利用霍尔元件进行油管探伤

利用霍尔元件进行油管探伤长江大学机械工程学院材料11001班摘要：在现代科技发展的过程中，大型设备的使用、维护、检测当然是必不可少的，为了保证工作以及人身的安全性，检测设备的好坏性也便成为了重中之重。下面就现行的石油钻井设备油管的检测技术作一个简要的说明，霍尔元件的运用越来越广泛，利用霍尔元件（霍尔传感器）对油管进行无损探伤成为了一大趋势，我们根据无损探伤的原理，在理论的基础上探讨了霍尔元件的原理、使用方法、应用实例、信号采集与处理以及一些使用过程中的改进方案。关键词：霍尔元件 油管 检测 无损探伤 Oil pipe inspection using Holzer elementAbstract: In the process of the development of modern science and technology, the use of large equipment, maintenance, detection is of course essential, in order to ensure the safety of work and personal, quality detection equipment has become the priority among priorities. Following a brief description on the detection technology of oil drilling equipment - tube current, Holzer element is used more and more widely, the Holzer element (Holzer sensor) for the non-destructive testing has become a major trend of the oil pipe, we according to the principle of nondestructive flaw detection, based on the theory of principle, Holzer element method of use, application examples, the signal acquisition and processing and use process improvement program.Keywords: Holzer components Tubing Inspection NDT引言 油管是原油生产过程中下入井中并且可以起出的钢柱管，它是出油气、注水、注气、压裂、酸化等采油采气作业、找漏（套管漏失）、找串（固井串槽）、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、压裂酸化等恶劣的作业工作环境，有关表面受到腐蚀也是在所难免的，同时在采油作业中，由于受到温度和压力等影响，在活塞效应、膨胀效应、温度效应以及螺旋弯曲效应的的作用下，采油管往往会发生空间平面正弯曲或空间螺旋弯曲1 ，如此，对于油管的缺陷检测变得至关重要。无损检测的方法有射线检测法、x射线检测法、磁粉探伤法、渗透检测法、微波检测法、超声检测法、涡流检测法、漏磁检测法等，在本次论文中是利用霍尔元件进行油管的无损探伤，看重的是霍尔效应安全、可靠、精确等优点，不同于其他的缺陷检测方法是，霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，同时测量检测精准，因此而被广泛的利用，因此可以将其应用在油管的无损检测中，因其体积小还可以进行跟踪监测，将其数据传送进计算机得到准确而快速的分析，从而得到相应的设备操作处理。1.霍尔传感器简介1.1霍尔传感器定义及其特点 霍尔传感器是一种磁电式传感器，是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。具有结构简单，结构牢固，体积小、重量轻、寿命长、噪声小、安装方便、功耗小、频率范围宽（直流到微波），动态范围大（输出电动势变化范围可达1000:1）2，对灰尘、油污、水汽及烟雾不敏感等优点。1.2霍尔元件基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔片是一块单晶薄片（一般为（4*2*0.1）mm3）在它的长度方向两端面上焊有a,b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧断面的中间以点的形式对称的焊接有c,d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔点极，霍尔元件壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装的。下面给出几幅霍尔元件封装图： (a) (b) (c) (d)（注：以上四幅封装图来自百度图片资源）1.3霍尔效应原理及其原理图1.3.1霍尔效应原理图： (e) (f)图（e）（f） 霍尔效应原理图1.3.2霍尔效应定义如上霍尔效应原理图所示，霍尔元件长为l,宽为b,厚为d,从左到右通以大小为I的电流，在垂直于霍尔元件平面通以大小为B，方向向上的磁场，电荷在洛伦兹力的作用下向前后两面运动，直至前后两面电荷达到平衡，由此前后两面便产生了电动势，之一现象便称之为霍尔效应，相应的电动势称为霍尔电势。1.3.3霍尔效应原理实验表明，在磁场不太强时，电位差与电流强度I和磁感应强度B成正比，与板的厚度d成反比，即 （1）或 （2）式（1）中称为霍尔系数，式（2）中称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv / (mAT)。产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载流子（N型半导体中的载流子是带负电荷的电子，P型半导体中的载流子是带正电荷的空穴）在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的。当电场作用在运动电子上的力FE与洛伦兹力F相等时，电子的累积便达到动态平衡，这是便在前后两面间产生的霍尔电势大小为：VH=KBIBsin （3）式中KB 霍尔常数（取决于材质、温度和元件尺寸） B -磁感应强度 -电流与磁场方向的夹角2.油管特性2.1油管选材：2.1.1油管选材依据：材料的选择依据主要有:，油管的性能、，油管的工作环境、，经济指标、，安全因素、，制造工艺等方面从油管的性能来看，油管主要的功能就是耐油，所以，对材料组成部分的耐油材质是个重点。质量上一定要把握好。油管中，也有高压油管系列，就是我们常说中的高压胶管。对压力有要求，所以，作为压力的承载层钢丝增强层。钢丝材质这块必须要选好。从油管的工作环境，有在露天环境，机械设备上，地表上等等，综合考虑到这些因素，选材质上要考虑到抗老化，耐磨等特性。从油管经济指标来看，要经济性，就是少用钱，多出产值。一定要考虑材质的稳定性能，配方的合理性，配方材质的性价比。从油管安全因素考虑，要考虑到油管的正常工作环境所需要的要求，考虑到抗静电，阻燃，正常的耐压作用。涉及到这方面的材质，要选好，有些多方面要求都涉及的重要性材质， 更是重点对待。从油管的制造工艺来看，主要考虑到制造经济性，产品稳定性和持续生产工作的可行性。材质上尽量满足生产要求。2.1.2材料选择：在钻井过程中油管需要承受高温高压的工作环境，因此在选材的过程中需要采用具有高硬度高强度高韧性耐压耐高温耐腐蚀的等性能的材料，选用SUS316号钢，此不锈钢标记采用美国牌号，按成分分属于Cr-Ni系列，其耐蚀性和高温强度特别好，可在苛刻的条件下使用，加工硬性好无磁性，适于海水用设备，加上其具有不锈钢的一系列优良性能，可得出选用此种材料可以满足要求。3.无损探伤3.1无损探伤流程图 (g)3.2无损探伤原理图 （h） (i)(a) 元件无缺陷 (b) 元件有缺陷如上图所示：霍尔元件无损探伤原理是建立在铁磁性材料的高磁导率这一特性之上，铁磁性材料在外加磁场的作用下被磁化，通过测量铁磁性材料外是否由于缺陷所引起的磁导率变化（漏磁现象）来检查缺陷，当元件不存在缺陷时，油管中的磁场线均匀分布，不存在有漏磁现象，如图（c），也就是说放在管道外的霍尔元件中没有磁场线通过，即无法产生霍尔电势，将其与计算机连接，无法在计算机上观察到波形；当元件存在缺陷时，存在漏磁现象，如图（b），放在油管外的霍尔元件探头中有磁场线通过，便在霍尔元件两端产生霍尔电势，将其连接到计算机上就可以观察到波形的变化。大量实验表明：漏磁通的强度与缺陷的大小成正比，根据式（3）知漏磁场的大小B与霍尔电势大小成正比，由此可得出油管缺陷的大小与霍尔电势的大小成正比，所以可以从输出的波形的变化大小分析出缺陷的大小，从下图中可以直观的看出缺陷的大小比较关系： （j）4.油管的进出检测设计4.1此设计想法由来本次论文主题是利用霍尔元件进行油管的无损探伤，在现阶段这种检测方法已经得到了普遍的应用，由此现在这个基础上将此种无损探伤方法加以一些改进。石油钻采技术在某种程度上已经得到了很大的发展，但对于抽油管而言，它的检测是非常的重要，其是否损坏直接影响到采油的效率和危害到工作人员的人身安全，因此对它的全方位检测变得更为重要，由此便有了油管进出监测的设计思想。排除其他的干扰因素，就单根油管而言，要对其进行全方位无损探伤，这个过程需要很长的时间，浪费财力与物力，想到如果能够每次进油管和出油管对其进行监测，并将检测得到的信息输入到计算机，就能够实时的得到正在进行工作的油管的安全以及损坏情况，这对于采油效率有了很大的提高，由此便有了此种设计理念。4.2简单介绍在每次实行进油管和出油管的预备过程中，可以利用这一段时间对油管进行一次相对而言还是比较全面的检测，在此时进行无损检测有一些优点，在进油管和出油管的这两个过程中，油管下降的速度和旋转的速度都比较低，故在检测的过程得到的数据的精度越高，检测的越准确，同时在此两个过程中受外界干扰的因素很少等等。4.3外观示意图由于此次设计仅限于提出此种设想，而并不能在一个很短的时间能将其设计出来，故在此先给出它的设计示意图，至于具体尺寸另行给定，在此两幅设计示意图上，可以看到在油管的周围一定距离处安放了4个霍尔元件探测器，在一定的距离内可以检测到油管因损坏而产生的漏磁感线，为了更为精确的检测其是否因为现将速度过快或是旋转速度过高而导致一些不易发现的损伤，我们在这一基础上安装了两排4个一组的霍尔元件探测器，具体情况如下图所示： （k） (l)其中图（f）表示为俯视图 图 (g) 表示主视图和左视图（注：由于此图为示意图，存在主俯左视图之名，但不存在尺寸的约束，所以上方的图中尺寸并不重要，仅供参考而已。）5结论结论一：当然利用霍尔元件探测器进行无损探伤的方法也有一定的局限性，它仅限于对磁导体材料物体进行此类无损探伤，因为霍尔元件无损探伤原理是建立在铁磁性材料的高磁导率这一特性之上，同时它还主要用于圆截面类的物体检测，而对于非圆截面物体而言，其检测结果在一定的区域内并非是真实显示的，现在就对矩形横截面的管道进行霍尔元件无损探伤为例来加以说明。实验的基本原理，两者基本一样，示意图如下图所示： （m） (n)以上两幅图，表示非圆柱截面下的霍尔探测器安装示意图，原理几乎一样，但由图可以看出进行此种无损探伤检测是不合理的，不合理之处在于，见下图所示： （o）由上图1、2、3可知对于这三个地方而言，用同一个霍尔元件检测到的磁通量必定不一样，所以对这三处的检测缺少统一性，不能进行统一检测。结论二：漏磁通的强度与缺陷的大小成正比，根据式（3）知漏磁场的大小B与霍尔电势大小成正比，由此可得出油管缺陷的大小与霍尔电势的大小成正比，所以可以从输出的波形的变化大小分析出缺陷的大小。6总结在此次论文设计中，我主要研究如何利用霍尔元件探测器实现油管壁缺陷的检测，通过对霍尔元件、霍尔效应的原理、特征的详细讨论，我能够更深入的了解这一无损探伤的工作原理，同时在现代采油业的发展过程中，这一无损检测方法对于油管的检测有着很大的帮助，由于输油管道长期使用中易产生腐蚀、裂纹等缺陷，也容易受到地基