（检测技术与自动化装置专业论文）钻杆直流励磁漏磁检测技术的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 钻杆是石油钻井设备中不可缺少的关键部件，钻杆缺陷自动检测系统对于提高生产 效率，降低人工劳动强度，减少钻探事故和经济损失具有重要意义。本论文以实现钻杆 缺陷的自动检测为目标，系统地研究了采用漏磁法进行钻杆的横向、纵向缺陷检测的相 关问题及多路缺陷信号的数据采集方法，并初步完成了系统调试。 在研究了国内外漏磁检测技术的现状及发展趋势的基础上，通过对国内外钻杆无损 检测方法和系统的研究现状和实现方法的分析，根据钻杆缺陷的实际情况和现场检测要 求，确定了应用单一漏磁法为探伤方法的系统整体方案。对横向缺陷检测装置的磁化方 式、线圈磁场分布及计算、端部效应和检测盲区等问题进行了研究。设计了恒流源电路， 保证了磁场的稳定。讨论了开路磁化和闭路磁化的区别，并提出了材料的起始磁化曲线 不能作为钻杆磁化强度的选择依据应用a n s y s 有限元仿真软件对线圈磁场进行仿真 分析，与理论计算值进行比较，验证了a n s y s 仿真的正确性。应用不同规格钻杆的仿 真数据，建立不同规格钻杆的不同开路磁化曲线，并以此作为最佳磁化强度的选择依据。 在对比了多种传输方法后，采用滑环作为纵向缺陷检测装置中缺陷信号和外界通信的传 输媒介。设计完成了能对多路缺陷信号进行数据采集的数据采集系统。应用f p g a 识别 数据采集卡发出的脉冲沿来控制多路开关阵列完成了多数据通道的合并，在上位机中根 据同步信号将数据还原到各通道，实现了数据的正确采集。提出了一种新颖的数据采集 方法，解决了数据采集卡的输入通道数满足多数量传感器的需要问题。 通过现场调试，该钻杆漏磁检测系统可以检测出钻杆的裂纹、孔洞、腐蚀等缺陷， 系统运行良好。 关键词：钻杆，漏磁，无损检测，删s y s ，即卧 钻杆直流励磁漏磁检测技术的研究 r - e a r c ho f d r i l lp i p co f d i 阳c tc u 饿札te x c i t a t i o nm a 印e t i cf l l | 】【 l e a l 【a g ed i 咖c t i o nt e c h n o l o g ) ， m i l lp i p ei s 锄i n d i s p e 璐a b l ek c y 础p o n e r 如i no i ld r i l l i n gr i 擎1 ka 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u d em 艇皿e t i z 砒i 伽l ，c a l m l i 砒油a n d d i 蚰j b u t i o f i lm a 弘e t i cf i e l d ，t h ee n de m 矧，t h eb l i n dd i s 仃i c t a n s 扭玎t r r 叫tc i 彻血i s d e s i 删t oa 刚瞳et h e 蚰| b n i 锣o f m a 驴n i cf i c l d d i s t i n g l l i s ho f be t _ 籼c l o s o dm 碰尹c t i 蹈l i a n dl m c l o s e dm a 鲫e t i z 砒i 加i sd i i l s s c d t h a tl h ei n 砌m 碰p l e 吐cc u r v ec a 越tb es 啪勰a m l et os d tm a 粤4 - e t i ci n 咖l s i t yi s 如w a l d c d u a n s y st os i 】咖l l 蜀蛇m a 掣嵋恤丘e l d 讪i c hb c l | s e dt o 咖i 雌t o 岫v 妇m 嘲u n 舯懈恤i ! t i sr i g h t 恤t 啪a n s y s 屯o s i i 出u m l o s e d 皿呲c u mi sb e 砸l db y 血叫l 碰d 吐ao fd i 触印硷c 缸 d r i l lp i p e 舢i c hb cl l s c dan l l et o i tq 蛔蛳啦m 硼皿时i z a d 蛐g i a a 盯c 0 棚均或t o 硼r i e t yo fs i 驴a l 蛔n 蛐i 鼹i 删汕栅埘i pr i 驾i sb eu s c d 鹪们瑚m j 酗姐m 蛐w h i c h 衄e c t sd e f b c 吐蚀s i 掣d a lo fl e l 幽凼ed e 删剐p m e n tt o 伽t s i d e a m et o 鲫n p l e ! t e 血c d e s i g n o ft h cm i m i - c b 锄c i s i 掣l a l t ol h cd a 纽翟呻i 恼姐 s y s 蛐蕾b r d 如 l l d 帆f i 璐d y 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布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：刍辑导师签名：茎鱼冽日期：童竺犁 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的背景与意义 近年来，随着世界工业经济的迅速发展，用户对产品使用的可靠性、安全性的要求 越来越高尤其是铁磁性材料产品内的各种缺陷是现代工业设备、产品和武器的严重隐 患。所以，在工业生产中，只有对铁磁性材料产品出厂前进行严格的检测，才能为后续 的安全生产提供保证但我国目前的产品检验技术和设备相对比较落后，每年由于无法 有效的检测钢材的腐蚀裂纹和磨损而造成的损失非常巨大上世纪9 0 年代末，我国 冶金部开始制定相应标准，促使我国产品标准中有关无损检测的规定相应地也发生了更 加严格的变化，从而使对材料内部和表面的危害性缺陷具有高检测灵敏度的自动缺陷检 测设备和技术的应用越来越广泛【1 刁 随着科学技术的日新月异，钻探工程技术在不断地向前发展如今，钻探设备已广 泛地应用于地质、冶金、煤炭、有色、建工、建材、核工业、化工、水电、铁道等工业 部门目前，回转钻进方法在地质勘探、石油钻井和各种工程勘察施工中仍占统治地位， 并将继续发挥重大作用。钻杆是旋转钻进设备中必不可少的关键部件，又由于其使用范 围涉及到许多领域，所以，钻杆的优劣和使用寿命的长短，不但对钻进设备本身有极大 影响，而且与许多行业部门的生产安全和社会、经济效益有着密切的关系 钻杆是石油钻柱的重要组成部分之一，钻具组成及其在钻探系统中的位置如图1 1 所示在钻探工作中，由钻杆所组成的钻杆柱从地表把钻机的动作和动力传递给井底的 钻头钻头在井底破碎岩石、连续给进以及其他一切工作取决于钻杆柱的工作性能钻 杆柱在传动工作系统中是一个特殊的、细长比很大的、在井筒特定条件下工作的传动杆 件【3 】同时它又是洗井液冲洗井底和冷却钻头必需的液流通道钻杆内受高压，外表面 承受着磨损虽然钻杆柱在结构上看似较为简单，实际上，它长期承受着拉、扭、弯曲 等交变应力作用，同时钻井液、钻井泥浆中溶解的0 2 ，c 0 2 和h 2 s 等腐蚀介质及地层 的氧化物等介质使钻杆产生严重的腐蚀据资料介绍，每起钻具失效事故造成的直接经 济损失约8 万元，若钻具断裂造成埋井，其经济损失可达数百万元嘲实践表明，钻探 钻杆直流励融精磁检测技术的研究 的工作效率和安全生产都取决于钻杆柱的可靠性翻。及时地对钻杆腐蚀缺陷进行检测和 控制，可防患于未然。 霹盼 l ，l 氯丽 饿鼢 勃劫搦l 癸攀戮 睡i 霾1 雾 图1 1 钻其组成及其在钻探系统的位置 f 酶1 1c 彻s t i t i 地o f d r n l i i l g f i 黟p i 6 册i i i d r i l l i n g s y h 粗 1 一钻塔架2 一钻机3 一接箍4 一钻杆5 一锁接头6 一钻铤7 一静凸管8 一钻头 1 一o i l d e f t i c k2 一d r i l l 白瞎m h 缸c3 一c o t l p l i n g4 一由i n p 啦5 一l o d 珊吡6 一赫n o o n 暂 7 一p i 弦8 一a i | 础 据调查某油田钻具公司，目前，对钻杆的探伤完全依靠人工用内眼观察而且他们 关心的是钻杆两端的加厚区域，对于中间的管体部分，几乎不进行任何检测。工作量高 峰时期，他们每天需要运出上千根钻杆到钻井现场。如此大的数量，更不可能依靠人工 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 来实现探伤这种情况下，一旦漏检发生事故，将会造成巨大的损失因此，钻具公司 迫切需要一台能有效检测出钻杆各种缺陷的钻杆无损探伤系统 目前钻杆检测系统的制造只是集中在国际上少数几家知名的大型无损检测设备制 造公司手里，如美国的t l d o o p c 、o e m 、i c 0 和德国的f o f s t 髓、m e m 等公司国 内对无损检测技术的使用尚处于引进使用阶段，在工业化实用设备的开发制造方面还刚 刚起步。随着国内石油业的发展以及对钻杆的质量要求不断提高，对探伤系统的需求也 日益增长。但是引进各种探伤设备不但价格昂贵，而且人员培训、设备维修和易损件的 供应都成问题。因此，系统地研究漏磁探伤技术，并以此为依据研制开发出我国的漏磁 无损探伤装置和设备就显得十分重要和紧迫 1 2 钻杆无损检测系统的研究现状 1 2 1 钻杆无损检湃方法的研究现状 目前，国内外对钻杆进行无损检测常用的有磁粉检测( f r ) 、超声波检测( u t ) 、 涡流检测( e t ) 、射线检测( r t ) 、渗透检测( p t ) 共5 种常规检测方法此外，还 有一些新兴技术，如激光照相检测、声振检测、红外检测和声发射检测等嘲 ( 1 ) 渗透检测方法( p e n c t r a n tr s t i n g ) 液体渗透检测法是检验非疏孔性金属和非金属试件表面上开口缺陷的一种无损检 测方法检测时，将溶有荧光染料或着色染料的渗透剂施加在试件表面，渗透剂由于毛 细作用能渗入到各种类型开口于表面的细小缺陷中清除附着在试件表面上多余的渗透 剂，经干燥和施加显像剂后，缺陷处就可呈现出荧光，用目视检查就能发现册一般情 况下，液体渗透检测只能检查试件表面的开口缺陷，对埋藏在皮下或内部的缺陷则无能 为力它的优点是方法简单、成本低，适用于有色金属、黑色金属和非金属等各种材料 和各种形状复杂的零部件，但对多孔性材料不适合( 因为缺陷显示的图像难以判断) ， 且检验缺陷的重复性较差嗍 ( 2 ) 超声波探伤方法( u l 蛔删疵t e s 血喀) 超声波探伤的基本原理是：将高频声波脉冲导入被检测的材料，当声波传输的过程 中遇到缺陷时，一部分声波会被反射回，产生回波，系统可检测到这些回波，并进行放 大处理，转换成数字信号，呈现在屏幕上，从而获得被测材料的缺陷状况唧 一3 一 一般情况下，超声波探伤方法主要用来探测钢材的纵向缺耐1 0 1 ，根据用户需要也 可探测横向缺陷【嘲自动化纵向缺陷的探测速度通常为2 蛐l ，m i n 左右，横向缺陷的探 测速度通常为1 0 玎妇i n 左右超声探伤有较高的检测灵敏度，对棒材中的裂纹、直道 等缺陷比较敏感，也能探测出非金属夹杂等体积型缺陷。因此，它适用于检验质量要求 高的棒材和管料及板材等，其缺点是检测速度较慢。因此一般作为高质量材料的离线检 验手段l ”l 。 ( 3 ) 荧光磁粉探伤方法( f h 帕她瓣斌m a g n e 吐cp o w d 贸t e s t i 雄) 荧光磁粉探伤是近年来广泛应用的探伤方法，应用领域比较广。磁粉受到漏磁场的 吸引，沉积在表面缺陷上，当采用普通磁粉探伤时，由于钢材表面的氧化色与磁粉颜色 反差低，观察时缺陷处磁痕不够清晰、磁痕易脱落而造成误检或漏检。采用荧光磁粉探 伤则可解决上述问题：在铁磁性粉末外面包覆一层荧光物质，当荧光磁粉受到漏磁场作 用沉积在缺陷上时，在紫外线灯光的照射下，荧光磁粉表层的荧光物质激发出黄绿色的 荧光，显示出缺陷的形状和位置。荧光磁粉探伤灵敏度高，容易检测到微小裂纹，但检 测结果受人为因素的影响较大。此方法主要用于各种材料表面细小缺陷的探伤，其主要 缺点是设备结构复杂，对环境要求高，一般要有专用的暗室【1 4 t 拥。近年来，人们逐渐将 计算机成像技术引入磁粉探伤中，采用c c d 摄像头将磁粉的图像拍摄下来后，通过图 像采集卡将其输入到计算机中，再利用图形识别技术，将图像与缺陷对应起来，从而实 现了磁粉探伤的自动化 ( 4 ) 涡流探伤方法( 副d yq l r r 舶tt e s t i 鸩) 涡流探伤法是工业各领域中应用较为广泛的无损检测方法。它以电磁感应理论为基 础，不需任何耦合剂就可对试件进行百分之百的快速自动检测i 坷。涡流探伤对于钢材这 种形状规则而单一的试件来说，则更是大批量快速检测的有力工具其检测的基本原理 是：用一个高频振荡器供给激磁线圈，使其产生激磁电流，并在被检测件中感应出涡状 电流，涡流又产生自己的磁场，涡流磁场的作用消弱激磁磁场的变化由于涡流磁场中 包含着棒材状况等各种信息( 如棒材中存在的各种缺陷) ，仪器通过检测线圈把涡流磁 场信号检出，进行滤波、鉴相、放大等处理，并抑制非缺陷的各种噪声信号( 如材料性 一t 一 沈阳工业大学硕士学位论文 能的差异、运动不平稳等) ，以此来判别钢材中缺陷的存在【1 7 啪。涡流探伤主要用于棒 材表面缺陷的检测，如果要检测钢材内部的缺陷，涡流探伤方法则无能为力了 涡流检测探头有两种：点式探头和穿过式探头。采用点式探头高速旋转的方法可以 探测钢材中的纵向缺陷：而穿过式探伤则采用穿过式探头来检测钢材表面的横向缺陷 这种方法设备简单，探伤速度快( 一般可达6 0 n 临i n 以上) ，对钢材表面和近表面的 常见缺陷如裂口、凹面、结疤及部分外折等有较高的检测灵敏度，因此成为钢材表面检 验的主要方法之一涡流检测具有检测灵敏度高、不需要耦合剂、易实现高速自动化等 优点，但是对铁磁性钢材的检测来说，由于渗透深度受到严重限制，磁导率变化的严重 影响难以消除。 ( 5 ) 射线检潮方法( r 丑d 锄n s 6 n g ) 射线检测法是使用电磁波对金属工件进行检测，这同x 透视类似，射线( 例如x 射 线、r 射线) 穿过材料到达底片在正常情况下，会使底片均匀感光如果遇到裂缝、 洞孔以及气泡、夹渣等缺陷，就会在底片上显示出暗影区来这种方法能检出缺陷的大 小和形状，还能测定出材料的厚度。但射线检测法的成本较高，胶片、药品价格不菲 辅助量大，而且对人体有害 1 2 2 钻杆无损检测系统的研究及应用现状 目前，无损检测系统的生产商主要以国外的几家大公司为主，包括美国的 t t 妇嫩o 、o e m 、i c o 和德国的f 0 嘲凹、m j l ( e m 等公司国内只有少数的几家刚发 展起来的公司，如合肥齐美、华中科技大学等 国外在无损检测系统方面的研究起步较旱，拥有成熟的钻杆无损检测生产线技术 t u b o s p e 公司的钻杆探伤系统系列包括固定式、移动式、车载式三种。固定式钻杆检 测系统可同时进行横向缺陷、壁厚变化的检测，以及钢级比较移动式钻杆检测系统可 以检测横向缺陷和壁厚损失车载式钻杆检测系统专门为野外恶劣工作环境而设计，自 带发电机，可不依赖于其它条件而独立工作。o e m 公司的a r m s 2 固定式钻杆及油管 探伤系统具有在线白诊断功能，专利数字信号处理技术而其同一系列的便携式钻杆及 油管探伤系统的横向缺陷和壁厚损失的覆盖率超过l ，其检测速度可达到每分钟1 8 0 英尺( 5 5 米) 此外，t l l b o s c o p c 公司还开发了w d l c h e c k 井口探伤系统这种新式检 探测系统运用漏磁检测技术和射线技术相结合。它的特点是钻杆能以1 3 m ，s 的速度在上 提中探伤，提高了效率。 国内的厂家所使用的钻杆无损检测系统主要以引进国外的设备为主，如2 0 0 0 年， 大庆石油局钻井技术服务公司投资8 万元引进一套美国i c o 公司的钻具检测系统正式 投入运行，包括a g s 5 7 固定式钻杆管体检测仪、s p e c r 2 0 0 0 便携式钻杆管体检测仪、 p r o s p e c 亿o o o i r r e s 超声波钻杆端区探伤仪等。系统可对管材的横向裂纹、壁厚损失、 腐蚀、钢级进行检测判定 在国内，合肥齐美检测设备有限公司研制出的钻杆检测系统运用漏磁与超声相结合 的技术，内外缺陷检测一次完成。多通道超声设备检测各点壁厚，探伤速度达到2 n l s 。 华中科技大学研制出d 汀t 系列的管、杆、绳自动检测线，采用远场磁场检测技术，综 合了漏磁通检测方法，实现裂纹、锈蚀、枰状磨损、壁厚减少等的综合检测。 1 3 漏磁无损检测技术的原理与研究现状 1 3 1 灞磁检测技术的原理及特点 漏磁法检测从磁粉检测中演变而来的，是建立在铁磁材料的高磁导率这一特性之 上。其基本原理是：被测材料在外加磁场作用下被磁化，当材料中无缺陷时，磁力线绝 大部分通过被测材科，磁力线均匀分布，无磁力线穿出或进入被测材料表面；当材料内部 有缺陷时，缺陷切割磁力线，由于缺陷的磁导率小，磁阻很大，使磁力线在被测材料中 改变路径大部分改变路径的磁通将优先从磁阻较小的缺陷底部的被测材料中通过，使 这部分被测材料趋于饱和，不能接受更多的磁力线此时，有一部分磁力线就会泄漏出 材料表面，当越过缺陷后进入被测材料中，因而形成缺陷漏磁场。用霍尔元件等磁敏元 件检测被磁化材料表面逸出的漏磁场，就可判断缺陷是否存在。同样尺寸的缺陷，位于 表面上和表面下形成的漏磁场不同。表面上缺陷产生的漏磁场大；缺陷在表面下时，形 成的漏磁场将显著变小所以，漏磁通法适用于各种铁磁材料，可以对裂纹、腐蚀等缺 陷进行检验，并可以判别缺陷的位置，且检测时不需要耦合剂，也不容易发生漏检【1 9 2 0 l 。 漏磁检测法的主要特点：( 1 ) 对各种损伤均具有较高的检测速度；( 2 ) 对铁磁性 材料表面、近表面、内部裂纹以及锈蚀等均可获得满意的检测效果；( 3 ) 探头装鼍结 构简单、易于实现、成本低且操作简单；( 4 ) 由于磁性的变化易于非接触测量和实现 沈阳工业大学硕士学位论文 在线实时检测，磁场信号不受被测材料表面污染状态的影响，进行检测时被测材料表面 就不需清洗，因此将大大提高检测的效率，减小工作量；( 5 ) 可以实现全自动化检测， 非常适合在流水线上进行质量检测和生产过程控制 1 3 2 国内外漏磁检测技术的研究现状 国外对漏磁探伤技术研究较早，自1 9 3 3 年z t 址唱初次提出用磁粉显示磁化刚 体上由缺骼产生的漏磁场这种测定方法以来，已有7 0 年的历史。但是直到1 9 4 7 年 晤吐n 擎设计了一套漏磁检测系统后，漏磁检测才得到了普遍承认【2 1 捌1 9 6 5 年，日 本株式会社和住友金属株式会社设计出记录式磁探伤机械装置1 9 6 6 年，前苏联的 s l l c h e r b i l i i n 和z a 船却l i n 提出了磁偶极子法，对磁场与缺陷的相互作用理论发展起到了 推动作用。该理论指出：铁磁材料磁化时，缺陷周围产生漏磁场，可以把缺陷两侧表面 看作两个磁极，用等效的磁偶极子来模拟，而各种表面缺陷可用三种磁偶极子模型来模 拟，并做了实验验证。后来奥斯顿( 伪v s “呲) ，高( k o ) 和弗兰西斯( f 瑚c i s ) 以及白 岩俊男，雄岛龙夫等人也采用类似的方法进行试验研究1 9 7 5 年h 、啪g 和l o m 首 先用有限元法对漏磁场进行了分析计算，第一次把材料内部磁导率与漏磁场的大小联系 了起来，并且分析了矩形槽深度、宽度、角度对漏磁场的影响有限元方法是从麦克斯 韦方程组出发，列出任一点磁矢方程，然后使用有限元分析技术，求出漏磁场的分布 1 9 8 6 年。翻伽| l d 和p a l m 盯对无限长表面开口裂纹进行了分析，得出了二维表达式； 对有限长表面开口的到了三维表达式，从他们的表达式中，也从侧面验证了h 1 瑚唱、 l o f d 的有限元计算的正确性网 我国的漏磁检测工作从文献上看始于7 0 年代后期，无论在研究还是在应用领域方 面都落后于欧美、日本等国家1 9 7 0 年，杨洗陈系统地介绍了国外漏磁场与缺陷相互 作用理论的研究进展状况；1 9 年，张济世采用有限元方法计算了方钢表面裂纹的漏 磁场：1 9 8 5 年，于轮元等采用有限元方法对表面和近表面缺陷的漏磁场进行了计算， 分析了缺陷形状参数对漏磁场的影响作用年代初，国家制定了第一个漏磁检测标 准，将漏磁检测纳入了标准检测行列近年来，在漏磁探伤和磁粉探伤原理方面，仲维 畅采用磁偶极子模型进行了大量计算，研究了无限长、有限长带偶极子的漏磁场分布， 一叮一 分析了漏磁场的x 分量、y 分量的等强度线，给出了偶极子场的图像，解释了磁粉在 缺陷处分布特点。 1 4 论文的主要工作 本文对钻杆漏磁无损检测系统进行了较为细致的研究分析。主要对以下几个问题进 行了分析： ( 1 ) 综合比较了国内外各种自动化钻杆无损检测系统的原理及实现方法，确定了 适合现场实际情况的检测方法以此为基础，研制了一套对于钻秆各种缺陷均能有效检 出的检测系统。 ( 2 ) 系统的研究了漏磁检测中的各种磁化方法及直流磁化线圈磁场的分布和计算。 提出选择材料的最佳磁化强度不能以起始磁化曲线为依据。 ( 3 ) 应用a n s y s 有限元仿真软件线圈磁场模型并进行了分析。通过对不同规格的 钻杆进行仿真分析，提出应用开路磁化曲线作为最佳磁化强度的选择依据。 ( 4 ) 应用f p g a 进行了钻杆横、纵向缺陷检测装置多路缺陷数据信号的数据采集 系统的设计。 一0 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 钻杆漏磁无损检测系统的方案设计 钻杆漏磁无损检测系统主要用于检测钻杆表面及近表面出现的裂纹、腐蚀、刺漏等 各种缺陷，以保证油田的安全生产。根据现场使用的实际情况，系统必须满足多规格、 高效和全面探伤的要求，并可以对钻杆出现的各种缺陷进行实时检测、分析和判断，从 而能够大幅度提高钻杆使用的安全性。钻杆漏磁检测系统要发挥漏磁检测的优点，做到 无损探伤的高速、准确度高和自动化其各组成部件都必须能做到运动统一、可靠、安 全、协调一致地完成钻杆的探伤全过程。本章确定了钻杆自动化无损检测系统所采用的 检测方法，并制定了相应的系统整体设计方案。 2 1 检测方法的确定 钻杆的缺陷检测可以有很多种方法，但每种检测方法都存在优缺点通常情况下， 检测方法的选择要综合考虑很多因素：如钻杆的缺陷形式，要求的检测效率和检测灵敏 度等等脚捌。因此，根据钻杆的实际使用及现场情况和各种检测方法的优缺点等因素综 合选择合适的检测方法是非常重要的。 由目前国内外钻杆检测系统选择的检测方法可以看出，绝大部分的整套检测设备都 采用探测钻杆表面缺陷的涡流法或漏磁法和探测内部缺陷的超声波检测法组合的方式， 这种组合方式可以有效地检测出钻杆中绝大部分缺陷。然而，由于超声波检测法速度上 的限制，适应不了钻杆高速检测的要求，也与漏磁或涡流探伤的速度无法匹配，因而通 常情况下采取了降低漏磁或涡流探伤的速度以便和超声波探伤工作步调一致的方法，使 得系统探伤速度和效率大大下降 在对大批量的旧钻杆统计中发现，钻杆的常见缺陷主要有裂纹、内外壁腐蚀、麻坑， 刺穿、孔洞、拉伤、切痕等闲造成这些缺陷的因素除了材料的局部组织不良之外，主 要是所工作的环境恶劣钻杆在井下承受着巨大的扭矩、压力，以及井液、泥浆的腐蚀 作用。而机械损伤主要是在运输和储存及钻杆下井过程中，由于工具的夹持过紧等引起 的压痕和工具划伤。根据钻杆的缺陷情况以及满足对钻杆高速、高效的检测要求，确定 用漏磁法进行检测之所以不用传统的漏磁与超声相结合的方式，是因为采用超声波探 伤的方法显然不太适合这种高速的检测要求，而且超声波探伤设备成本较高，维护起来 钻杆直流励磁漏磁检测技术的研究 也非常得不方便。 漏磁检测具有速度快、灵敏度高、穿透能力强和不受油水影响等特点，对钻杆外表 面和内表面缺陷的检测具有较好的灵敏度，且设备成本低、操作简单。采用漏磁方法作 为棒材的无损检测方法，其优点在于： ( 1 ) 用同一种检测方法可以做到同时对内外表面的无损探伤，从设备的角度考虑， 制造安装简单，操作方便，成本较低，且工人培训简单，易于掌握。 ( 2 ) 避免了常规检测系统两种检测方法综合使用的方式，极大地方便了设备日常 的维修和探头的更换。 ( 3 ) 由于采用了同一种检测方法，非常容易地实现了横向缺陷和纵向缺陷检测的 速度匹配。 2 2 检测方案的确定 由漏磁无损检测的机理可知，对于与磁场方向平行的缺陷( 如裂纹) ，在被测材料 表面并不会产生泄漏的磁通量。传感器也就无法检测到缺陷因而漏磁无损检测要实现 对钻杆的全面无损检测，必须使用横、纵向缺陷组合检测装置。横向缺陷检测装置主要 用于检测钻杆出现的横向裂纹及腐蚀坑和孔洞信号：纵向缺陷检测装置则用于检测钻杆 出现的纵向裂纹及相似缺陷。由于检测机理的限制，使得磁化方向和探头的运动方向相 对于缺陷的方向必须垂直，这样横向缺陷检测就可以有两种方案：一是磁化装置和检测 探头不动，钻杆直线前进的方式；二是钻杆不动，驱动磁化装置和探头沿钻杆直线前进 的方式。目前，国外的固定式钻杆检测装置都采用第一种方案。而只检测横向缺陷的车 载式和便携式检测设备大都采用第二种方案 对于纵向缺陷的检测目前有以下三种检测方案： ( 1 ) 探头旋转，钻杆直线前进此方案的优点是检测速度快，检测灵敏度高，整 体方案实拖较为方便。缺点是由于纵向缺陷检测探头贴合在前进的钻杆表面做非常稳定 的高速旋转，因而对整个旋转机械装置的设计、制造和安装精度和定心装置的设计及制 造等方面都提出了很高的要求。此外，在纵向缺陷检测装置中，由于检测探头在钻杆表 面的高速旋转，使得检测元件供电电流的输入和检测信号的输出需要采用特殊的传输方 沈阳工业大学硕士学位论文 式，这种传输方式要能够保证检测元件供电的稳定和微弱检测信号的无畸变输出。因此， 上面提到的各种问题是采用这种方案必须要解决的难点 ( 2 ) 钻杆不动，探头螺旋扫描。这种方案在机械结构方面实现起来比较复杂，原 因是要使检测装置在钻杆表面做螺旋状运动，运动的同时还要对棒材进行局部磁化，这 样必然使得实现机构的设计变得非常困难而且在检测过程中，由于钻杆较长( 9 5 m 左 右) ，探头在钻杆上往复运动，必然使得检测效率不高，难以实现高效自动化。这种检 测方案在高速钻杆检测系统中应用较少 ( 3 ) 探头不动，钻杆螺旋前进此方案与上面方案相比是采用钻杆旋转的方式 这种运动方式下，检测装置可以静止不动，这使得检测信号省去了耦合等复杂的传递过 程，避免了干扰的影响，而且检测探头对钻杆的随动性可以保持得很好。另外采用这种 运动方式可以使检测设备设计、安装及使用起来简单方便但缺点也是非常明显的因 为要使重量较大的钻杆旋转起来，所需的传动装置的驱动能力必须很高，而且钻杆旋转 不可能有较高的旋转速度，这样就降低了整个检测装置的检测效率 以上三种方案中国外的无损检测设备最常采用的是第一种。国内制造的一些钢管检 测设备采用的是第三种方案。 2 3 钻杆无损检测系统总体结构方案设计 由于钻杆的规格较多，目前工程中常用的有巾3 ，巾7 3 ，由8 8 9 ，巾1 0 1 6 ，由1 1 4 3 ， 巾1 2 7 ，由1 3 9 7 ，巾1 4 9 2 和由1 6 8 3 m m 等多种规格的钻杆。出于对系统总成本的考虑， 不可能为每一种规格的钻杆单独准备一套无损检测系统。因此，需要一台能够对多种规 格钻杆进行缺陷检测的漏磁无损检测系统这样，在设备制造、安装方面都得到了便利 但也存在很多难点： ( 1 ) 不l 司种规格的钻杆的质量跨度比较大，质量最大和最小的要相差几百千克 因此，设备驱动线的驱动能力要能满足多规格钻杆的驱动要求 ( 2 ) 由漏磁检测的原理决定，检测探头需要很好的贴在钻杆表面因而，对于不 同直径的钻杆，则需要更换探头，做到无缝隙覆盖检测。 ( 3 ) 不同直径的钻杆其管体的壁厚也不尽相同因此，同样也要保证能对每一种 规格的钻杆达到有效磁化 钻杆直流励磁漏磁检测技术的研究 2 3 1 钻杆检测的工艺流程 钻杆在进行无损探伤之前，还需要其它的工序配合，工艺流程如图2 1 所示。 使用过后的钻杆的外壁会存在一些淤泥，对检测效果不利。首先，对钻杆的表面进 行清洁处理，再经过矫直器对已弯曲的钻杆进行矫直处理。然后进入探伤系统进行检测。 对于存在缺陷的钻杆进行维修，无缺陷的钻杆则直接储存备用 圈2 1 钻杆检测工艺流程 f 嘻2 1 f l _ a wo f d f i np i p ci r i s p e c t i 2 3 2 系统整体结构说明 检测系统主要分为四个部分t 上料道、下料道、检测主体、计算机操作站。检测系 统的位置框图如图2 2 所示其中，上辩道主要是将钻杆平稳送入检测主体：下料道则 负责把检测完毕的钻秆送入分料架中检测主体是系统的核心部分，包括三个夹紧装置、 纵向缺陷检测装置、横向缺蹈检测装置、退磁装置。计算机检测及控制站包括探伤结果 显示和打印，以及强电部分的操作控制功能。对该系统需说明的有以下几点： ( 1 ) 计算机检测控制站位于检测装置的正前方，使得操作员可以监视系统各装置 特别是检测装置的运行情况，以便设备发生故障时紧急停止设备运行。 ( 2 ) 横向缺陷检测装置和纵向缺陷检测装置两侧分别布置了压紧装置，以保证检 测过程的稳定可靠。 ( 3 ) 由于系统检测时需对钻杆进行有效磁化，检测完成后钻杆不可避免地存在剩 磁。因此有必要在检测线上布置退磁装置对钻杆进行退磁磁处理 沈阳工业大学硕士学位论文 夹 紧 装 置 图2 2 检测系统位置框图 h g 2 2p o s i b 蛳d i 葺唧蛐o f i n s p t 蜘咖 系统的检测流程为：上料道将待检钻杆放置在传动线上，经过压紧装置后先后进入 纵横向缺陷检测装置进行检测。检测装置将检测到的信号经过放大、滤波和模数转换后 输入检测用计算机，计算机软件对检测信号进行实时曲线显示并分析处理当出现缺陷 信号后，计算机会自动记录其位置，检测完成后对整根钻杆中的缺陷进行定位并打印 系统实物图如图2 3 所示，包括上料道、检测主体、下料道三个部分 退磁装置 夹紧装置横向缺陷检测装置央紧装置 纵向缺陷检测装置 图2 3 检测系统实物图 一“一 沈阳工业大学硕士学位论文 3 钻杆横向缺陷漏磁检测方法的研究与实现 本章主要介绍横向缺陷漏磁检测的实现方法，包括磁化方式的选择、不同规格的钻 杆最佳磁化磁场的确定 3 1 磁化方式 在漏磁无损检测技术中，磁化是实现检测的第一步，它决定着被测材料中的缺陷能 否产生出足够的可被测量和可被分辨的磁场信号，同时也影响着检测信号的性能特性分 析和检测装置的结构特性被测对象的磁化由磁化装置实现，主要包括磁场源和磁回路 等几个主要部分。因此，针对被测对象结构特点和测量目的，选择磁场源和设计磁回路 是磁化装置设计的关键叨 3 1 1 磁化方式概述 磁化方式按所用励磁磁源分为下述几种： ( 1 ) 交流磁化 在被测材料中，交流磁场易产生集肤效应和涡流，且磁化的深度随电流频率的增高 而减小。因此在漏磁检测中这种磁化方法只能检测材料表面或近表层裂纹等缺陷。它的 优点是交流磁化强度容易控制，大功率5 旺匕交流电源易于获得，磁化装置结构简单， 成本低廉 ( 2 ) 直流磁化 直流磁化分为直流脉动电流磁化法和直流恒定电流磁化法。前者在电气实现上比后 者简单，一般用于剩余磁场检测法中被测材料的磁化，在有源磁场检测中，这一磁化方 式会在检测信号中产生很强的交流磁场信号，增加检测信号处理的复杂性，降低检测信 号的信噪比。直流恒定电流磁化法对电流源具有较高的要求，激励电流一般为几安培甚 至几十安培与交流磁化方式一样，直流磁化法磁化强度可通过控制电流的大小方便地 调节，但随着连续使用时间的加长，电磁铁的发热是难以避免的 ( 3 ) 永磁铁磁化 钻杆直流励磁漏磁检测技术的研究 永磁铁磁化以永久磁铁作为励磁源，它是一种不需电流源的磁化方式，与直流恒定 电流磁化方式具有相同的特性，但在磁化强度的调整上不及直流磁化方式方便，其磁化 强度一般通过磁路设计来保证。 在永磁磁化方式中。永久磁铁可以采用永磁铁氧体、铝镍钴永磁及稀土永磁等。永 磁铁氧体价格低廉，矫顽力高但剩磁低；铝镍钻永磁剩磁高但矫顽力低；稀土永磁价格 较贵，但矫顽力很大，剩磁较高，是永磁材料发展上的第三代材料。对于不同的永久磁 铁，在磁路设计上应根据各自的特性，充分发挥其优点，以使磁路达到最优。由于永久 磁铁，特别是稀土永磁具有磁能积高、体积小、重量轻及无需电源等特点，在漏磁检测 中已得到很好的应用。以永久磁铁为磁源的磁性检测装置具有使用方便、灵活、体积小 及重量轻等特点，所以永磁磁化方式是在线磁性检测设备中磁化被测材料的优选方式之 一嗍 3 1 2 磁化方式的确定 以上介绍的磁化方式各有优缺点，结合本钻杆漏磁检测系统的实际，考虑到各磁化 方式的特点和设备的简便性，选择了直流线圈励磁法系统采用了外接可调直流电源的 线圈励磁法，利用通入线圈中的直流电产生的磁场连续地对钻杆进行纵向磁化采用直 流励磁，一方面，可以克服交流励磁时的集肤效应影响；另一方面，可以通过调节励磁 电流很方便地将各种规格的钻杆磁化到饱和状态。也避免了永磁磁化方式下永磁铁安装 的不便。 通常情况下，线圈直流磁化有单线圈开路磁化、双线圈开路磁化和闭路磁化三种方 式，结构分别如图3 1 所示。图中3 1 a 所示为单线圈开路磁化方式，根据理论分析其 磁化场是中心最强而随着离开线圈端面距离的加大而迅速减弱，一般认为，对于长径比 较大的钢管进行磁化时，磁化有效区域为线圈两端面各沿轴向外延一个线圈半径或 2 0 0 m m 的距离。其特点是结构简单方便，励磁效果好；图中3 1 b 所示为双线圈开路磁 化方式，其结构上采用了两个磁化线圈。在两磁化线圈中通入方向相反的直流电，就可 以在两线圈中间形成近似均匀的磁场，检测时可将元件布置在两线圈的中心。其特点是 磁化和检测效果好，但检测盲区较大；图中3 1 c 所示即第三种方式为闭路磁化其产生 沈阳工业大学硕士学位论文 的磁场是在一个闭合的回路内，因此有很高的检测灵敏度。然而其磁化场随着磁极间距 的增大而迅速减弱，故不宜对较长对象进行探伤 a ) 圈 钻杆 图3 1 线暖纵向磁化方式 f 弛3 1 胁d eo f 砌戚mm 叼喇妇m 嘲 - ) 单线圈磁化b ) 双线圈磁化c ) 闭路磁化 丑) 妇培i e _ i lm 增删c b ) 曲u h i e 撕lm a 印c 吐cc ) c i e dm 鸭球! t i 砑l i o l l 由于要检测的钻杆规格跨度较大并且长度通常为9 5 m ，又要求有较小的检测盲区， 所以综合比较后选定第一种方式即单线圈开路磁化方式。采用此磁化方式设计的装置具 有结构简单，使用方便，磁化效果好的优点 3 2 线圈磁场的分布及计算 应用线圈对钻杆进行磁化，必须了解线圈内部磁场的分布规律根据分布规律设计 出合理的磁化装置。用载流导体产生的磁场，其磁场强度可以根据导体的几何尺寸和流 过导体的电流利用毕奥一萨瓦( b i o t - s a v 缸) 定律准确地进行计算圈 3 2 1 薄壁线圈磁场的计算 设线圈绕组壁厚为“平均半径为岛则绕组壁厚f 与平均半径皿。相比很小的线圈 称为薄壁线圈。单层螺线管就属于薄壁线圈。当r 口 p r e p r o c 髂s o r m a t c r i a l p r 叩s e i t n l 鸩u m t s 和u t i l 埘m 咖 w o r k p l a l o c a lc c 岍d i n 咖s y s t c m s q 龆t e 【麒粗c s a ts p e c 墒e dk 圮) 在a n s y s 软件中，坐标系可以涌来定义空间几何模型的深度和结构参数、设置节 点的自由度、定义材料特性方向，同时也可以改变图形的显示列表。在a n s y s 中可供 选择的坐标系主要有总体坐标系、局部坐标系、节点坐标系、单元坐标系、显示坐标系 和结果坐标系。 总体坐标系主要是用来确定几何模型的实际深度和模型的几何结构参数，在 a n s y s 8 0 中提供了三种坐标系可供选择：笛卡儿坐标系，柱坐标系和球坐标系，这三种 坐标系都是右手系，而且它们的原点也是重合的，总体坐标系是一个绝对参考系 由于很多有限元的分析模型结构复杂，因此在分析中需要添加一些辅助坐标系，这 种可以由用户定义的坐标系被称为局部坐标系。局部坐标系可以定义很多个，其原点与 总体坐标系也允许偏移一定的距离，它的方位也允许不同于总体坐标系局部坐标系可 以以当前定义的工作平面的原点为中心定义，也可以通过己有的关键点、节点或特殊点 来定义。局部坐标系包括有笛卡儿坐标系、柱坐标系、球坐标系和环坐标系四种类型， 其中环坐标系比较复杂，实际应用中一般不采用 1 ) 显示坐标系：在a n s y s 的前处理器中进行实体建模时，所建立的结构模型可以 在工作平面窗口中显示。在缺省配置的条件下，所建模型以笛卡几坐标系为总体坐标系， 用户可以根据需要改变显示坐标系 2 ) 节点坐标系：a n s y s 中的节点坐标系主要是用于定义节点的自由度方向，因此 每个节点都有自己的节点坐标系。在缺省配置下，节点坐标系与总体笛卡儿坐标系方向 沈阳工业大学硕士学位论文 相同，但是在实际中，用户有时需要施加与总体坐标