利用印模材料进行API螺纹检测

API BTC Premium 螺纹检测

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OCTG*（油田管材）制造商常常采用复制胶泥产品，对API螺纹、油管及套管进行质量控制与检测。

*OCTG是一类专为石油钻井、油气开采与运输而设计的钢管。

目录

介绍

螺纹的功能

油井管材上的螺纹主要有两大功能：

  • 连接并固定油管，以承受高应力
  • 确保密封性，防止流体泄漏或进入不同管柱

在螺纹加工过程中，刀具会不可避免地产生磨损。一旦磨损过度，加工出的螺纹不仅会出现一系列表面缺陷，还可能超出公差范围。这将直接导致螺纹的机械强度下降。

车床上的外螺纹
车床上的外螺纹

螺纹检测

螺纹接头必须在出厂前进行尺寸检查（这正是复制胶泥印模大显身手的环节），同时也要在油田现场进行外观检查。

  • 在工厂中，通常采用统计抽样法进行检测，以确保生产过程的稳定性。
  • 在现场，则主要通过外观检查来评估螺纹的磨损与缺陷情况。

API与特殊螺纹

特殊螺纹接头主要有两种类型：

接箍接头

油气井中最为常见的便是接箍接头。它通过一个名为“接箍”的独立部件，将两根油管连接在一起。

整体接头

整体接头无需借助接箍等中间部件，即可直接连接两根管道。其结构为：管材一端为外螺纹（公扣），另一端为内螺纹（母扣）。

接箍连接
接箍连接

下图展示了一个完整的连接：

一体式连接
一体式连接

采用精密印模进行检测

通过复制胶泥印模进行检测

复制胶泥印模是一种精密模具，用于间接评估特殊螺纹的轮廓形状。

这种印模可在6分钟内快速成型，并以微米级精度复现零部件的尺寸。无论是管体还是接箍，其外螺纹（公扣）和内螺纹（母扣）均可使用该方法进行检测。

复制胶泥提供两种应用形式：

  • 双组份塑形油灰：通过手工混合应用
  • 双组份管装产品：使用注胶枪进行注射
API BTC Premium 螺纹检测

无论是在工厂内由制造商进行精密测量，还是在现场对螺纹进行外观检查，这种印模都能派上用场。

复制胶泥检测流程 – 工厂品控

1 – 表面的清洁和脱脂

使用经复制胶泥官方验证的脱脂剂，将待测表面彻底清洁干净。

使用脱脂剂为工件除油
使用 DN1 脱脂剂清洁工件表面

2 – 制作印模

请遵循使用说明和产品技术数据表施用复制胶泥，并等待指定固化时间后，再取下印模。

使用 M70 进行螺纹检测

3 – 用双刃切割器切割印模

使用双刃切割器切割复制胶泥印模，以获得一个便于在测量仪器上检测的完美切片。

刀具切口

4 – 检测印模

由此获得的轮廓切片，可直接置于光学测量仪器（如轮廓投影仪或光学显微镜）上进行检测与测量。

Visio Sylvac

5 – 检测项目

通过印模可以检测API特殊螺纹、密封面及台肩上的多个关键参数：

  • 牙顶角
  • 螺距
  • 螺纹高度
  • 螺纹角
  • 牙底角
  • 密封面和台肩的尺寸
螺纹的关键检测尺寸

使用复制胶泥进行现场检测

螺纹外观检测 (VTI)

现场检测旨在评估油管或接箍螺纹（公扣与母扣）的状况，以判断其是否需要维修，或是否已经报废。

复制胶泥印模能够精准复现并量化螺纹的磨损情况，从而帮助识别并规避由以下缺陷引发的风险：

  • 擦伤
  • 划痕
  • 毛刺
  • 螺纹挤压变形
  • 锈蚀
  • 腐蚀
  • 点蚀

标杆客户

众多全球顶级的OCTG产品供应商都信赖并采用复制胶泥进行印模检测：

  • Tenaris
  • Vallourec
  • Hunting Energy Services
  • NOV
  • Weatherford
  • Voestalpine Tubulars
  • BakerHughes

针对符合API规范的各类油田管材（油管与套管），复制胶泥提供了快速、精准的检测解决方案：

  • EUE : 外加厚油管
  • NUE : 平式油管
  • BTC : 偏梯形螺纹套管
  • LTC : 长圆螺纹套管
  • STC : 短圆螺纹套管
API 螺纹轮廓

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计量学

涡流检测 – 操作指南

涡流是导电材料中因响应磁通量变化而自然产生的圆形电流,它们会产生反向磁场。这项技术依赖于电磁感应原理。这与无线充电电动牙刷或 iPhone 的物理原理相同,但被重新利用于极其精确地搜寻结构缺陷。这种方法广泛应用于现代无损检测 (NDT)。概念很复杂。我们使用线圈在导电材料中感应出微小的圆形电流。如果这些电流流动顺畅,说明部件完好。但如果它们遇到裂纹或空隙等障碍,流动就会改变,仪器会立即发出警报。为什么这很重要?在航空航天和石油天然气管道等高风险行业中,肉眼看不见的缺陷可能会产生灾难性的后果。我们需要一种在不改变部件的情况下”看到”这些缺陷的方法。涡流检测为我们提供了这种可视性,实现了其他方法无法比拟的快速表面裂纹检测和材料分选能力。在本文中,我想帮助您建立一个关于其实际工作原理的坚实思维模型。我们将深入探究其物理原理,探索设备,并确切了解为什么这种方法在验证质量方面如此有效。我们将研究从磁场行为到现场使用的特定探头类型的所有内容。让我们开始吧。什么是涡流?当我们谈论无损检测时,我们常常使用这些神奇的工具,却不深究其背后的物理原理。你在部件上挥动探头,突然就知道下面是否隐藏着微小的裂纹。但是金属内部实际上发生了什么?归根结底就是涡流。这个名字给了我们关于其工作原理的巨大线索。想象一条向下游流动的河流。如果你把桨伸进水里,水流会绕过障碍物形成圆形的漩涡。在流体动力学中,这些旋涡被称为”涡流”。在我们的计量世界中,”河流”是导电材料(如铝或铜),而”桨”是变化的磁场。当磁场撞击导体时,它会将电子推入闭合的圆形电流回路。这些就是你的涡流。然而,这些电流不仅仅是空转。它们会产生自己的磁场。这个新磁场与产生它的原始磁场相对抗。这种行为被称为楞次定律。正是这两个磁场之间的”推拉”作用使我们能够检测缺陷。如果裂纹破坏了电流流动,反作用力就会改变,我们的仪器就能检测到这种差异。要实现这一点,你需要两个要素。首先,材料必须导电。其次,磁场必须随时间变化,这就是为什么我们通常在检测探头中使用交流电。电磁感应原理如果您曾经拿着探头对准金属部件并看着屏幕上的信号跳动,这感觉有点像魔术。你没有接触表面,但你知道里面确切发生了什么。这就是电磁感应原理在起作用。这是驱动整个检测过程的物理引擎。当你将变化的磁场(如探头中的磁场)靠近导体时,那些看不见的磁力线会”切割”过材料。这种变化产生了电动势,即 EMF。把 EMF 想象成一种电压力,而不是固体物体。它推动金属中的自由电子,强制它们移动。这种推动力的大小在很大程度上取决于导体的电阻率和磁导率。如果材料导电性高,电子就容易流动。如果有电阻,它们就会受阻,产生热量而不是强电流。洛伦兹力让我们把镜头拉近到原子层面。实际上控制这些电子的力被称为洛伦兹力。当探头的磁场扫过材料时,它会物理地推动载流子(电子)。由于右手定则定义的物理学原理,该力垂直于磁感线作用。电子不再沿直线流动,而是被迫进入圆形路径。这些漩涡状的电流回路看起来很像河流中的涡流,这正是该名称的由来。互感和自感要真正理解探头的行为,我们必须区分两种类型的电感。首先是自感。这是线圈对其自身电流变化的抵抗。当您在线圈中通入交流电时,它会产生反电动势来对抗电流流动。这决定了探头在空气中的基准阻抗。然后是互感。这是探头与测试部件之间的连接。当探头的磁场穿过部件时,会感应出涡流。反过来,这些涡流会产生它们自己的磁场,反向穿过探头线圈。这种能量的相互交换就是部件向仪器”反馈”的方式。这种互感的强度取决于探头与部件的距离(耦合)和材料属性。这种相互作用正是我们实际测量的对象。如果裂纹等缺陷阻断了这些电流回路,次级磁场就会减弱,平衡发生偏移,仪器就会向您发出问题警报。涡流检测如何工作想象一下你拿着一个金属飞机部件。肉眼看它很完美,但我们需要知道表面之下是否隐藏着微小的、看不见的裂缝。这个过程分几个不同的步骤进行:首先,我们通过探头线圈发送交流电。当我们将此线圈靠近导电材料时,磁场迫使部件中的电子移动。这些涡流产生它们自己的磁场,与探头的磁场对抗。探头有效地”感觉”到了这种对抗。如果电流遇到缺陷,它们被迫绕道。这就像水在溪流中绕过岩石一样。这种破坏削弱了次级磁场,仪器会立即标记该变化。阻抗平面如果您曾经看过涡流仪器的屏幕,您可能见过一个在网格周围移动的”飞点”。这是阻抗平面,它是我们拥有的最重要的可视化工具。它同时映射两个变量:水平轴上的电阻 (R) 和垂直轴上的感抗 (XL)。当探头在空气中时,该点位于特定位置(高电抗,低电阻)。当您将其降低到导电部件时,该点会描绘出一条通常称为提离曲线的曲线。一旦探头落在表面上,该点就成为您的”零点”或空点。当探头遇到缺陷时,该点会移离该零点。但关键部分在于:方向很重要:这种移动的角度称为相位角。通过分析相位角,操作员可以告诉您缺陷是什么,而不仅仅是那里有一个缺陷。他们可以区分裂纹、导电率偏移或仅仅是探头轻微离开表面。信号相位滞后信号分析的另一个迷人方面是相位滞后。随着涡流深入材料,它们不仅会变弱(衰减),而且也会在时间上延迟。磁场向下传播和反作用场向上传播都需要花费有限的时间。这种时间延迟在您的屏幕上表现为相移。缺陷越深,信号在阻抗平面上顺时针旋转越多。这非常有用,因为它使我们能够估计缺陷深度。表面裂纹可能出现在 0 度,而 1 毫米深度的次表面裂纹可能出现在 45 度。它让我们从 2D 屏幕获得部件的 3D 理解。渗透深度不过,这里有个需要注意的地方。涡流很懒。它们更喜欢在材料表面流动,这种现象被称为趋肤效应。越往深处走,电流就越弱。如果您需要更深入地观察部件,您不能仅仅加大功率。实际上您必须降低频率。较低的频率穿透得更深,但对微小缺陷不那么敏感。我们使用此公式计算特定深度(电流密度降至表面值的约 37% 处):在这个方程中,f 是频率,μ 是磁导率,σ 是导电率。它突显了为什么在打开机器之前了解材料属性如此重要。不同的探头类型选择合适的探头是您在检测设置过程中做出的最重要的决定。人们很容易认为探头只是一圈电线,但这圈电线的具体几何形状完全改变了物理行为。我喜欢把磁场想象成手电筒的光束。如果你想检查螺栓孔中的微小裂纹,你需要一束聚焦的激光。如果你想检查长管道是否普遍变薄,你需要一个宽泛的泛光灯。我们将探头类型分类基于它们如何塑造能量场,以及部分基于它们如何监听回声。让我们探索一下我们的选择。表面探头这些是用于平面元件或微弯曲部件的日常工具。我们通常根据它们处理信号的方式将它们分为两个子类别。首先是绝对探头。它们使用单个传感线圈来测量下方材料的总阻抗。它们非常适合发现逐渐的变化,如导电率偏移或涂层厚度变化。然而,它们对温度变化很敏感。然后是差分探头。这些是真正的缺陷猎手。它们包含两个线圈,持续比较相距较远的两个点(或有时聚焦于一点)处的材料。如果两个线圈下的材料相同,信号为零。但如果一个线圈穿过裂纹而另一个看到的是实心金属?你会得到一个尖锐、明显的信号脉冲。因为它们是自参考的,所以可以抵消温度或导电率等逐渐变化,使其更加安静,对裂纹更敏感。高级探头设计除基础知识外,工程师还开发了一些巧妙的设计来解决特定问题。反射探头(或称驱动器-拾取器探头)将工作分开:这种解耦允许更宽的频率范围和更好的信噪比。我们也有屏蔽探头。标准线圈的磁场像甜甜圈一样扩散。如果你试图在螺栓头或边缘附近进行检查,那种扩散的磁场会撞击几何结构并产生噪声。屏蔽探头使用铁氧体环或其他屏蔽材料将磁场垂直聚焦向下,保持其紧密并防止它”看到”你不希望它看到的东西。鲍宾(Bobbin)和环绕线圈有时用铅笔探头扫描部件就像用牙刷粉刷走廊。当你有圆柱形几何结构时,你需要覆盖范围。鲍宾探头设计用于在管内滑动,一次检查整个内圆周。例如,这是检查发电厂热交换器的标准。当您将其拉过时,它提供完整的 360° 视图。环绕线圈的工作方式相反。部件(如电线、棒材或管材)穿过线圈。这对于生产线来说速度极快,但有一点需要注意。涡流阵列 (ECA)如果标准探头就像单个手电筒,涡流阵列 (ECA) 就像体育场泛光灯系统。ECA 探头包含按特定模式排列的多行线圈。您不用单个线圈来回扫描(光栅扫描),而是一次通过即可扫描大面积区域。软件将所有这些线圈的信号拼接在一起,创建一个C扫描图像,这本质上是表面的颜色编码图。这使您能够在屏幕上看到裂纹的形状和长度,而不仅仅是解释移动的点。ECA 正在彻底改变该行业,因为它速度更快,不太依赖操作员手部的稳定性,并提供检测的永久数字记录。导电材料测试这是涡流检测最大的缺点:它有一个非常严格的准入名单。此方法仅适用于导电的材料。如果你试图检查塑料、玻璃或陶瓷,你将得到绝对零信号。要理解原因,我们需要看看在原子层面上发生了什么。为了形成涡流,你需要当磁场出现时可以自由移动的电子。在导电金属中,这些自由电子很容易漂移到我们想要的闭合回路中。在绝缘体中,电子被卡在原地。没有流动意味着没有涡流。这就是为什么这种检测方法是铝、铜、钛、钢合金和镍合金的重头戏。这是航空航天和制造业检查从机身蒙皮到发动机叶片的所有东西的标准做法。如果您使用非导电材料制造产品,您需要另一种解决方案。IACS 导电率标准我们使用IACS(国际退火铜标准)标度测量导电率。纯退火铜定义为 100% IACS。铝合金的范围可能在 30% 到 50% IACS 之间,而钛要低得多,约为 1.5%… <a href="https://www.plastiform.info/zh/blog/jiliangxue/guo-liu-jian-ce-cao-zuo-zhi-nan/" class="read-more">Read More</a>

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