（机械制造及其自动化专业论文）基于多传感器融合的油管无损检测与缺陷量化技术研究.pdf

天津大学博士学位论文 中文摘要 油管缺陷的无损检测对保证采油作业的安全有着十分重要的意义 同时 油 管也是昂贵物 通过对油管无损检测和量化分析可以为采油安全和油管的再使用 提供依据 针对国内油管缺陷检测多数仍在定性研究 定量分析还处在探索阶段 的实际情况 本论文系统研究基于多传感器融合的油管无损检测及其缺陷量化 技术和检测系统 概括起来 本文主要研究成果及创造性研究如下 对油管典型缺陷进行分析和归纳总结 在油管上人工制做系列化典型缺陷样 本 通过实验对油管采用多传感器漏磁检测技术获取缺陷漏磁信号 用大量详实 的实验数据详细地分析并建立了缺陷漏磁信号与缺陷大小的关系模型 研究了缺陷漏磁检测的短时处理方法 油管漏磁信号是一种不平稳的随机 过程 其特性是随时间变化的 基于此 就可以将漏磁信号分成一些短段进行 处理 在分析和经过反复试验比较的基础上 提出并建立了一组基于多传感器 融合 能够反映缺陷大小的特征量 应用小波变换良 好的时频特性对油管缺陷检测信号进行了多分辨分析 通 过小波分解与重构有效地分离出偏磨产生的渐变信号和坑状缺陷产生的突变信 号 通过对各个传感器检测信号采用高频部分重构实现了去噪目的 提高了缺 陷 信号的信噪比 对采集记录的漏磁信号进行增强处理的方法 提高缺陷 信号 与背景信号的信噪比 效果明显并给出了相应实例 提出了基于多传感器融合的油管缺陷的定量分析理论与方法 对于不同的 缺陷采用不同的特征和融合算法 根据偏磨和坑状缺陷信号的特点采用硬件实 现偏磨和坑状缺陷的分离 采用插值方法定量分析偏磨大小 建立了基于特征 量和最小距离分类的模式识别方法实现裂纹和孔的分类 以及基于特征量和神 经网络数据融合算法实现裂纹和孔缺陷定量分析并给出分析结果 开发油管微机在线检测与数据分析系统 依据以上建立的缺陷漏磁模型和漏 磁信号的定量分析技术 借助计算机软硬件技术 开发的抽油管在线检测与数据 分析系统 在软件上 采用多线程编程技术实现数据采集 存储与实时声光报警 在硬件上使用u s b接口 技术实现信号数据的高速采集与即插即用功能 提高探 伤检测准确率和效率 同时完成缺陷的量化分析 关键词 油管 漏磁场 无损检测 多传感器融合 定量分析 天津大学博士学位论文 ab s t r a c t n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g o f o i l w e l l t u b i n g i s o f v it a l s i g n i fi c a n c e t o t h e s a f e t y o f o i l e x tr a c t i o n a t t h e s a m e t ime o i l w e l l t u b i n g i s v e r y e x p e n s iv e w h i l e a g u a r a n t e e c o u l d b e p r o v i d e d t o t h e s a f e t y o f o i l e x t r a c t i o n a n d t h e re u s in g o f o i l w e l l t u b i n g b y a m e t h o d o f n o n d e s t r u c t i v e t e s t in g a n d q u a n t i f i c a t i o n a l a n a l y s i s t o t h e d e f e c t s a i m i n g a t t h e f a c t t h a t d o m e s t i c re s e a r c h e s o f d e f e c t s d e t e c t i o n o n o i l w e l l t u b i n g 二 m o s t l y b y f a r q u a l i t a t i v e w h i l e t h e q u a n t i fi c a ti o n a l a n a ly s i s i s s t i l l o n i t s e a r ly s t a g e t h i s t h e s i s d e v e l o p s a m e t h o d a s w e ll a s a n i n s p e c t i o n s y s t e m o f n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g a n d q u a n t i t a t i v e r e c o g n i t i o n o f d e f e c t s o n o i l w e l l t u b i n g w h i c h i s b a s e d o n a m u l t i s e n s o r f u s i o n a l l in o n e t h e s p e c i f i c w o r k s f in i s h e d a n d m a in i n n o v a t iv e c o n t r i b u t i o n s o f t h i s d i s s e r t a t i o n a r e a s f o l l o ws t y p i c a l d e f e c t s o f o i l w e l l t u b i n g a n a l y z e d a n d c l a s s i f i e d a c c o r d i n g t o w h i c h a s e r i e s o f s a m p l e d e f e c t s a re d e s i g n e d a n d m a n u f a c t u r e d o n o i l w e l l t u b i n g b y e x p e r i m e n t s m a g n e t i c fl u x l e a k a g e s i g n a l s o f d e f e c t s a r e c o l l e c t e d w i t h a n a p p r o a c h o f m u lt i s e n s o r d e t e c t io n a n d t h e re l a t i o n m o d e l o f m a g n e t i c fl u x l e a k a g e s i g n a l s a n d t h e s i z e o f d e f e c t s i s d e v e l o p e d a n d a n a l y z e d a c c o r d i n g t o a l a r g e a m o u n t o f e x p e r im e n t a l d a t a m e t h o d o f s h o rt t i m e p r o c e s s i n g o f m a g n e t i c fl u x l e a k a g e d e t e c t io n i s a p p l i e d m a g n e t i c fl u x l e a k a g e s i g n a l s o f d e f e c ts o f o i l w e l l t u b i n g a r e u n e v e n a n d r a n d o m p r o c e s s e s t h u s t h e s i g n a l s c o u l d b e d i v i d e d i n t o a c e r t a i n a m o u n t o f s h o rt p a rt s t o b e p r o c e s s e d wit h t h e f o r w a r d a n a l y s i s a n d c o m p a r i s o n a g r o u p o f c h a r a c t e r i s t i c s r e fl e c t i n g t h e s i z e o f d e f e c t s a n d b a s e d o n m u l t i s e n s o r f u s i o n a re p r o p o s e d w i t h t h e g o o d t i m e 2 深圳巨 涛机械设备有限公司资助的 管道缺陷 漏磁检测数据分析系 统的 研 究 项目 3 郑州士奇测控技术有限公司资助的 油管微机在线实时探伤系统定量分析 改进 项目 1 1 2 课题研究背景与意义 石油在国民 经济中占有极为重要的战略地位 从地层中开采石油的方法可 分为两大类 一类是利用地层本身的能量来举升原油 称为自喷采油法 另一 类是由于地层本身能量不足 必须人为地用机械设备给井内液体补充能量才能 将原油举升到地面 称为人工举升采油法或机械采油法 目 前采用的机 械采油 方式有有杆泵 气举 电潜泵 水力活塞泵 螺杆泵等 而有杆泵采油方法迄 今在采油工程中一直占 首要地位 据1 9 8 9 年年底的统计 有杆抽油井在机械采 油井中所占的比 例 我国为9 1 美国为8 5 原苏联为7 5 左右 在我国各 油田的生产井中大约有8 0 是使用有杆抽油技术 全国各油田产油量的7 5 是靠 有杆抽油采出的 有杆抽油设备的能耗己占 油田 总能耗的三分之一左右 u例如 中 原 第三 采油 厂 共 有生 产 井4 1 5 口 其中 抽油 机 井3 6 7 口 占 生 产 井的8 8 4 z 1 p 抽油管又称油管 是采油作业中大量使用的采油设备之一 无论是 那种采 油方式 抽油管都是液体采出必经的通道 采油作业中常用的抽油杆和抽油管 均为钢性金属材料构成 它们在使用过程中也会发生疲劳 锈蚀 磨损甚至断 裂等现象 从而严重影响采油生产的正常 进行 甚至造成巨 大的经济损失 9 e 7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 课题来源 本论文课题的研究得到以 下科研项目的资助 1 天津市自 然基金委员会资助的重点基金项目 无缝钢管探伤理论及 在线诊 断 与智能 预 测技术 项目 编号 9 9 3 8 0 2 4 1 1 2 深圳巨 涛机械设备有限公司资助的 管道缺陷 漏磁检测数据分析系 统的 研 究 项目 3 郑州士奇测控技术有限公司资助的 油管微机在线实时探伤系统定量分析 改进 项目 1 1 2 课题研究背景与意义 石油在国民 经济中占有极为重要的战略地位 从地层中开采石油的方法可 分为两大类 一类是利用地层本身的能量来举升原油 称为自喷采油法 另一 类是由于地层本身能量不足 必须人为地用机械设备给井内液体补充能量才能 将原油举升到地面 称为人工举升采油法或机械采油法 目 前采用的机 械采油 方式有有杆泵 气举 电潜泵 水力活塞泵 螺杆泵等 而有杆泵采油方法迄 今在采油工程中一直占 首要地位 据1 9 8 9 年年底的统计 有杆抽油井在机械采 油井中所占的比 例 我国为9 1 美国为8 5 原苏联为7 5 左右 在我国各 油田的生产井中大约有8 0 是使用有杆抽油技术 全国各油田产油量的7 5 是靠 有杆抽油采出的 有杆抽油设备的能耗己占 油田 总能耗的三分之一左右 u例如 中 原 第三 采油 厂 共 有生 产 井4 1 5 口 其中 抽油 机 井3 6 7 口 占 生 产 井的8 8 4 z 1 p 抽油管又称油管 是采油作业中大量使用的采油设备之一 无论是 那种采 油方式 抽油管都是液体采出必经的通道 采油作业中常用的抽油杆和抽油管 均为钢性金属材料构成 它们在使用过程中也会发生疲劳 锈蚀 磨损甚至断 裂等现象 从而严重影响采油生产的正常 进行 甚至造成巨 大的经济损失 9 e 7 第一章绪论 一个问 题 油机井油管断裂 漏失近几年来呈上升趋势 例如文献 a l 指出 史南 油田1 9 9 8 2 0 0 0 年6 月份共进行油井维护作业6 8 井次 抽油杆断脱和油管漏失是 造成史南油田地区有杆泵免修期短的主要因素 通过对以上二项主要原因的进 一步分析后发现 抽油杆疲劳断裂占 8 4 3 脱扣占7 8 y o 抽油杆偏磨断裂占 的 3 9 0 4 8 5 油井中 存在偏磨现象 其中油管 抽油杆偏磨直接造成停产占 有杆泵维护作业的2 2 1 这主要包括 杆管偏磨造成抽油杆断脱7 井次 杆管 偏磨造成油管漏失8 井次 由以上分析可以看出 史南油田抽油杆使用存在的主 要问 题是抽油杆疲劳断裂和杆管偏磨损伤问 题 文献 a l 指出 在2 0 0 2 年至2 0 0 3 年 先后对四川某气矿的1 号井 2 号井 3 号井 4 号井 5 号井 6 号井 7 号井 和8 号井修井取出的腐蚀油管样品进行腐蚀检测和腐蚀评价 从腐蚀检测的结果 来看 这8 口 井中 属于腐蚀严重的 气井有3 口 属于中等腐蚀的气井有1 口 属 于腐蚀轻 微的 气井有4 口 文 献o f指出 在中 原 第三采油厂共 有生 产井4 1 5 口 其 中 抽油机井3 6 7 口 由于井斜 综合含水的上升和产出水的强腐蚀性 抽油机井 中油管与抽油杆的偏磨腐蚀现象日 趋严重 1 9 9 7 年偏磨腐蚀井1 6 4 口 偏磨腐蚀 井占 频繁作业井的7 4 占 抽油机生产井数的 4 4 7 9 o 因偏磨腐蚀而造成油井 检修作业的工作量占全年检修作业工作量总和的3 9 6 管 杆的使用寿命也 因偏磨而缩短了4 0 6 0 每年由于油管和抽油杆偏磨腐蚀造成的直接经济损 失近千万元 间接经济损失3 0 0 0 万元以上 偏磨已成为影响油田 正常生产的重 要因素之一 因此 在采油生产中 人们都一直在努力使油管延长其使用寿命 同时又要能够确保在油井检修时 能够检测出油管存在的各种缺陷 以便在其 发生断裂或漏油前及时将它们更换下来 于是 人们就开展了抽油杆和抽油管 检测原理和方法 检测技术和检测仪器的研究 并且随着采油工艺和检测技术 的不断发展 研究的深度和广度也在不断加强 在地面检修时 发现油管的主 要缺陷形式为油管磨损 腐蚀及疲劳破坏 抽油杆接箍及油管内壁的磨损 油 管内因 井液腐蚀对油管局部和质量不均处所产生的点蚀或片蚀等叫 石油工业是大量使用石油管的工业 石油管在石油工业中占有很重要的地 位 9 1 表现为 劝石油管用量大 花钱多 节约开支 降低成本的潜力巨大 油管的消耗 量可按每年钻井进尺量推算 根据我国具体情况 大体上每钻进l m 需要油管6 2 k g 其中油管1 0 k g 套管4 8 k g 近年来 我国 每年消耗油管约9 0 万吨 油气 输送管年需求量波动较大 平均每年3 0 万吨 大致上 我国 石油工业每年消耗 2 第一章绪论 石油管约1 2 0 万吨 耗资达1 0 0 亿元人民币 2 石油管失效损失巨大 其安全可靠性和使用寿命对石油工业关系重大 石油管工作条件恶劣 例如油管柱和套管柱通常要承受几百甚至上千大气压的 内压或外压 几百吨的拉伸载荷 还有温度及严酷的腐蚀介质的作用 油管柱 损坏有时会导致油井报废 石油管的 安全可靠性 使 用寿命和经济性对石油工 业关系重大 抽油杆 油管质量低劣将导致恶性事故 导致巨 大经济损失和严 重后果 而且 近年来 随着我国石油工业的快速发展 对抽油机井的抽油杆 抽油管的需求量与日 俱增 据统计 现在全国陆上石油每年约需油井管 杆9 0 万吨以上 迄今仍主要依靠进口 进口量约占总需求量9 0 以上 每年需花外 汇几亿美元 耗费石油工业总投资近1 5 而且由于抽油杆 油管多次重复使用 更换 新旧 程度 级别不一 部分抽油杆 油管己 存在缺陷 在修井作业过程 中 依靠人工挑选难以发现 使得断杆 断管事故频繁发生 为了防止有缺陷 的抽油杆 油管下井 减少断裂或漏油事故 在井口 作业时 对起 下的抽油 杆 油 管 进 行 检 测 是 很 有 意 义 的 r 2 m 29 3 7 抽油管是原油生产过程中下入井中并且可以起出的钢管柱 一组油管下井 使用要起出和下入十几次到几十次 它是出油出气 注水 注气 酸化等采油 采气作业 找漏 套管漏失 封堵 封堵水层 等井下作业的通道 抽油管在 工作时会承受拉伸 内压 压井作业中泥浆柱的外挤力和注水 注气 压裂 酸化等苛刻作业环境腐蚀介质的作用 因此在采油作业中 由于受温度和压力 等影响 在活塞效应 鼓胀效应 温度效应和螺旋弯曲效应的作用下 采油管 柱往往会产生平面正弦弯曲或空间螺旋弯曲 而在抽油泵作下冲程运动时 抽 油杆柱往往也会发生空间螺旋弯曲 如此抽油管和抽油杆的弯曲将导致油管内 壁和抽油杆自 身磨损 由于在作业的地面检修中经常发现接箍己严重磨损的抽 油杆 故可以进一步推断 与磨损抽油杆对应井深的油管内壁也一定会存在着 磨损问题 同时 油管还会受到井下介质的侵蚀 从而造成腐蚀伤痕 抽油管 的这种磨损和腐蚀日久将造成抽油管的应力不均乃至断裂 导致生产井不出油 停泵检修等巨大经济损失 即使有些新油管 由 于油管材质组织不良或由于生 产加工造成的微裂纹的存在 亦会导致完井后短期即发生油管断裂 生产油井 停产的严重后果 21 虽然每口油井的油管规格基本一致 而且油管的使用规程规定油管柱服役 一定时间后要定期更换 但是 油田生产现场情况复杂 油管的使用情况也十 3 第一章绪论 分混乱 每口 油井的油管有好有坏 在不知道每根管实际情况下 无法做到合 理更换 因此 为确保采油作业的安全 可靠 高效 正常的工作 对抽油管 的运行状况和其缺陷状况进行检测是必要的而且也是必须的 否则 哪怕一点 点小缺陷也将给抽油管的使用带来危险 甚至造成严重事故 近年来 随着检 测技术的发展 无论是石油专用管材制造厂商还是各油田维修与检测部门都清 楚地认识到 无损检测工作在保证获得良好的经济效益和竞争力方面 是不可 缺少的重要手段 本课题的目的在于针对油管存在缺陷而缺乏有效检测和缺陷定量分析手段 的现实 以及油管无损检测技术在理论和技术上存在的问题和实践中存在的困 难 从检测原理和方法的实践出发进行深入系统的理论分析与实验研究 并以 此为基础研制和开发实用的油管无损在线检测和定量分析系统 本课题的研究 具有重要的理论和实际意义 1 本研究面向工程应用 在天津市自 然基金委员会和企业资助下开展研究 工作 能够促进油管无损检测技术与装置的发展和完善 提高对油管缺陷的定 量分析能力 在实践上填补国内油管检测无量化分析的空白 并为其产业化铺 平道路 2 本研究成果推广 将产生巨大的经济效益 油管是比 较昂贵物品 之一 通过对油管缺陷的量化分析可以为油管的再使用提供依据 在油井检修时通过 在线检测和定量分析挑选出带有严重损伤的油管 有效地防止它的再次使用 尽量避免油管泄漏或断裂事故的发生 同时减少油管盲目的更换而造成的巨大 浪费 其经济效益和社会效益都是可观的 3 本研究在理论上将促进多传感器信息融合理论与技术 信号分析与处理 技术在无损检测中的应用和发展 4 无损检测的一个发展方向是缺陷识别的定量化分析 本课题的研究在理 论上可以进一步促进无损检侧中量化技术的研究和发展 1 2 油管无损检测技术的国内外研究现状 1 2 油管无损检测国内外研究现状 所谓无损检测 是在不损伤材料和使用的条件下 对材料或制件进行宏观 4 第一章绪论 分混乱 每口 油井的油管有好有坏 在不知道每根管实际情况下 无法做到合 理更换 因此 为确保采油作业的安全 可靠 高效 正常的工作 对抽油管 的运行状况和其缺陷状况进行检测是必要的而且也是必须的 否则 哪怕一点 点小缺陷也将给抽油管的使用带来危险 甚至造成严重事故 近年来 随着检 测技术的发展 无论是石油专用管材制造厂商还是各油田维修与检测部门都清 楚地认识到 无损检测工作在保证获得良好的经济效益和竞争力方面 是不可 缺少的重要手段 本课题的目的在于针对油管存在缺陷而缺乏有效检测和缺陷定量分析手段 的现实 以及油管无损检测技术在理论和技术上存在的问题和实践中存在的困 难 从检测原理和方法的实践出发进行深入系统的理论分析与实验研究 并以 此为基础研制和开发实用的油管无损在线检测和定量分析系统 本课题的研究 具有重要的理论和实际意义 1 本研究面向工程应用 在天津市自 然基金委员会和企业资助下开展研究 工作 能够促进油管无损检测技术与装置的发展和完善 提高对油管缺陷的定 量分析能力 在实践上填补国内油管检测无量化分析的空白 并为其产业化铺 平道路 2 本研究成果推广 将产生巨大的经济效益 油管是比 较昂贵物品 之一 通过对油管缺陷的量化分析可以为油管的再使用提供依据 在油井检修时通过 在线检测和定量分析挑选出带有严重损伤的油管 有效地防止它的再次使用 尽量避免油管泄漏或断裂事故的发生 同时减少油管盲目的更换而造成的巨大 浪费 其经济效益和社会效益都是可观的 3 本研究在理论上将促进多传感器信息融合理论与技术 信号分析与处理 技术在无损检测中的应用和发展 4 无损检测的一个发展方向是缺陷识别的定量化分析 本课题的研究在理 论上可以进一步促进无损检侧中量化技术的研究和发展 1 2 油管无损检测技术的国内外研究现状 1 2 油管无损检测国内外研究现状 所谓无损检测 是在不损伤材料和使用的条件下 对材料或制件进行宏观 4 第一章绪论 分混乱 每口 油井的油管有好有坏 在不知道每根管实际情况下 无法做到合 理更换 因此 为确保采油作业的安全 可靠 高效 正常的工作 对抽油管 的运行状况和其缺陷状况进行检测是必要的而且也是必须的 否则 哪怕一点 点小缺陷也将给抽油管的使用带来危险 甚至造成严重事故 近年来 随着检 测技术的发展 无论是石油专用管材制造厂商还是各油田维修与检测部门都清 楚地认识到 无损检测工作在保证获得良好的经济效益和竞争力方面 是不可 缺少的重要手段 本课题的目的在于针对油管存在缺陷而缺乏有效检测和缺陷定量分析手段 的现实 以及油管无损检测技术在理论和技术上存在的问题和实践中存在的困 难 从检测原理和方法的实践出发进行深入系统的理论分析与实验研究 并以 此为基础研制和开发实用的油管无损在线检测和定量分析系统 本课题的研究 具有重要的理论和实际意义 1 本研究面向工程应用 在天津市自 然基金委员会和企业资助下开展研究 工作 能够促进油管无损检测技术与装置的发展和完善 提高对油管缺陷的定 量分析能力 在实践上填补国内油管检测无量化分析的空白 并为其产业化铺 平道路 2 本研究成果推广 将产生巨大的经济效益 油管是比 较昂贵物品 之一 通过对油管缺陷的量化分析可以为油管的再使用提供依据 在油井检修时通过 在线检测和定量分析挑选出带有严重损伤的油管 有效地防止它的再次使用 尽量避免油管泄漏或断裂事故的发生 同时减少油管盲目的更换而造成的巨大 浪费 其经济效益和社会效益都是可观的 3 本研究在理论上将促进多传感器信息融合理论与技术 信号分析与处理 技术在无损检测中的应用和发展 4 无损检测的一个发展方向是缺陷识别的定量化分析 本课题的研究在理 论上可以进一步促进无损检侧中量化技术的研究和发展 1 2 油管无损检测技术的国内外研究现状 1 2 油管无损检测国内外研究现状 所谓无损检测 是在不损伤材料和使用的条件下 对材料或制件进行宏观 4 第一章绪论 缺陷检测 几何特性测量 化学成分 组织结构和力学性能变化的评定 并进 而就材料或制件对特定应用的适用性进行评价的一门科学 也就是说 它利用 材料内部结构的异常或缺陷的存在所引起的对热 声 光 电 磁等反映的变 化 评价结构异常和缺陷存在及其危害程度 11 0 1 无损检测一般有三种简称 即 n d t n d i 和n d e 它们分别是无损检测 n o n d e s 七 r u c t i v e t e s t i n g 无损检查 n o n d e s t r u c t i v e i n s p e c t i o n 及无损评价 n o n d e s t r u c 七 i v e e v a l u a t i o n 目 前大都称无损检测为n d t 实际上近年来已 逐步从n d t 和n d i 过渡到n d e 也 即用无损评价来代替无损检测和无损检查 目 前常用的 n d t方法除了 人工目 视 检测外 还有超声 射线 磁粉 漏磁 涡流 渗透 声发射 光学 微波 核磁共振及工业c t 等技术 2 0 世纪末是科学技术飞速发展的时代 微电 子技术 计算机技术以及数字信号处理技术等方面突破性的发展使人类进入了信息社 会 这些技术的发展 一方面 对传统的无损检测提出了许多苛刻的要求 另 一方面 也为无损检测技术的发展提供了强有力的技术基础 为了推进我国无 损检测事业的发展 必须搞好无损检测技术的研究和开发 这里所指的研究和 开发 包括与无损检测相关的基础研究和应用基础研究 针对某具体对象的无 损检测方法和技术的研究以及无损检测仪器器材和设备的研究和开发等 无损 检测是一门交叉性极强的涉及多种学科的综合学科和技术 它与其它学科和技 术的发展有十分紧密的关系 微电子技术 激光技术 电磁技术 材料科学技 术和计算机技术等都与无损检测密切相关 在这些学科中 对当前无损检测新 技术影响最大的莫 过于计算机技术 n o t 在目前的油管检测中 部分依靠人工挑选 主要是进行肉眼观测 结合有 关技术标准进行判断 符合报废标淮的油管列为报废油管 并按报废油管进行 处理 不符合报废标准的进行校直修复处理11 2 1 还有一部分采用检测仪器检测 常用的油管无损检测方法包括电磁 涡流 磁粉 超声 射线照相 渗透等 这些方法各有优缺点 和局限 性 例如 文献 1b 中 提出了 超声波测厚和内 窥观察 两种油管内壁损伤检测方案 研制了一套内窥式油管内壁损伤成像仪 但在高 速度 高可靠性 高效率方面 这些方法均存在不同的不足 从磁粉探伤演化 而来的漏磁无损检测方法是建立在如钢管 钢棒等铁磁性材料的高磁导率这一 特性上的 它通过拾取被磁化的钢管其缺陷处引起泄漏到外部的磁通信号 再 经信号处理装置得到与缺陷的形状有关的电信号的一种方法 该方法以其在线 检测能力强 自动化程度高 不受油泥污泥影响等独特优点而满足生产和实际 弓 第一章绪论 应用中快速性和在线检测的要求 使得漏磁检测成为应用最为广泛的一种检测 方法 特别是在油田 管道的检测中使用极为广泛 13 18 19 2 0 24 3 1 3 4 1 油管的漏磁探伤是近 加 年来国际上兴起的一种新的无损检测技术 由于漏 磁探伤设备系统复杂 加工制造工艺要求很高 检测信号处理和缺陷识别技术 复杂 所以目 前钢管漏磁探伤设备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 国内对漏磁探伤技术尚处于了解 认识 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 随着国内钢铁市场对产 品质量要求的不断提高以及出门钢铁产品的数量不断增加 对漏磁探伤设备的 需求也日 益增长 在这种情况下 系统地研究钢管漏滋探伤技术 并以此为依 据研制开发出 我国的油管漏磁探伤装置和设备就显得十分重要和紧迫 2 1 1 对抽油管及小径管的无损检测技术是在漏磁探伤基础上发展起来的 在国 外 同 类技术发展己有十多年 己 有多家公司提供系列产品 但因技术复杂 难度大 价格很高 不利于国内推广 并且尚有相当的技术难点 有待进一步 解决 国外开发此类技术的有p i p e t r o n i x 公司 拉赛尔公司 阿莫科研究中心 和日 本钢管公司 3 0 1 在国内 目 前也有许多单位对此进行了研究并取得了一些 成果 中国科学院金属腐蚀与防护研究所和塔里木石油勘探开发指挥部油气开 发公司合作 研究了评价油管腐蚀状况的挂片装置 这种挂片装置安全 简单 在塔里木轮南油田 进行了现场实验 获得了一些评价油管腐蚀状况的数据 但 该装置仅用于检测油管腐蚀状况且在靠近加重杆的挂片一面需涂上耐高温腐蚀 的 材 料 胜利油田 引进了一套t y m t 数字化油管无损检测仪 2 8 1 并使用引进t y m 7 数字化油管无损检测仪对临盘采油厂的商5 3 x 3 2 1 5 等7 0 多口 井进行了 检 测 累计检测油管9 6 8 7 根 检测出有缺陷的油管3 1 5 8 根 约占被检油管总数的 3 2 6 缺陷超标油管 指腐蚀坑深度超过2 2 a u n 或管壁偏磨超过2 5 的油 管 1 3 2 7 根 约占被检油管总数的1 3 7 油管漏磁现场无损检测装置采用漏磁 检测原理 油井作业时可不清除法管表面油污 在井口 对油管现场检测 文献 2 a 探讨了 利用漏磁检测技术实现采油油管高速无损探伤的 研究 由 这 项技术构成的高速探伤仪可以 通过计算机显示检测过程 显示伤信号数据 与此同时 华中科技大学都在吸收国内外先进技术的基础上不断研究 研 制了 初步具有自 动化水平的无损检测仪器 并取得了长足的进步 19 清华大学 在此也做了些相应的研究 在长输管道的检测方面沈阳工业大学 合肥工业大 6 第一章绪论 学也作了不少研究 我国油田的部分单位由于使用了对抽油管的检测设备 抽油管的断脱率减少 了1 0 以上 也减少了修井作业次数和费用 取得了较明显的经济效益和社会效 益 但目前已应用的此类检测仪器仍存在着计算机化水平较低 数据处理和缺 陷的定量分析能力严重不足 缺乏移动式检测设备等缺点 因此 油管无损检测的作用有了重要的变化 进入定量无损检测阶段 要求 是 1 检测方法和设备便于现场使用 2 有定量检测缺陷大小能力 3 具有符合使用要求的可靠性 1 2 2 漏磁信号分析技术 漏磁检测的理论研究一直是依据磁偶极子模型来解释和描述缺陷处形成漏 磁场 但它难以解决复杂形状缺陷漏磁场问题的求解 二是应用有限元方法来 研究磁场在缺陷处的分布特点和规律 可以给出缺陷在一定磁场作用下在空间 产生的漏磁场的大小 l o r d和 h w a n g f u 研究了 不同 形状 不同 倾角缺陷以 及裂 纹 深度和宽 度对漏磁场的 影响 a t h e r t o n 3 9 40 4 9 5 0 7 在管 道检测中 针对 特定检 测 装置研究了磁场分布和缺陷的漏磁场 并且得出了管道检测中缺陷漏磁场信号 与缺陷大小的关系 美国 i o w a s t a t e u n i v e r s i t y的l i m j a e i n 7 等人 对缺陷 漏磁场模型进行分析 利用小波神经网络方法建立分析模型 对天然气运输管 道缺陷几何外形进行仿真模拟 清华大学李路明 4 2 7 等人应用有限元研究了 矩形 槽缺陷宽度变化时对漏磁场垂直分量的分布规律 提出了如何利用检测到的 y 分量获取裂纹宽度信息的方法 从当前对缺陷外形尺寸和漏磁场分量 或缺陷 信号 之间关系的研究来看 得出如下结论 在一定缺陷宽度范围内 漏磁场 的幅度与缺陷的深度成近似的线性正比关系 通过与标准缺陷的信号进行比较 可以通过缺陷信号的持续长度来判断缺陷的长度 通过缺陷信号的幅值 a m p l i t u d e 来判断缺陷的 深度 通过缺陷所覆盖传感器的空间 分布来确定缺陷 的宽度 但这些分析是针对缺陷 某一个因素与其漏磁信号的关系或仅考虑理想 情况下 而实际上缺陷的各个因素对其漏磁信号的影响是相互交叉的 因此建 立二者的关系必须同时考虑多种因素 例如漏磁场分量的幅值要受缺陷长 宽 深的影响 从漏磁信号和缺陷外形尺寸之间的关系来说是非线性的 存在复杂 多变量函数关系 对缺陷尺寸和缺陷外形的确定仍然有很多问题需要解决 尤 第一章绪论 学也作了不少研究 我国油田的部分单位由于使用了对抽油管的检测设备 抽油管的断脱率减少 了1 0 以上 也减少了修井作业次数和费用 取得了较明显的经济效益和社会效 益 但目前已应用的此类检测仪器仍存在着计算机化水平较低 数据处理和缺 陷的定量分析能力严重不足 缺乏移动式检测设备等缺点 因此 油管无损检测的作用有了重要的变化 进入定量无损检测阶段 要求 是 1 检测方法和设备便于现场使用 2 有定量检测缺陷大小能力 3 具有符合使用要求的可靠性 1 2 2 漏磁信号分析技术 漏磁检测的理论研究一直是依据磁偶极子模型来解释和描述缺陷处形成漏 磁场 但它难以解决复杂形状缺陷漏磁场问题的求解 二是应用有限元方法来 研究磁场在缺陷处的分布特点和规律 可以给出缺陷在一定磁场作用下在空间 产生的漏磁场的大小 l o r d和 h w a n g f u 研究了 不同 形状 不同 倾角缺陷以 及裂 纹 深度和宽 度对漏磁场的 影响 a t h e r t o n 3 9 40 4 9 5 0 7 在管 道检测中 针对 特定检 测 装置研究了磁场分布和缺陷的漏磁场 并且得出了管道检测中缺陷漏磁场信号 与缺陷大小的关系 美国 i o w a s t a t e u n i v e r s i t y的l i m j a e i n 7 等人 对缺陷 漏磁场模型进行分析 利用小波神经网络方法建立分析模型 对天然气运输管 道缺陷几何外形进行仿真模拟 清华大学李路明 4 2 7 等人应用有限元研究了 矩形 槽缺陷宽度变化时对漏磁场垂直分量的分布规律 提出了如何利用检测到的 y 分量获取裂纹宽度信息的方法 从当前对缺陷外形尺寸和漏磁场分量 或缺陷 信号 之间关系的研究来看 得出如下结论 在一定缺陷宽度范围内 漏磁场 的幅度与缺陷的深度成近似的线性正比关系 通过与标准缺陷的信号进行比较 可以通过缺陷信号的持续长度来判断缺陷的长度 通过缺陷信号的幅值 a m p l i t u d e 来判断缺陷的 深度 通过缺陷所覆盖传感器的空间 分布来确定缺陷 的宽度 但这些分析是针对缺陷 某一个因素与其漏磁信号的关系或仅考虑理想 情况下 而实际上缺陷的各个因素对其漏磁信号的影响是相互交叉的 因此建 立二者的关系必须同时考虑多种因素 例如漏磁场分量的幅值要受缺陷长 宽 深的影响 从漏磁信号和缺陷外形尺寸之间的关系来说是非线性的 存在复杂 多变量函数关系 对缺陷尺寸和缺陷外形的确定仍然有很多问题需要解决 尤 第一章绪论 其是定量分析和评价缺陷外形参数的精度方面还有待进一步提高 在钢管漏磁检测的实践研究中 一般通过线圈切割或者霍尔元件直接感应 漏磁通的法向分量或切向分量而间接获得钢管的漏磁信号 继而对漏磁信号进行 分析和识别 分析的方法一种是模板匹配法 通过建立数据库将大量的各种常见 缺陷和人工制作的样本缺陷信号提取特征 进行记录形成特征数据库 实际检测 到的缺陷信号提取特征后与特征库进行对比 依据模板匹配算法来决定缺陷种类 和有关参数 5 5j 另一种方法是依据特征提取算法来预测缺陷的不同类型和一些特 征参数 4 1 4 5 45 1 这种方法属于统计方法的范畴 也需要大量的数据 对缺陷的 外 形描述简单 对一些标准缺陷应用较成功 目 前国外对此研究较多 也得出不少 有用的结论 而国内 对此研究较少 在多数情况下 缺陷外形复杂 要依据完整 有效的特征提取算法来推测缺陷的轮廓参数 缺陷参数的评价是特征选择和提取 问题 从当前研究来看 特征提取一直是个难点 没有统一有效的算法和手段 对不同的漏磁检测现象多数是在尝试 合肥工业大学何辅云等人利用漏磁检测技 术对石油管道进行高速检测 m 华中科技大学针对钢丝绳无损检测仪器中的一些 算法进行探讨 得出 一些信号处理特征提取的结论 4 53 如 用于定量分析的差分 超限数 绝对峰值 峰峰值 自 适应门限调整等 如何从时域 频域 时频域对 缺陷漏磁信号获得有效的特征提取 还有很多方面值得探讨 从大量此类研究的 情况来看 将特征提取方法与非线性等方法结合实现缺陷识别是可行的 但关键 是要针对不同情况研究出有效的特征提取方法 而且用于真实缺陷的识别分类还 需要较为复杂的神经网 络 随着模式识别理论和缺陷特征提取方法研究的不断进 展 这方面工作将会取得较大的突破 从当前对漏磁检测及信号处理的研究和应用来看 国外一些国家研究较早 在深入理论研究的同时展开实验研究 将该技术应用到生产实际中并取得一定的 效果 应用有限元等数值分析方法对缺陷漏磁场进行模拟 通过实验对矩形槽 半圆形 凹坑等缺陷漏磁场和漏磁信号进行定量分析研究并得出一些结论 应用 计算机和人工智能技术模拟典型规则缺陷的三维图形构建 在国内 理论和实验 研究目 前也正在展开 漏磁场的研究 缺陷的定量分析以及应用新的方法研究漏 磁检测都还未取得实用效果 一些结论还处在探索阶段 整个漏磁检测技术的发 展与国外相比还有一段距离 综上所述 漏磁信号时频域分析和处理 信号特征 提取 缺陷漏磁信号反演缺陷外形等在漏磁检测领域还没有形成系统的方法和技 术 当前漏磁检测还有很多问题和技术有待研究和实现 尤其是国内在应用新的 吕 第一章绪论 理论方法 现代数字信号处理技术 小波分析 神经网络 模糊识别等 到漏磁 检测方面还没有实现 对抽油管的漏磁检测方面 文献 18 16 1 等论述油管漏磁现场无损检测装置的 研制方法 其常见的有四个或8 个传感器 用于油管的漏磁信号的采集与显示 基本上只能定性检测 没有论述定量分析 文献 19 对油管损伤在线检测及缺陷 量化技术作了一定程度的研究 把油管缺陷分成两类进行讨论 局部损伤和偏 磨 但在局部损伤缺陷量化时过于简化 把坑状缺陷归一为 1 4 l 0的 孔 采用模糊聚类分成 t o 等级 但坑状缺陷不仅形状复杂 而且实际上缺陷中通 孔较少 文献 3 5 8 5 9 7 5 1 1 分别针对某些类型缺陷 论 述了 一些相应的 算 法 研究的 比较零散且不够深入 而且这些文献中较少考虑各种现场极易出现的干扰因 素 如多个h a l l 元件的并不完全一样等 另外把多传感器的油管检测信号转 变为图像 研究缺陷漏磁检测的图 像处理技术和方法基本没有提及 有待进一 步研究 1 2 3 漏磁检测信号处理及缺陷识别技术 油管的漏磁信号由传感器 探头检测线圈 霍尔元件等磁敏元件 输出 经过放大 滤波等电路处理 再由 a d转化而得到 油管无损检测评估的目 的 就是判断是否有缺陷以及给出缺陷的位置 形状和大小等特征 缺陷的高灵敏 度检测技术是检测 判断缺陷的关键技术 它包含探头结构的设计和探头输出 信号的处理等两方面 从检测探头输出的 信号难免带有噪声 尤其是在探头的 结构相对于缺陷的形状不太合理或在出 现某种异常情况时 因此必须利用信号 处理的方法 从中提取缺陷的信息 近年来 随着无损检测技术的发展 除了 新的检侧方法的出现和利用外 更重要的一方面就是 利用现代数字信号处理等技术对信号中缺陷信息 加以 有 效利用 它能有效的挖掘出检测信号中 蕴含的丰富信息 以 较低的成本换取最 大的收益 因此倍受人们的关注 基于现代信号分析理论和方法 开展对抽油 杆 管缺陷检测中缺陷定量智能化方法的 研究是很重要而且很必要的 它不仅 是一种辅助技术 而且还是现有检测非常必要的 有用的延伸 现代信号处理 技术 人工智能和信息技术的结合 为油管缺陷的智能评估提供了新的 重要 的工具和手段 由于当前新技术发展最快的正是信息处理技术 因此无损检测仪器的检测 信号的处理也随之得到了较快的发展 多传感器融合技术 小波分析技术 人 第一章绪论 理论方法 现代数字信号处理技术 小波分析 神经网络 模糊识别等 到漏磁 检测方面还没有实现 对抽油管的漏磁检测方面 文献 18 16 1 等论述油管漏磁现场无损检测装置的 研制方法 其常见的有四个或8 个传感器 用于油管的漏磁信号的采集与显示 基本上只能定性检测 没有论述定量分析 文献 19 对油管损伤在线检测及缺陷 量化技术作了一定程度的研究 把油管缺陷分成两类进行讨论 局部损伤和偏 磨 但在局部损伤缺陷量化时过于简化 把坑状缺陷归一为 1 4 l 0的 孔 采用模糊聚类分成 t o 等级 但坑状缺陷不仅形状复杂 而且实际上缺陷中通 孔较少 文献 3 5 8 5 9 7 5 1 1 分别针对某些类型缺陷 论 述了 一些相应的 算 法 研究的 比较零散且不够深入 而且这些文献中较少考虑各种现场极易出现的干扰因 素 如多个h a l l 元件的并不完全一样等 另外把多传感器的油管检测信号转 变为图像 研究缺陷漏磁检测的图 像处理技术和方法基本没有提及 有待进一 步研究 1 2 3 漏磁检测信号处理及缺陷识别技术 油管的漏磁信号由传感器 探头检测线圈 霍尔元件等磁敏元件 输出 经过放大 滤波等电路处理 再由 a d转化而得到 油管无损检测评估的目 的 就是判断是否有缺陷以及给出缺陷的位置 形状和大小等特征 缺陷的高灵敏 度检测技术是检测 判断缺陷的关键技术 它包含探头结构的设计和探头输出 信号的处理等两方面 从检测探头输出的 信号难免带有噪声 尤其是在探头的 结构相对于缺陷的形状不太合理或在出 现某种异常情况时 因此必须利用信号 处理的方法 从中提取缺陷的信息 近年来 随着无损检测技术的发展 除了 新的检侧方法的出现和利用外 更重要的一方面就是 利用现代数字信号处理等技术对信号中缺陷信息 加以 有 效利用 它能有效的挖掘出检测信号中 蕴含的丰富信息 以 较低的成本换取最 大的收益 因此倍受人们的关注 基于现代信号分析理论和方法 开展对抽油 杆 管缺陷检测中缺陷定量智能化方法的 研究是很重要而且很必要的 它不仅 是一种辅助技术 而且还是现有检测非常必要的 有用的延伸 现代信号处理 技术 人工智能和信息技术的结合 为油管缺陷的智能评估提供了新的 重要 的工具和手段 由于当前新技术发展最快的正是信息处理技术 因此无损检测仪器的检测 信号的处理也随之得到了较快的发展 多传感器融合技术 小波分析技术 人 第一章绪论 工神经网络技术等多种信号处理方法的应用 能有效的提取出缺陷信号特征 可提高检测灵敏度和对缺陷的识别能力 在信噪比较低的情况下亦能获得较好 的结果 小波变换作为从傅立叶变换演变而来的一种新的信号分析工具 6 7 1 近年来 正在受到普遍关注 实际中 对于一些常见的非平稳信号 如语音信号 在不 同时间对应不同音节 油管缺陷信号 在缺陷出现的位置对应一个漏磁信号等 它们的时域特性都随时间而变化 因此也可称它们为时变信号 对这一类时变 信号进行分析 通常需要提取某一时间段的时域信息或某一频率段所对应的时 间信息 具有一定的时间和频率分辨率的小波变换来分析时变信号 利用小波 分析可以 有效的实现缺陷类型的特征提取 小波变换能把信号分解到一系列对 数意义上等宽的频带上 根据缺陷信号的频谱特征 特征信息的小波局部极大 值在时间一尺度平面上具有沿尺度传播的特性 大量的实验表明 小波分解后 的离散细节对不同缺陷类型的信号变化比较敏感 而且 作为一种时频分析工 具 小波变换能够保留信号的时间信息 这就非常有利于在时间轴的