．28852(2)029mm钢丝绳钢丝绳直径为029mm，结构为6x19S+FC。各股上均有砸伤痕迹，外层丝和中层丝断口附近大部分有砸伤、刮伤或挤伤痕迹。表4．3为SY／T5i70．1998[21规定的标准值，表4．4为试验值。表4—3SY／T5170—1998标准破断拉力、单丝破断拉力和扭转值直径破断拉力邢娜3600扭转次数整绳破断拉力(ram)单丝最小平均最小大于或等于㈣1212．598．4608．896211212．315．7837．13023468lzll．302．1882．30443表4-4旧绳破断拉力、单丝破断拉力和扭转值序号直径损伤量(mm)直径(mm)破断力咂№扭转次数整绳破断拉力岱如l02．5910．0002243620．772．318．0002530．4l7．8002840．357．9002950．3l8．000286O．358．1003142 第四章在役钻井钢丝绳剩余强度评定方法研究70．298．0002380．717．5003190．217．9002310O．297．90028平均值0．417．90027110．402．60054120．402．61058130．202．83054140．222．80064150．262．820641．30160．122．89064170．642．57058180．122．9005819O．322．85062平均值0．302．76360(3)032rnrn钢丝绳钢丝绳直径为032rnrn，结构为6x19S+FC。本组试验共有12根钢丝绳。表4．5为SY／T5170．1998[21规定的标准值，表4-6为钢丝绳损伤缺陷，表4．7至表4．19为试验值。表4—58Y／T5170—1998标准破断拉力、单丝破断拉力和扭转值直径破断拉力删)3600扭转次数整绳破断拉力(mIll)单丝最小平均最小大于或等于㈣03．0011．19611．77417lzl2．598．4608．89621．5751211．502．9133．06536表4-6钢丝绳损伤缺陷序号单个断IZl断丝数(根)断丝间距(mm)断121数目(们11，2，⋯，10100102350203701543901243 西安石油大学硕士学位论文53110963130873150784901198901110原始试样11轻微磨损12严重磨损表4-7钢丝绳整绳拉伸试验数据直径捻距初响载荷最大破断载荷断裂股数断口距夹头长度序号(mIll)㈣(股)(ram)131．65203．03704121100230．25216．04705402450331．40214．05105802450430．50225．04205901100530．50215．0460574280630．30220．04905821100730．50208。45405701500831．55210．O5105321450931．90212．037044012001031．70220．05706062601131．70204．56106162801231．60208．05106003100表4—81号绳单丝破断拉力和扭转值序号直径损伤量(mm)直径(mm)破断力O咖扭转次数103．0012．0202320．032．599．6402539．7202149．1802859．4302469．50021 第四章在役钻井钢丝绳剩余强度评定方法研究79．4603089．5601999．50027109．40023平均值9．49024113．44259123．4295l133．33454143．39354153．37148O．011．50163．34147173．34858183．34045193．34952平均值3．37252表4—92号绳单丝破断拉力和扭转值序号直径损伤量(mm)直径(mm)破断力O呻扭转次数l03．0012．6402420．399．2703O．238．530840．319．430450．279．21036O．359．33032．5970．258．66038O．379．440890．398．990310O．379．2702平均值0．339．1304110．041．503．56053120．043．50745130．063．37245140．063．5244045 西安石油大学硕士学位论文150．043．63041160．043．28151170．083．55247180．043．21843190．083．40348平均值O．053．45046表4—103号绳单丝破断拉力和扭转值序号直径损伤量(mm)直径(mm)破断力假聊扭转次数103．0012．740232O．559．370930．079．190240．197．96035O．299．07046O．118．82032．5970．378．910480．079．29029O．239．2403100．178．2501平均值0．238．9003110．043．59641120．063．3953913O．103．16652140．043．29140150．063．584401．5016O．083．23541170．043．39653180．043．4224819O．063．57941平均值0．063．40744表4—114号绳单丝破断拉力和扭转值 第四章在役钻井钢丝绳剩余强度评定方法研究l0．023．0012．7902320-319．0103O．278．81040．2l8．370650．259．130260．259．44032．597O．259．01048O．257．880490．438．9903100．178．7703平均值O．278．8204110．043．4264412O．063．56850130．063．61337140．063．30952150．043．314391．50160．043．33851170．063．13853180．043．54550190．063．56651平均值0．053．42447表4-125号绳单丝破断拉力和扭转值序号直径损伤量(nun)直径(删m)破断力13I㈣扭转次数103．0012．740232O．352．599．030630．376．20034O．358．660350．379．2101060．2l8．72037O．279．280380．319．240290．399．040247 西安石油大学硕士学位论文10O．398．8403平均值0．338．6904110．063．57042120．043．50347130．043．59047140．043．60942150．063．296481．50160．043．57038170．043．42654180．063．22448190．063．33247平均值0．493．45846表4-136号绳单丝破断拉力和扭转值序号直径损伤量(mm)直径(mm)破断力O㈣扭转次数103．0012．4302420．397．34030．197．280840．418．220950．358．62026O．338．41022．597O．336．620380．219．03049O．239．2707100．339．0604平均值0．318．210511O．061．503．27946120．063．3765113O．063．54145140．043．53041150．043．51045160．043．35151170．043．4354948 第四章在役钻井钢丝绳剩余强度评定方法研究180．043．6024119O．063．34246平均值0．053．44146●表4-147号绳单丝破断拉力和扭转值序号直径损伤量(mm)直径(mm)破断力删)扭转次数10．023．OO12．1502020．078．99083O．359．680940．319．44035O．339．500106O．279．65022．597O．179．6701080．039．460690．279．530110O．279．52010平均值O．239．4907110．043．4915312O．063．17746130．043．24244140．04’3．3874615O．063．393411．5016O．063．36243170．043．43949180．043．46041190．023．45046平均值0．043．37745表4-158号绳单丝破断拉力和扭转值序号直径损伤量(mm)直径(mm)破断力O呻扭转次数lO．023．0012．0602320．082．599．5503139．6403449 西安石油大学硕士学位论文49．8102859．4102169．7002579．7002389．4003099．37028109．57027平均值9．57027113．31159123．38060133．38146143．32351153．3405601．50163．49754173．35641183．44649193．35159平均值3．37653表4-169号绳单丝破断拉力和扭转值序号直径损伤量(mm)直径(mm)‘破断力O呻扭转次数103．0012．4503529．4402539．5302849．7202259．7102669．740230．092．5979．4702989．6702699．61025109．41013平均值9．590241l0．011．503．2125250 第四章在役钻井钢丝绳剩余强度评定方法研究123．37155133．33052143．33656153．53446163．39013173．37051183．41161193．32544平均值3．36448表4-1710号绳单丝破断拉力和扭转值序号直径损伤量(mm)直径(mm)破断力㈣扭转次数1O3．0012．1702529．5203039．5802649．4902259．5602869．610310．012．5979．7002489．4902399．44022109．21015平均值9．51025113．41260123．34042133．42046143．30853153．4216301．50163．35958173．32562183．49453193．33845平均值3．380545l 西安石油大学硕士学位论文表4—1811号绳单丝破断拉力和扭转值序号直径损伤量(mm)直径(mm)破断力伥聊扭转次数103．0012．4002329．2201539．4601549．4301259．2302569．560150．072．5979．1503189．96098．92015109．42017平均值9．37017113．37653123．42548133．33853143．30148153．47254O．011．50163．27246173．36356183．52949193．35650平均值3-3815l表4-1912号绳单丝破断拉力和扭转值序号直径损伤量(瑚lm)直径(mm)破断力O呻扭转次数1O3．0012．310362O．172．599．330236．6902249．370259．680269．770279．100552 第四章在役钻井钢丝绳剩余强度评定方法研究87．390699．6501109．4102平均值8．9305119．27952123．40147133．54554143．36148153．330560．0l1．50163．24658173．31846183．26753193．48950平均值3．35952(4)035rnrn钢丝绳钢丝绳直径为035rnm，结构为6x19S+FC。表4—20为SY／T5170．1998E21规定的标准值，表4．21和表4．22为试验值。表4-20SY／T5170-1998标准破断拉力、单丝破断拉力和扭转值直径破断拉力假聊3600扭转次数整绳破断拉力(mIn)单丝最小平均最小大于或等于㈣12j3．2012．69513-34416lzl2．799．78610．284196911211．603．3143．48334表4—211号绳破断拉力、单丝破断拉力和扭转值直径(nun)破断力㈣扭转次数整绳破断拉力O呻1213．2014．70020lzl2．7912．000187101211．604．0903953 西安石油大学硕士学位论文表4—222号绳破断拉力、单丝破断拉力和扭转值直径(mm)破断力眶№扭转次数整绳破断拉力衅聊1213．2013．400191212．798．13026941211．603．700384．2钢丝绳系数研究4．2．1钢丝绳结构和受力分析钢丝绳结构比较复杂，钢丝绳或股绳在捻制过程中随捻绳机机身作匀速圆周运动，同时又被牵引轮带动作匀速直线运动。因此，钢丝在股中绕股芯以及股绳在钢丝绳中绕绳芯均呈圆柱螺旋线状态[451。钢丝绳捻距是指股绕绳芯旋转一周所前进的距离，股绳捻距为钢丝绕股芯旋转一周所前进的距离。钢丝绳在捻制时，钢丝(或股绳)与股绳(或绳)中心线的夹角，称为钢丝绳(或股绳)捻角。钢丝绳结构简图见图4．6所示，该图是左交互捻钢丝绳结构简图，m表示股的中心线，n表示绳的中心线，口为股的捻角，∥为绳的捻角。图4-6钢丝绳结构简图根据钢丝绳结构的几何关系，可以得到口，∥的求解关系式：2nr蟾a2了54(4．1) 第四章在役钻井钢丝绳剩余强度评定方法研究卵=芋(4—2)式中：，．一股中钢丝构成同心层的平均半径(mm)；尺．绳中股构成同心层的平均半径(111In)；口，∥一股、绳的捻角(o)；f，丁一股、绳的捻距(mm)。股中钢丝构成同心层的平均半径r可以依据钢丝绳断面几何关系求得，钢丝绳断面几何关系见图4—7所示。其中‘、吃、匕分别为中心丝、外层丝、内层丝半径，由图中几何关系，求得股中钢丝构成同心层的平均半径，．为【46】：r：厄iFi+厄了丁孑+吃(4．3)图4_7单丝的几何关系钢丝绳是由一定数量、一层或多层的股绕成螺旋状而形成的。钢丝绳的这种结构具有很大的灵活性，使其成为理想的承受拉伸载荷的工程结构件。当钢丝绳受到外载荷作用时，钢丝中除产生拉应力和接触应力外，还要产生弯曲应力和因扭转造成的剪应力。各钢丝在径向压力和轴向拉力作用下还会产生摩擦力。但钢丝绳主要承受的是拉力，在拉力作用下不同部位的钢丝所受应力不同，其内部的变形规律至今还没有精确的解答，由于钢丝绳整体上为一维承载结构，可以假定在同一横截面上的钢丝绳中的各点，在钢丝绳轴向承受载荷变形后仍构成一个平面，并且垂直于钢丝绳轴线。假设有一根润滑非常良好的理想钢丝绳，由于润滑良好，绳中丝与丝之间没有张力传递，每根丝仅受拉力作用。若仅考虑在轴线方向的拉力作用，则可以得到在同一横截面上钢丝绳中所有单丝拉力值之和与钢丝绳破断拉力值之间的关系。该方法仅考虑力在股(绳)轴线方向的分量，这样便将丝(股)之间的挤压力以及其它形式的力(如摩擦力)忽略不计，但由于拉力是钢丝绳的主要承载力，因此所忽略的力对最后的计算结果不会有很大影响。概念定义【37】：破断强度鼠，即一根钢丝绳或钢丝所能承受的最大的破断载荷；总强度S。，即一根钢丝绳中所有单丝的破断强度总和；钢丝绳系数r／，即钢丝绳的破断强度与总强度的比值，钢丝绳系数通常依赖于绳的结构和其它因素，一般在0．70～0．90之间。 西安石油大学硕士学位论文钢丝绳总强度S。、破断强度咒和钢丝绳系数77之间存在的数学关系为：S6≈r／XS。(4—4)(1)单丝拉力与股拉力的关系F图4—8单丝拉力与股拉力的关系单根钢丝在轴线方向的拉力分量就是单丝成股后的拉力，由图4—8可以得到单丝拉力与股拉力的关系式(n．为一股中单丝的数目)：F股=cos口×nl凡丝(4—5)其中：凡丝．表示该股中单丝拉力；风．表示单丝捻成股的拉力。(2)股拉力与绳拉力的关系股＼oL＼图4—9股拉力与绳拉力的关系一股钢丝在轴线方向的拉力分量就是单股成绳后的拉力，由图4．9可以得到单股拉力与绳拉力的关系式(n，为钢丝绳的总股数)：F绳-----cos,8Xn2雁(4—6)其中：氐一表示单丝捻成股的拉力；如一表示股捻成绳的拉力。由式4．5和式4．6可以得到单丝拉力和与单丝形成钢丝绳后拉力的关系式：风=cosfl×n2(cosa×nI凡丝)=(cosaxcos／8)×以ln2风丝(4—7)而根据上述概念定义可知破断强度与钢丝绳拉断试验中所需的拉断力是一致的，总强度与拉断试验中所有单丝所需拉断力之和是一致的，即：S6 第四章在役钻井钢丝绳剩余强度评定方法研究S4=nln2风丝Sb≈F绳(4—8)(4—9)则由式4．4、式4—7、式4．8和式4．9可知钢丝绳破断强度与总强度之间存在的钢丝绳系数77为：4．2．2钢丝绳系数计算r／=COSa×cos,B以直径为032mm结构为6x19S+FC的钢丝绳为例，具体计算钢丝绳系数叩。(1)新钢丝绳系数77值(4—10)首先计算钢丝绳股半径，己知fi=1．500mm，rz=1．295mm，r3=0．750mm，由式4—3可得钢丝绳股中钢丝构成同-tl,层的平均半径为：r：墨丽+矗j≯i+r2=5。320mm新绳的股捻距为t=84．20mm，绳捻距为T=203．42mm，绳中股构成同心层的平均半径R=16mm，利用式4．1和式4—2可计算出股、绳的捻角口，∥值。留晓=_2Io"=o．397则口=21．65。邵=芋=o．494帅=26．28。根据式4—10可得到新钢丝绳的系数为叩=COSaXCOSp=COS21．65o×COS26．28o=0．833(2)旧钢丝绳系数17值以旧绳捻距计算，即股捻距t=89．33mm，绳捻距丁_213．00mm，利用式4—1和式4．2可计算出旧绳的股、绳的捻角口，∥值。留口=芋=0．374贝,1．Iot=20．52。秽=芋=o．472贝1．1fl=25．26。根据式4—10可得到钢丝绳系数57 西安石油大学硕士学位论文r／2cosaxcos／臼5cos20．52oxcos25．26o=O．847(3t)试验数据所得钢丝绳系数77值根据本试验数据，由式4—4计算旧绳系数77值，在以下计算中，定义：a为中心丝破断拉力平均值；b为外层单丝破断拉力平均值；c为内层单丝破断拉力平均值。在钢丝绳系数计算中，仅考虑处在同一平面内的断丝。利用4．1．2节中032mm韦1习丝绳的单丝及整绳试验数据可以分别计算每根钢丝绳的总强度S。值(S。=@+9b+9c)丰6)，再由式4．4计算钢丝绳系数77值，见表4。23所示。表4-23钢丝绳系数∥值计算中心丝外层丝内层丝钢丝绳去除断丝后试验破断平均破总强度断口处钢丝绳序号剩余强度载荷咒断力S。O呻断丝数系数叩㈣(榈㈣112．0209．4903．372767106724120：613212．6409．1303．45075537285400．742312．7408．9003．40774l37145800．812412．7908．8203．42473837125900．829512．7408．6903．4587323706574O．813612．4308．2103．44170336795820．857712．1509．4903．37776837395700．771812．0609．5703．37677247335320．726912．4509．5903．36477486974400．6311012．1709．5103．38076907696060．7881112．4009．3703．38176307636160．8071212．3108．9303．359774O7746000．775根据理论分析计算，钢丝绳在现场使用一段时间后，由于钢丝绳润滑的退化、腐蚀以及内部损伤等引起丝与丝之间摩擦阻力的增加，丝与丝之间产生了张力传递，捻角口和∥减小，这就会导致钢丝绳系数刀和钢丝绳破断强度&的虚假增加，总强度S。的减小，这一点从4．2．2(1)节和4．2．2(2)节的计算结果可以明显得知：由计算所得到的新钢丝绳系数77值小于旧钢丝绳系数r／值。但实际上，由于钢丝绳在使用中受到各种类型的损伤，导致钢丝绳使用性能下降，钢丝绳系数77值在实际使用中是变小的，这由表4．23可以明显看出：由试验数据计算得到的钢丝绳系数卵值都是小于或接近于新绳的系数值，具体见图4—10所示，因此通常可取用新钢丝绳系数进行计算。如果钢丝绳中出现大量集 第四章在役钻井钢丝绳剩余强度评定方法研究中断丝或损伤严重时，钢丝绳结构会遭到破坏，钢丝绳破断强度鼠将迅速下降，钢丝绳系数叩值大幅减小。在图4．10中明显发现1号绳和9号绳的叼值较小，因为1号绳和9号绳的断丝数目较多，钢丝绳整体结构发生破坏，导致整绳破断拉力值较低，钢丝绳系数较小。在钢丝绳使用中钢丝绳系数77是个变化量，这样可根据r／的变化而求得不同时期的钢丝绳剩余强度，为了方便评定通常可以选用新钢丝绳系数作为钢丝绳系数进行安全评定。当钢丝绳理论剩余强度大于钢丝绳所受拉力时，钢丝绳是安全的，可以根据具体情况折减使用钢丝绳。2．01．5趔籁1．o髅赠衬10．5晷0．0A：几何关系计算旧绳刁=0．847B：几何关系计算新绳叩=0．833C：试验数据计算77值图4—10新绳77值、旧绳r／值与试验数据计算7／值的比较(4)其它直径钢丝绳系数叩值依照同样的分析方法计算直径为026mm结构为6x19S+FC的新钢丝绳系数为7／=0．838；直径为029mm结构为6×19S+FC的新钢丝绳系数为r／=0．835；直径为035mm结构为6x19S+FC的新钢丝绳系数为r／=0．840。根据上述结果进行分析可见在一般情况下，常用的钢丝绳的系数值约在0．83～0．84之间。4．3局部缺陷(LF)与钢丝绳剩余强度的关系研究局部缺陷(LF)对钢丝绳剩余强度的影响，是利用钢丝绳检测仪器对钢丝绳局部缺陷作出定性定量的判断，根据检测结果进行分析计算得到钢丝绳的剩余强度，进而对钢丝绳进行合理的判废、切除。在本研究中的局部缺陷(LF)主要是指钢丝绳中的断丝缺陷。59 西安石油大学硕士学位论文4．3．1钢丝的失效长度对于钢丝绳的断丝损伤而言，在断丝处该钢丝已失去了强度，即无承载能力。但由于捻制的钢丝之间存在摩擦，使得在长度方向相隔一定距离以后，该钢丝又重新恢复承载能力，这个距离称为钢丝的失效长度L，。[35,46】(也可称为断丝的有效长度)，超过钢丝的失效长度认为各钢丝的强度值与正常情况相同。在计算钢丝绳剩余强度时，应将失效长度范围内的所有断丝认为是集中在一个断面内，则计算出的钢丝绳剩余强度与破断试验所需的拉断力是相当一致的【351。由于钢丝绳中断丝的数目与钢丝绳的拉力损失有直接关系，因此通过计算分析钢丝绳的捻距倍数内的断丝数目及断丝百分比，并与破断强度损失百分比进行比较，可得到钢丝的失效长度。表4．24以直径为032mm钢丝绳为例计算钢丝的失效长度，其中取最大试验破断拉力值616KN作为无断丝时破断拉力值，直径为032mm结构为6x19S+FC钢丝绳中共有钢丝114根。表4-24钢丝的失效长度1倍捻距1．5倍捻距2倍捻距2．5倍捻距强度损整绳钢丝213mm319．5mm426mm532．5mm失百分断丝试验失效断比(无断序号数目间距百破断长度绝毖绝缆丝时破(根)(mIll)分载荷(捻距数断拉力比㈣倍数)目616KN)189016O．1424O．211320．28148O．4214400．2862．52l～10100190．167270．237340．298400．3514120．3312．5350120．105180．158240．211300．2635400．1231．549080．070120．10516O．14240．21l5320．1362537090．07912O．10518O．1582l0．1845800．0581639060．05390．079120．105180．1585900．04217311060．05390．07990．079120．1055740．0681．58313030．02660．05390．079120．1055820．05529315030．02660．05360．05390．0795700．0752．5由表4—24可得图4．11，即在不同捻距倍数内断丝数目百分比与钢丝绳强度损失百分比的比较图。由图4—11可以看出在2．5倍捻距内的断丝数目百分比的值总是大于钢丝绳强度损失百分比值，从安全的角度考虑，可以取钢丝的失效长度为2．5倍捻距。在分析中仅对断丝所占的百分比和强度损失百分比进行了研究，没考虑钢丝绳中实际存在的各种力 第四章在役钻井钢丝绳剩余强度评定方法研究的影响，但从理论上讲，实际的钢丝失效长度要小于上述计算所得的值，因此上述计算所得到的钢丝的失效长度是安全可靠的。三妫_2．5×钢丝绳捻距(4—11)现场检测钢丝绳时，会在不同位置发现断丝，找到在钢丝的失效长度内断丝数目最多的一段作为评判标准，钢丝的失效长度内的所有断丝视为在同一截面上。0．450．400．35丑0．30求o．25岫水o·20辎o．150．100．050．00序号A：1倍捻距内断丝数目百分比B：1．5倍捻距内断丝数目百分比C-2倍捻距内断丝数目百。分比D：2．5倍捻距内断丝数目百分比E：钢丝绳强度损失百分比图4-11不同捻距倍数内断丝数目百分比与钢丝绳强度损失百分比比较4．3．2局部缺陷(LF)与钢丝绳剩余强度的数学关系目前应用无损检测技术对钢丝绳进行的检测只能实现断丝数目的定量评定，无法判别断丝的类型(即无法判定为内层丝还是外层丝)，从实际情况考虑，外层丝受到砸伤磨损机率较大，出现断丝的可能性也较大，因此在分析计算中从安全角度考虑可以将断丝一律视为外层丝。若在钢丝的失效长度三曲范围内，钢丝绳无损检测仪检测到断丝数目为Ⅳ(均视为外层丝)，中心丝拉力值为口，外层丝拉力值为b，内层丝拉力值为c，钢丝绳总强度为S。，钢丝绳实际破断强度为最，根据式4-4和式4—8可得钢丝绳总强度与钢丝绳实际破断强度的关系(只考虑断丝)：S6≈(S。一Ⅳ西)×叩(4—12)(1)直径032mm钢丝绳局部缺陷(LF)对剩余强度影响的分析计算61 西安石油大学硕士学位论文下面以直径为032mm结构为6×19S+FC的钢丝绳为例，根据钢丝绳无损检测仪的检测结果进行局部缺陷(LF)对钢丝绳剩余强度影响的分析计算，见表4．25。在钢丝失效长度内，仅考虑断丝的影响(将所有断丝视为外层丝)，根据钢丝绳受力简化分析计算总强度S。(单根钢丝破断拉力取试验所得数据的平均值，S。=∞+9b+9c)：tc6)，再计算(配一Ⅳ6)×r／(取叩=0．833)，并与破断强度鼠进行比较，见表4．25所示。表4—25钢丝绳强度分析计算断丝数目(根)中心丝平外层丝平内层丝平序号均破断力(疋一册)×rl试验破断强度(2．5倍捻距)㈣Sb㈣a㈣b㈣C(K聊14012．0209．4903．37232241223012．6409．1303．45040154032112．7408．9003．40746258041812．7908．8203．42448259051212．7408．6903．45852357461212．4308．2103．4415045827912．1509．4903．37756857082412．0609．5703．37645153294812．4509．5903．36426144010012．1709．5103．38064060611O12．4009．3703．38163561612O12．3108．9303．359614600根据表4—25中钢丝绳理论剩余总强度值与试验破断强度值可得图4—12。单根钢丝破断拉力取试验所得数据的平均值。由图4—12中点的分布可知：随着断丝数目的增多，钢丝绳强度逐渐下降；在钢丝的失效长度三柏内断丝数目Na时，通过理论计算所得到的剩余总强度值小于且接近于试验破断强度值，且随着断丝数目的增多，计算所得到的剩余总强度值与试验破断强度之间的差值越来越大，这说明以计算所得的剩余总强度值作为钢丝绳安全评定的参照是较安全的；在钢丝的失效长度三。。内无断丝时，理论计算所得到的剩余总强度值略大于试验破断强度值，这是由于上述计算中仅考虑了断丝的影响。根据表4—25的计算结果和图4．12，可以看出该计算方法所得到的钢丝绳剩余总强度基本都小于或接近于试验破断强度鼠，因此用该计算值作为断丝检测后所得到的钢丝绳剩余总强度是较安全的。本研究认为通过无损检测仪对钢丝绳进行局部缺陷(LF)的检测，并应用上述方法计算所得到的剩余总强度值可以作为钢丝绳安全评定的方法。62 第四章在役钻井钢丝绳剩余强度评定方法研究650600550蚤500＼删450毯400憋35030025001020304050断丝数目／根A：钢丝绳理论剩余总强度值B：试验破断强度值图4-12钢丝绳理论剩余总强度与试验破断强度值的比较(2)其它直径钢丝绳局部缺陷(LF)对剩余强度影响的分析计算按照同样的方式计算直径为026mm结构为6X19S+FC的钢丝绳系数77=O．838，直径为029mm结构为6×19S+FC的钢丝绳系数77=O．835；直径为035mm结构为6×19S+FC的钢丝绳系数7／=0．840，并与试验破断拉力值进行比较，见表4．26所示。单根钢丝破断拉力取试验所得数据的平均值。根据钢丝绳理论剩余总强度值与试验破断强度值可得图4．13。由图4．13可以看出理论剩余总强度值总是小于且接近于试验破断强度值，因此用该理论值作为检测后所得到的钢丝绳剩余总强度是较安全的。表4—26钢丝绳强度分析计算直径断丝数目(根)中心丝平外层丝平内层丝平均破断力(&一Nb)xr／试验破断强度(ram)(2．5倍捻距)咂№S6(IOr)aⅨN)b(KN)c㈣26128．3006．4992．288374414292110．0007．9002．763392436351113．4008．1303．70052969463 西安石油大学硕士学位论文Z≤{四瑙嘿28303234钢丝绳直径／mmA：钢丝绳理论剩余总强度值B：试验破断强度值图4—13钢丝绳理论剩余总强度与试验破断强度值的比较4．4金属截面积损耗(LMA)与钢丝绳剩余强度的关系研究金属截面积损耗(LMA)对钢丝绳强度的影响，主要是利用钢丝绳检测仪器对钢丝绳金属截面积损耗作出定量判断，以得到钢丝绳的剩余总强度，在这里主要考虑的是磨损的影响。钢丝绳无损检测仪可测定钢丝绳的金属截面积变化率，根据钢丝绳的具体情况，通过测定绝对截面积变化率或相对截面积变化率来评判钢丝绳。绝对截面积变化率和相对截面积变化率只是所选定的截面积参照标准不同，即绝对截面积变化率是参照新绳的截面积，而相对截面积变化率是参照旧绳的截面积。根据4．2．1节中钢丝绳的受力简化分析，得到钢丝绳总强度s。，设通过检测得到的金属截面积变化率为m％，则钢丝绳理论剩余总强度为[S。×(1一垅％)×r／]，根据式4．4有(仅考虑磨损)：S6≈S。×(1一m％)×刁(4—13)下面以直径为032mm结构为6×19S+FC的钢丝绳为例，根据钢丝绳无损检测仪器的检测结果进行金属截面积损耗(LMA)对钢丝绳强度影响的分析计算。利用钢丝绳无损检测仪进行金属截面积损耗(LMA)检测，采用相对截面积变化率进行计算，以10号钢丝绳为标准，得到钢丝绳12的金属截面积损耗为LMAI％=一1．27％，钢丝绳11的金属截面积损耗为LMA2％=一O．58％。由于金属截面积损耗是以10号钢丝绳为标准，则在计算强度时也以10号绳作为计算标准，见表4—27。 第四章在役钻井钢丝绳剩余强度评定方法研究由表4—27中金属截面积损耗计算剩余总强度与试验破断强度，得到图4．14。由图4．14可以看出根据截面积损耗计算得到的剩余总强度值总是小于或接近于试验破断强度值，因此本研究认为利用钢丝绳无损检测仪进行金属截面积损耗(LMA)检测，并进行剩余总强度的计算是安全的。表4-27钢丝绳强度分析计算金属截面积损耗标准绳总强度剩余总强度试验破断强度序号m％㈣删)㈣10060611一O．58％60660261612—1．27％60659860000．58％1．27％截面积损耗百分比A：理论剩余总强度B：试验破断强度值图4—14钢丝绳理论剩余总强度与试验破断强度比较4．5局部缺陷(LF)、金属截面积损耗(LMA)与钢丝绳剩余强度的关系利用钢丝绳无损检测仪对钢丝绳进行局部缺陷(LF)、金属截面积损耗(I，MA)的无损检测，在钢丝的失效长度三妇内断丝数目为N(均假定为外层丝，即单丝拉力值为b)，金属截面积损耗为聊％，综合考虑断丝和磨损的影响，根据式4．4、式4．12和式4．13可以得到钢丝绳总强度与钢丝绳实际破断强度的关系，即钢丝绳剩余总强度[(Sa-Nb)×(1一m％)]xr／是接近于钢丝绳实际破断强度的，可以以钢丝绳剩余总强度作为钢丝绳安全评定的破断强度值：S6≈[(S。一Nb)×(1一珑％)】×叩(4—14)6586420864208刚∞昌；N)I＼姆越骥 西安石油大学硕士学位论文若钢丝绳所受拉力小于计算所得的钢丝绳剩余总强度时，钢丝绳是安全的；反之，则钢丝绳不能继续使用，易发生断裂事故。钢丝绳继续使用情况则可依据计算钢丝绳剩余总强度与钢丝绳所受拉力值具体判定。下面以直径为032mm结构为6×19S+FC的钢丝绳为例，根据钢丝绳无损检测仪器的检测结果，考虑断丝和磨损的共同影响，进行局部缺陷(LF)、金属截面损耗(LMA)对钢丝绳强度影响的分析计算，见表4．28所示(其中S。=@+9b+9c)水6)。对于旧绳，由于单丝本身就存在磨损，会出现重复计算磨损量的情况，因此在下面计算中单根钢丝破断拉力值取SY／T5170．1998标准【2】规定的单丝平均最小值。检测断丝数目是指在钢丝的失效长度内，即2．5倍捻距内的断丝总数目。检测磨损量值采用的是绝对截面积测量方式的检测结果。表4-28钢丝绳强度计算分析断丝数目(根)金属截面积中心丝外层丝内层丝钢丝绳剩余试验破断序号损耗百分比破断力总强度强度(2．5倍捻距)(叩=0．833)m％a㈣b㈣c㈣S6Ⅸ聊ⅨN)1400．010211．7748．8963．0652974122300．009211．7748．8963．0653715403210．009711．7748．8963．0654375804180．008911．7748．8963．0654595905120．012211．7748．8963．0655025746120．010611．7748．8963．065503582790．011411．7748．8963．0655245708240．005311．7748．8963．0654175329480．004511．7748．8963．0652404401000．001111．7748．8963．0655966061100．006911．7748．8963．06559361612O0．013611．7748．8963．065589600根据表4．28中钢丝绳理论剩余总强度值与试验破断强度值可以得图4．15。在现场检测中无法测知单丝的破断拉力值时，取单丝拉力值为标准规定的单丝平均最小值，并以此作为计算总强度所需要的参数。根据图中点的分布可知：在钢丝的失效长度三。。内，通过理论计算所得到的剩余总强度值小于且接近于试验破断强度值：随着钢丝失效长度内断丝数目的增多，钢丝绳试验破断强度值和理论剩余总强度值均呈下降趋势，而理论剩余总强度值下降幅度更大，即钢丝绳试验破断强度值和理论剩余总强度值之间的差值是 第四章在役钻井钢丝绳剩余强度评定方法研究随钢丝失效长度内断丝数目的增多而逐渐增大的，这说明本研究所得到的数学公式在钢丝失效长度内断丝数目越少的情况下准确度越高，这是符合钢丝绳安全评定的目的的。1-一因此本研究认为利用钢丝绳无损检测仪进行局部缺陷‘(LF)和金属截面积损耗(LMA)检测，根据检测结果进行理论剩余总强度的计算可以作为安全评判的依据。01020304050断丝数目／根A：钢丝绳理论剩余总强度值B：试验破断强度值图4-15钢丝绳理论剩余总强度与试验破断强度值的比较4．6钢丝绳的安全性评定评价钢丝绳安全性的指标是安全系数，而安全系数的大小取决于钢丝绳剩余强度和钢丝绳实际受力状态。根据上面的分析，由式4—14可知钢丝绳剩余强度为[(Sa—Nb)x(1一聊％)]×77，若设钢丝绳剩余强度为疋，即Fa=[(疋-Nb)×(1一m徇]×77，而钢丝绳实际受力为F，则钢丝绳安全系数厂为：厂=≯F(4-15)由于钢丝绳的安全系数是随着钢丝绳的损伤状况和受力状态变化的动态量，因此在进行安全评定时，应取最小安全系数厶作为评定标准。从理论上讲，只要厶>1，钢丝绳就是安全的，但还应视具体情况决定钢丝绳的使用或折减使用。4．7钢丝绳剩余强度评定系统考虑便于操作，可视性好等问题，采用VisualBasic软件编制程序进行钢丝绳剩余强度计算‘47"481。综合局部缺陷(LF)、金属截面积损耗(LMA)的共同影响，根据局部缺陷(LF)、金属截面积损耗(LMA)和钢丝绳剩余强度之间的关系(式4．14)以及钢67啪咖姗喜|姗栅喜|锄瑚蚕＼姆越喂 西安石油大学硕士学位论文丝绳安全系数(式4—15)，进行钢丝绳剩余强度的评定。4．7．1钢丝绳评定系统程序流程图钢丝绳剩余强度评定系统的程序流程图见图4．1所示。图4-1中简单描述了该程序的主要流程情况。图4—1程序流程图4．7．2钢丝绳剩余强度评定系统界面应用VisualBasic软件编制钢丝绳剩余强度评定系统的程序，该程序实现了钢丝绳剩余强度的计算和钢丝绳安全系数的计算，界面操作简便、快捷。根据按键提示逐步进行，可计算出钢丝绳剩余强度，并与实际工作受力大小进行比较(具体计算见该系统)。图4．2的(a)、(b)和(c)是表4．28中序号7钢丝绳的计算过程，使用该系统可以方便快捷的进行钢丝绳剩余强度计算。 第四章在役钻井钢丝绳剩余强度评定方法研究(a)(b)69 西安石油大学硕士学位论文4．8本章小结～(c)图4-2钢丝绳剩余强度评定系统界面(1)对钢丝绳进行结构和受力分析，通过分析计算得到常用的不同直径规格的钢丝绳系数叩值，一般情况下常用钢丝绳的系数值约在0．83一-0．84之间。(2)根据钢丝的失效长度三。。的概念，结合试验结果进行理论计算和实际测试分析，得到钢丝的失效长度与钢丝绳捻距之间的数学关系，即三。。一2．5×钢丝绳捻距。(3)利用钢丝绳局部缺陷(LF)和金属截面积损耗(I，MA)的检测结果，结合钢丝绳的系数值和钢丝的失效长度，建立了钢丝绳局部缺陷(LF)、金属截面损耗(LMA)与钢丝绳剩余强度之间的数学关系，即Sb≈[(S。一肠)X(1一聊％)】×叩。研究钢丝绳安全系数厂和最小安全系数厶，并以最小安全系数厶作为钢丝绳安全评定标准。(4)根据钢丝绳局部缺陷(LF)、金属截面损耗(I．MA)与钢丝绳剩余强度之间的数学关系以及钢丝绳安全系数，应用VisualBasic软件编制程序进行钢丝绳剩余强度评定。70 第五章结论本文针对油田上频繁发生的钢丝绳断裂事故，利用钢丝绳无损检测技术进行损伤检测，建立了钢丝绳损伤缺陷与钢丝绳剩余强度之间的数学关系，主要结论有：(1)研究分析国内外各类钢丝绳无损检测方法，电磁检测法是目前公认的最可靠的钢丝绳检测方法。目前对钢丝绳剩余强度的评价主要是针对单一影响因素进行的，应综合考虑影响钢丝绳剩余强度的因素进行钢丝绳的安全性评定。(2)根据钢丝绳损伤的性质和特征，钢丝绳损伤缺陷有两种类型：局部缺陷型(LF)和金属截面积损耗型(LMA)。对油田用钢丝绳的失效断裂事故进行系统的分析研究，总结了钢丝绳的五种主要损伤形式，并进行了损伤特征分析。钢丝绳在现场使用中产生的各类损伤最终主要表现为断丝和磨损。钢丝绳的损伤缺陷会引起钢丝绳剩余强度的大幅下降，导致钢丝绳的意外断裂。(3)应用钢丝绳无损检测仪进行钢丝绳损伤缺陷检测。在钢丝绳损伤缺陷检测试验中，钢丝绳断丝检测的定性准判率为99．98％，定量准判率为76．17％，允许士1根误判时定量准判率为92．90％；金属截面积检测相对灵敏度为2％，具有较高的可靠性和准判率。(4)对钢丝绳进行结构和受力分析，通过分析计算得到常用的不同直径规格的钢丝绳系数叩值，一般情况下常用钢丝绳的系数值约在O．83～0．84之间。根据钢丝的失效长度三。。概念，结合试验结果进行理论计算和实际测试分析得到钢丝的失效长度与钢丝绳捻距之间的数学关系，即三。。-2．5×钢丝绳捻距。(5)利用钢丝绳局部缺陷(LF)和金属截面积损耗(LMA)的检测结果，结合钢丝绳系数值和钢丝的失效长度，建立了钢丝绳局部缺陷(LF)、金属截面积损耗(LMA)与钢丝绳剩余强度之间的数学关系，即S。≈[(S。一Ub)X(1一m％)]×r／。研究钢丝绳安全系数厂和最小安全系数厶，并以最小安全系数厶作为钢丝绳安全评定标准。根据钢丝绳局部缺陷(LF)、金属截面损耗(LMA)与钢丝绳剩余强度之间的数学关系，应用VisualBasic软件编制程序进行钢丝绳剩余强度评定。71 致谢值此论文完成之际，忆起研究生学习期间，作者的每一点进步、每一点收获无不凝聚着冯耀荣教授、王新虎高工孜孜不倦的教诲和悉心的指导。导师以渊博的知识、严谨的治学态度和孜孜以求、诲人不倦的敬业精神给作者树立了人生的榜样，令作者终身受益。在此，谨向恩师致以最衷心的感谢和最崇高的敬意!在论文写作中，作者得到了学校各位老师、同学在学习和生活上给予的鼓励、关心和爱护，为作者树立正确的人生目标、制订完善的学习计划，使作者顺利完成了硕士研究生的学业，在此表示衷心的感谢!还要感谢中油集团管材研究所的各位同事在实验研究方面对作者的帮助和指导，感谢西北工业大学王磊博士及其他同学为本文提供的诸多建设性建议和帮助，感谢咸阳钢管钢绳有限公司的冯西京工程师在实验研究上对作者无私的帮助!最后特别感谢各位专家在百忙之中评阅作者的论文，感谢所有关心和帮助作者的老师和同学们172 参考文献[1】APIRP9B．Recommendedpraticeonapplication，careanduseofwireropeforoilfieldsevice[S]．[2】2SY／T5170—1998．石油天然气工业用—钢丝绳规范[S】．【3】杨叔子，康宜华主编．钢丝绳断丝定量检测原理与技术[M]．北京：国防工业出版社，1995．【4]武新军，康宜华，杨叔子．无损检测在役钢丝绳标准的研究【J】．起重运输机械，1999(2)：7~11．[5]谈兵．钢丝绳缺陷定量检测技术及仪器的研究[D】．华中理工大学博士论文，1995，5：1-39．[6】刁柏青．基于状态检测的钢丝绳缺陷诊断及其可靠性的理论与方法研究[D】．武汉：华中理工大学博士论文，1995，4．[7]孙学功．钢丝绳无损检测系统的研究[D】．武汉：武汉理工大学物流工程系，2001，3．[8]张力严．基于小波理论和模糊贴近度的钢丝绳缺陷定量检测技术【D】．武汉：武汉理工大学物流工程系，2001．[9】9宋大雷，张东来，徐殿国等．钢丝绳无损检测技术的历史、现状及趋势【J】．无损检测NDT．1995，21(5)．[10】WeischedelHR．Electromagnetictesting，areliablemethodfortheinspectionofwireropesinservice．NDT[J】Intemational，1989，22(3)：155-161．[11]WeischedelHR．ElectromagneticwireropeinspectioninGermany[J]，MaterEval，1988，46(5)：734～736．[12】WeischedelHR．Methodandapparatusformagneticinspection[J]．UnitedStatesPatent，1987，4：659-991．[13]周强，顾必冲．钢丝绳无损检测技术的现状与存在的问题【J]．港口科技动态，2000(11)：卜11．[14】LorantB，GellerKLeungFeta1．Computerizedopemtionalcontrolofanelectromagneticwireropetester[J]．MaterEval，1995，53(9)：1002-1006．[15】MironenkoA，SukhomkovVNon-destructivetestingofsteelwireropesinRussia[J]．Non-DestructiveTestingandConditionMonitoring，1998(7)：395～397．[16】贾社民，丁凯，刘传文等．MD型钢丝绳探伤仪的应用[J】．矿山机械2000，5．[17]MDl20BWireRopeDefectograph：ZawadaNDTWireRopeInspection[DB／OL]．http：／／www．webmedia．p1．[18]王阳生，师汉民，杨叔子等．钢丝绳断丝定量检测的原理与实现[J】．中国科学A辑，1989，9：993～1000．【19]康宜华，杨克冲，卢文祥等．便携式钢丝绳定量检测仪[J】．仪器仪表学报，1993，14(3)：269～273．[20】GaoHB，YangSZ，YangKCeta1．Aneuralnetworkbasedtechniqueforquantitativewireropeinspection[J]．NDT&EInternational，1993，260)：31-33．[21]窦毓棠，刘作伦．提升机钢丝绳断丝检测方法的研究【J】．矿山机械，1990(2)：29-33．73 参考文献[22]陈冲，刘金琪，徐殿国．智能化钢丝绳探伤仪【J]．无损探伤，1994(6)：33-36．[23】徐殿国，张向阳，宋大雷．智能化便携式钢丝绳探伤仪研究[J】．仪表技术与传感器，1996(1)：22~25．[24]王云霞．MTC—B型钢丝绳验绳探伤装置的研制[J]．煤矿机械，2003(7)．[25】韩成才．石油钻机钢丝绳做功计算的一种实用公式[J]．西安石油学院学报，1995，lO(4)：3乱37．[26]刁柏青，姚来福，杨叔子．基于随机点过程的钢丝绳寿命预测及更换决策的研究[J】．华中理工大学博士论文，1995，20(1)：21~24．[27]谭继文，战卫侠，田志勇等．提升钢丝绳安全检测与评价[J】．辽宁工程技术大学学报，2003，22(4)：503N505．[28]谭继文，任立义．矿井提升钢丝绳损伤检测系统[J】．辽宁工程技大学学报，1999，18(6)：645～648．[29】壕田和彦，花畸统一，藤中雄三．钢丝绳的张力实验中发生滑动单丝断裂的非接触检测[A]．1988年日本矿业会春季大会．讲演要旨集(日文)[C]，1988，32(7)：311～312．[30]贾社民．关于钢丝绳电磁检测和强度评估的一些看法[J】．无损检测，2002，24(12)：522—525．[31]WeischedelHR．Wireropestrengthestimates，retirementcriteriaandelectromagneticinspection--acriticalreview[J]．WireRopeNews&SlingTechnology,1993，15(2)：24．【32](美)DL斯奈德著，梁之舜，邓永录译．随机点过程[M】．北京：人民教育出版社，1982．[33]刁柏青，史铁林，杨叔子．自激过程与非齐次Poisson过程用于钢丝绳断丝计数过程的建模与预测[J】．振动工程学报，1995，8(4)：311～316．[34]刁柏青，史铁林，杨叔子．基于随机点过程的钢丝绳寿命预测及更换决策的研究[J]．煤炭学报，1995，20(1)：21-24．[35]方明煌，方明烨．钢丝绳安全诊断与应用[J】．太原理工大学学报，2000，31(6)：679～681．[36]王中琪．矿井提升钢丝绳的应力分析与强度计算[J]．矿山机械，2002，(11)：38～40．[37】金国钧．钢丝绳损伤的技术分析[J】．金属制品，2002，28(5)：l～6．[38】唐迪石．试析起重机用钢丝绳的损伤及防治【J]．港口装卸，1999，2：14~17．[39】张志勇．浅述起重机用钢丝绳的损伤与防治[J】．管用养修，2003，3：50～51．[40】甄阳清．煤矿井下提升钢丝机械损伤与防护[J】．煤矿安全，2004，35(3)：38-39．[41】张诗华．起重机用钢丝绳的损伤分析及防治措施【J】．中国井矿盐，2004，35(3)：36～39．[42】胡吉全，胡正权．钢丝绳受力特性对疲劳寿命的影响[J】．港口装卸，2005，(1)：10～12．[43】华中理工大学机电工程公司：钢丝绳定量检测技术研究[DB／OL]．http：／／www．hustndt．net．[44]华中理工大学机电工程公司：MTC系列钢丝绳定量检测仪[DB／OL]．http：／／www．hustndt．net．[45】杨文芳，李林安，郑炜．舰用钢丝绳考虑挤压力条件下的有限元模型[J】．机床与液压，2003，(6)：96--98．[46】刘桂斋，张俊华．纤维绳芯钢丝绳断丝有效长度[J】．山东矿业学院学报，1995，14(3)：59-64．【47】蒋加伏，张林峰主编．VisualBasic程序设计教程【M】．北京：北京邮电大学出版社，2003．[48】史斌星，史佳编．VisualBasic贯通教程【M]．北京：清华大学出版社，2003．74 攻读学位期问发表的论文攻读学位期间发表的论文1．陈辉，王新虎，冯耀荣，王磊．钻井钢丝绳安全性定量评定与无损检测技术的进展石油矿场机械[J]2005，34(6)：27,-,29．一2．陈辉，王新虎，冯耀荣，王磊．钢丝绳无损检测技术的发展及现状．石油_[程建设[J]2006，2(1)：62-65．3．陈辉，王新虎，王磊，冯耀荣．钻井钢丝绳安全评定方法．石油机械[J]．(已录用)75 在役钻井钢丝绳安全评定方法研究作者：陈辉学位授予单位：西安石油大学本文读者也读过(10条)1.李高山MD-2钢丝绳探伤仪的设计与研究[学位论文]20062.李国勇钢丝绳实时在线检测系统研发[学位论文]20103.程颖钢丝绳生产管理系统的开发与研究[学位论文]20104.蔡玉峰基于非晶丝磁场传感器的钢丝绳断丝检测研究[学位论文]20065.周宁钢丝绳无损检测技术的研究[学位论文]20076.李伦友影响港口装卸机械——场桥用钢丝绳的使用寿命因素初探[学位论文]20067.严鹏钢丝绳在线无损检测系统[学位论文]20108.毛磊图像处理技术在钢丝绳缺陷检测中的应用研究[学位论文]20079.艾丽斯佳基于弱磁的钢丝绳断丝检测磁特性研究分析[学位论文]200910.樊润丽钢丝绳张力数据采集系统的研制[学位论文]2009本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y941646.aspx'