石油鉆桿漏磁檢測技術

石油鉆桿漏磁檢測技術陳先富安東石油技術（集團）有限公司北京100102摘要：介紹采用直流局部磁化的石油鉆桿的漏磁檢測技術，進行基本原理討論、試驗數據分析等，說明此技術在石油鉆桿和粗糙表面的管材、鋼棒等方面具有高靈敏度、檢測能力強和信號處理簡單等優(yōu)點，有較強的實用性。關鍵詞：石油鉆桿漏磁原理檢測技術DrillPipeMagneticLeakageInspectionTechnologyChengXianfuAntonOilfieldServices（Group）Ltd.Beijing100102Abstract:Basedonintroducingdirectcurrentpartialmagnetizationinspectiontechnology,discussingbasicmagneticleakageprincipleandanalyzinginspectiondata,thepaperilluminatestheadvantagesoftheMagneticLeakageInspectionTechnologywhichisappliedontheinspectionofdrillpipeandtubeorridwithroughsurface.Itsgoodperformancelikehighsensitive,stronginspectionpowerandsimplesignaltreatment,makesitwidelyusedinmanyfields.Keyword:drillpipe,principleofmagneticleakage,inspectiontechnology石油鉆桿在油田鉆井工程中，是地面旋轉系統、提升系統、循環(huán)系統與鉆鋌、鉆頭聯接的主要部件，通過它們達到轉盤帶動鉆頭旋轉，大鉤帶動鉆頭升降，泥漿送到井底形成循環(huán)，從而實現鉆頭的破碎巖層并連續(xù)鉆進。正常鉆進時，石油鉆桿在井下要承受拉伸、壓縮、扭曲和泥漿酸化等復雜交變應力，工作條件極為惡劣，隨著工作頻率的增大，使用時間過長，將形成疲勞裂紋，嚴重腐蝕坑等，因此，石油鉆桿能否正常、安全的工作，是油田鉆井工程能否正常進行的關鍵之一，在鉆井工程生產中具有至關重要的地位。針對石油鉆桿運用漏磁檢測技術對其進行檢測，其方法的運用進行探討，為提高石油鉆桿使用效率，掌握其質量狀況，減少鉆井事故發(fā)生，從而提高整體經濟效益具有十分積極的意義。一、基本原理石油鉆桿漏磁檢測原理是建立在鐵磁性材料的高磁導率的特性基礎上，通過測量鐵磁性材料中由于缺陷所引起的磁導率變化來檢測在役石油鉆桿的狀況。石油鉆桿（鐵磁性材料）在外加磁場的作用下被磁化，當無缺陷時，磁力線絕大部分通過鐵磁性材料，此時在材料內部磁力線分布均勻；當有缺陷時，由于材料中缺陷的磁導率比鐵磁性材料本身小，至使磁力線發(fā)生彎曲，并具有一部分磁力線泄漏出材料表面，通過檢測該泄漏磁場，就能有效地檢測出缺陷的存在，從而檢測分析石油鉆桿的疲勞損壞情況。二、磁化方法1、磁化方式選擇：常見的磁化方式有：交流磁化、直流磁化、交直流混合磁化。、交流磁化：由于“趨膚效應”的影響，檢測深度將隨著磁化電流的頻率上升而呈指數曲線下降，并且大功率高頻交流電源較難獲得，同時考慮到石油鉆桿大多為厚壁管，有一定的檢測深度要求，因此，這種磁化方式一般場合較少使用。、直流磁化：該方式檢測深度較深，信號處理簡單，并且，大功率直流電源較容易獲得。、交直流混合磁化：這種磁化方式從原理上講，取了前兩種方式之長，即考慮了檢測深度又考慮了表面檢測靈敏度，為理想磁化方式。但在實際應用中，由于采用混合磁化方式后，造成勵磁檢測設備寵大，信號處理復雜，所以較少使用。綜上所述，石油鉆桿漏磁檢測時，由于多為厚壁管，要求有一定的檢測深度，同時管體內外表面有氧化腐蝕存在，因此采用直流磁化方式較為適宜，本文介紹的石油鉆桿漏磁檢測方法，即采用直流磁化法。2、磁化方法選擇：磁化方法通常分為兩種，即軸向磁化和徑向磁化。它們分別適用于穿過和旋轉式檢測(目前國外已有人采用組合磁化和旋轉磁化，但都比較復雜)。這里介紹一種軸向局部磁化法。、局部磁化法：為了能清楚地說明局部磁化法原理，首先分析普通磁化方法(見圖。由于兩個磁化線圈之間存在一定距離，使得中央磁通密度較低，磁化不足，檢測結果可靠性降低。為了達到一定的可靠性，就必須加大磁化電流，確定合理的線圈距離，使兩個磁化線圈這間的鉆桿管體被充分磁化而達到磁飽和。圖2表示局部磁化法等效磁路磁力線分布情況。通過對磁場進行引導，將磁極引向中央使兩個檢測勵磁線圈的距離相對縮短，其結果就是使中央磁通密度明顯增加。因此，只需使用較小的檢測勵磁電流，就能將被檢石油鉆桿管體局部磁化并達到飽和，從而有效地提高了檢測結果的可靠性。由于降低了檢測磁化電流，使得勵磁電電源也較為簡單。SBOSBO圖1普通磁化方法磁力線分布SNSN圖4局部磁化法等效磁化線分布圖圖2局部磁化法等效磁力線分布圖、普通磁化方式和局部磁化方式磁通密度對比:①精通磁化方式：如圖3等效磁路。L-磁極間距r-磁極半徑L-磁極間距r-磁極半徑巾-磁通圖3磁化系統等效磁路1-勵磁線圈2-導磁套3-檢測線圈4-試樣5-磁力線圖4局部磁化方式的結構示意圖根據實際情況，在普通磁化方式中取L=0.2(m)(磁化線圈間距)r=0.02(m)①=15x10-4(Wb)則有效截面積S則有效截面積S1二4.5x10一2Cm2)因此，B因此，BiCWb/m2①=3.3x10-2S1②局部磁化方式：L=O.OlCn)(取測量線組寬度，即在線圈有效磁化區(qū)內)r=0.02(m)①=15x10-4(wb)則有效截面積S2

=1.96x10-2Cm2)因此，B2=7.7x10-1CWb/m2所以兩種方法的中心磁通密度比：B/B=23（倍）21可見，采用局部磁化法后，在同樣磁通條件下，中央磁通密度將提高23倍，有效地提高了磁化程度，提高了檢測結果的可靠性和準確性。圖4表示實用的局部磁化方式的結構示意圖，這種磁化方式消除了由于石油鉆桿管體中磁疇排列不均勻造成的局部磁性而引起的噪聲。三、信號處理方法1、直流磁化電源：輸出直流電流到檢測探頭的勵磁線圈，以產生直流磁場。對被檢石油鉆桿管體進行磁化，使其達到磁和。該電源輸出必須可調，根據不同的規(guī)格選擇最佳磁化點。2、檢測探頭：由檢測勵磁圈和差動測量圈組成。用于進行：電磁 電轉換，檢測石油鉆桿管體中是否缺陷存在。3、 前置放大器：由于漏磁檢測探頭的測量線圈輸出零電勢極小，一般只有1—3mV。因此，必須對該微弱信號進行幅度放大，以便后級電路能對該信號進行各種處理。4、 濾波器：由于前置放大器的輸出信號中既包含有缺陷信號，也含有其它噪聲信號，如跳動、偏心、導電率變化、管徑變化及壁厚變化等，通過濾波器，將其中的缺陷信號選出，其它噪聲號盡可能濾掉。5、 缺陷閘門：該電路作用時將濾波輸出的信號再進行處理，當有缺陷時，閘門打開；無缺陷時，閘門關閉，以提高信噪化。1-直流磁化電源2-1-直流磁化電源2-探頭3-前置放大器4-濾波器5-缺陷閘門圖5直流磁化漏磁探傷框圖（通道部分）因此，如圖5，整個信號處理過程中，由于沒有高頻信號存在，整個信號處理過程極其簡單，這樣有利于提高儀器的穩(wěn)定性和可靠性，并將儀器體積縮小，便于現場應用。四、實驗介紹及實驗數據分析1、磁化電流大小與靈敏度關系：（1）、條件:美國OEM公司ARTIS-3型油田專用管材檢測設備，電流0—20A可調；①127mm檢測探頭1套；①127mm標定管1付；①127mm石油鉆桿。2）、試驗結果（見表1）：安 匝 數32538 27115 21692 1084681345一5423.93618.4丨2711.51924.7一橫向缺陷*——10—— 10-12152020141024U.25XX5通孔 (K0~5 1515.25324211縱向缺陷 1.525X1A5內壁橫向缺陷0.3殲X4「33 3.2-35 4-4534282*橫務缺陷和縱向缺陷尺寸表示：深X寬x長（mm）3）、測試數據分析：隨著磁化程度不同，檢測靈敏度也不同。因此磁化電流必須可調，以選擇最佳磁化點。2、被檢管外徑變化與靈敏度關系：（1）、條件：美國OEM公司ARTIS-3型油田專用管材檢測設備；①88.9mm、①127mm檢測探頭各1套；①60.3mm、①73mm、①88.9mm、①127mm、①139.7mm標定管各1付；①60.3mm、?127mm、①139.7mm石油鉆桿各一批。表2）：鉆桿管體外徑e60.37388.9127139.7探頭零電勢（MV）1.211.41.31.4標準缺陷e1.61.61.61.61.6信噪比1817.8171615.6①73mm、①88.9mm、2）、試驗結果表2被撿石油鉆桿管體外徑與靈敏度關系（安匝數：6000）（3）、數據分析：當被檢石油鉆桿管體外徑變化時，即使在相同當量缺陷條件下，其信噪聲比變化也較小，并且檢測探頭幾乎沒有零電勢存在?？梢姰斘覀儗Σ煌鈴绞豌@桿采用相應的檢測標準時，則靈敏度幾乎不受管體外徑影響，從而可以看出，這種方法是滿足于石油鉆桿的檢測要求的。3、檢測靈敏度與同心度關系：（1） 、條件：美國OEM公司ARTIS-3型油田專用管材檢測設備，電流0—20A可調；①88.9mm檢測探頭1套；①88.9mm標定管1付；①88.9mm石油鉆桿。（2） 、試驗結果（見表3，動態(tài)60m/min）：缺陷位置（*）060120180240300信噪比66.26.56.46.265.8（3）、數據分析：最大信噪比：&/N） =6.5max最小信噪比：&/N） =5.8max平均信噪比：（S/N）二6.16max因此平均偏差：（S/N）0二6.5—5.8]/6.16x100%因此平均偏差：（S/N）0二I2丿所以，這種檢測方法對同心度要求較低，能滿足油田現場的要求，具有較強的實用性。五、終述從漏磁檢測實驗，證明該方法能方便地用于石油鉆桿的檢測，并且，該方法具有結構簡單、信號處理方便、檢測能力強、靈敏度高等優(yōu)點，特別是具有定位性、客觀性和可記錄性，不僅適用于石油鉆桿的檢測，還適用于粗糙表面的管材、鋼棒等，同時，對漏磁檢測設備檢測探頭和磁化工藝有較高要求，需要進一步研究提高，以更好體現漏磁檢測技術具有的高靈敏度和優(yōu)良準確率的優(yōu)越性。參考文獻：1、李家偉陳積懋主編《無損檢測手冊》北京：機械工業(yè)出版社2002.12、康宜華等《鋼絲繩斷絲漏磁場的漏磁檢測原理》北京：機械工業(yè)出版社1993.43、 孫永蓀《國外漏磁探傷現狀》無損檢測1986.8Reference：LiJiawei,ChenJiEditor,ManualforNon-destructiveI