石油钻杆漏磁检测技术

石油钻杆漏磁检测技术陈先富安东石油技术（集团）有限公司北京100102摘要：介绍采用直流局部磁化的石油钻杆的漏磁检测技术，进行基本原理讨论、试验数据分析等，说明此技术在石油钻杆和粗糙表面的管材、钢棒等方面具有高灵敏度、检测能力强和信号处理简单等优点，有较强的实用性。关键词：石油钻杆漏磁原理检测技术DrillPipeMagneticLeakageInspectionTechnologyChengXianfuAntonOilfieldServices（Group）Ltd.Beijing100102Abstract:Basedonintroducingdirectcurrentpartialmagnetizationinspectiontechnology,discussingbasicmagneticleakageprincipleandanalyzinginspectiondata,thepaperilluminatestheadvantagesoftheMagneticLeakageInspectionTechnologywhichisappliedontheinspectionofdrillpipeandtubeorridwithroughsurface.Itsgoodperformancelikehighsensitive,stronginspectionpowerandsimplesignaltreatment,makesitwidelyusedinmanyfields.Keyword:drillpipe,principleofmagneticleakage,inspectiontechnology石油钻杆在油田钻井工程中，是地面旋转系统、提升系统、循环系统与钻铤、钻头联接的主要部件，通过它们达到转盘带动钻头旋转，大钩带动钻头升降，泥浆送到井底形成循环，从而实现钻头的破碎岩层并连续钻进。正常钻进时，石油钻杆在井下要承受拉伸、压缩、扭曲和泥浆酸化等复杂交变应力，工作条件极为恶劣，随着工作频率的增大，使用时间过长，将形成疲劳裂纹，严重腐蚀坑等，因此，石油钻杆能否正常、安全的工作，是油田钻井工程能否正常进行的关键之一，在钻井工程生产中具有至关重要的地位。针对石油钻杆运用漏磁检测技术对其进行检测，其方法的运用进行探讨，为提高石油钻杆使用效率，掌握其质量状况，减少钻井事故发生，从而提高整体经济效益具有十分积极的意义。一、基本原理石油钻杆漏磁检测原理是建立在铁磁性材料的高磁导率的特性基础上，通过测量铁磁性材料中由于缺陷所引起的磁导率变化来检测在役石油钻杆的状况。石油钻杆（铁磁性材料）在外加磁场的作用下被磁化，当无缺陷时，磁力线绝大部分通过铁磁性材料，此时在材料内部磁力线分布均匀；当有缺陷时，由于材料中缺陷的磁导率比铁磁性材料本身小，至使磁力线发生弯曲，并具有一部分磁力线泄漏出材料表面，通过检测该泄漏磁场，就能有效地检测出缺陷的存在，从而检测分析石油钻杆的疲劳损坏情况。二、磁化方法1、磁化方式选择：常见的磁化方式有：交流磁化、直流磁化、交直流混合磁化。、交流磁化：由于“趋肤效应”的影响，检测深度将随着磁化电流的频率上升而呈指数曲线下降，并且大功率高频交流电源较难获得，同时考虑到石油钻杆大多为厚壁管，有一定的检测深度要求，因此，这种磁化方式一般场合较少使用。、直流磁化：该方式检测深度较深，信号处理简单，并且，大功率直流电源较容易获得。、交直流混合磁化：这种磁化方式从原理上讲，取了前两种方式之长，即考虑了检测深度又考虑了表面检测灵敏度，为理想磁化方式。但在实际应用中，由于采用混合磁化方式后，造成励磁检测设备宠大，信号处理复杂，所以较少使用。综上所述，石油钻杆漏磁检测时，由于多为厚壁管，要求有一定的检测深度，同时管体内外表面有氧化腐蚀存在，因此采用直流磁化方式较为适宜，本文介绍的石油钻杆漏磁检测方法，即采用直流磁化法。2、磁化方法选择：磁化方法通常分为两种，即轴向磁化和径向磁化。它们分别适用于穿过和旋转式检测(目前国外已有人采用组合磁化和旋转磁化，但都比较复杂)。这里介绍一种轴向局部磁化法。、局部磁化法：为了能清楚地说明局部磁化法原理，首先分析普通磁化方法(见图。由于两个磁化线圈之间存在一定距离，使得中央磁通密度较低，磁化不足，检测结果可靠性降低。为了达到一定的可靠性，就必须加大磁化电流，确定合理的线圈距离，使两个磁化线圈这间的钻杆管体被充分磁化而达到磁饱和。图2表示局部磁化法等效磁路磁力线分布情况。通过对磁场进行引导，将磁极引向中央使两个检测励磁线圈的距离相对缩短，其结果就是使中央磁通密度明显增加。因此，只需使用较小的检测励磁电流，就能将被检石油钻杆管体局部磁化并达到饱和，从而有效地提高了检测结果的可靠性。由于降低了检测磁化电流，使得励磁电电源也较为简单。SBOSBO图1普通磁化方法磁力线分布SNSN图4局部磁化法等效磁化线分布图图2局部磁化法等效磁力线分布图、普通磁化方式和局部磁化方式磁通密度对比:①精通磁化方式：如图3等效磁路。L-磁极间距r-磁极半径L-磁极间距r-磁极半径巾-磁通图3磁化系统等效磁路1-励磁线圈2-导磁套3-检测线圈4-试样5-磁力线图4局部磁化方式的结构示意图根据实际情况，在普通磁化方式中取L=0.2(m)(磁化线圈间距)r=0.02(m)①=15x10-4(Wb)则有效截面积S则有效截面积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)(取测量线组宽度，即在线圈有效磁化区内)r=0.02(m)①=15x10-4(wb)则有效截面积S2

=1.96x10-2Cm2)因此，B2=7.7x10-1CWb/m2所以两种方法的中心磁通密度比：B/B=23（倍）21可见，采用局部磁化法后，在同样磁通条件下，中央磁通密度将提高23倍，有效地提高了磁化程度，提高了检测结果的可靠性和准确性。图4表示实用的局部磁化方式的结构示意图，这种磁化方式消除了由于石油钻杆管体中磁畴排列不均匀造成的局部磁性而引起的噪声。三、信号处理方法1、直流磁化电源：输出直流电流到检测探头的励磁线圈，以产生直流磁场。对被检石油钻杆管体进行磁化，使其达到磁和。该电源输出必须可调，根据不同的规格选择最佳磁化点。2、检测探头：由检测励磁圈和差动测量圈组成。用于进行：电磁 电转换，检测石油钻杆管体中是否缺陷存在。3、 前置放大器：由于漏磁检测探头的测量线圈输出零电势极小，一般只有1—3mV。因此，必须对该微弱信号进行幅度放大，以便后级电路能对该信号进行各种处理。4、 滤波器：由于前置放大器的输出信号中既包含有缺陷信号，也含有其它噪声信号，如跳动、偏心、导电率变化、管径变化及壁厚变化等，通过滤波器，将其中的缺陷信号选出，其它噪声号尽可能滤掉。5、 缺陷闸门：该电路作用时将滤波输出的信号再进行处理，当有缺陷时，闸门打开；无缺陷时，闸门关闭，以提高信噪化。1-直流磁化电源2-1-直流磁化电源2-探头3-前置放大器4-滤波器5-缺陷闸门图5直流磁化漏磁探伤框图（通道部分）因此，如图5，整个信号处理过程中，由于没有高频信号存在，整个信号处理过程极其简单，这样有利于提高仪器的稳定性和可靠性，并将仪器体积缩小，便于现场应用。四、实验介绍及实验数据分析1、磁化电流大小与灵敏度关系：（1）、条件:美国OEM公司ARTIS-3型油田专用管材检测设备，电流0—20A可调；①127mm检测探头1套；①127mm标定管1付；①127mm石油钻杆。2）、试验结果（见表1）：安 匝 数32538 27115 21692 1084681345一5423.93618.4丨2711.51924.7一横向缺陷*——10—— 10-12152020141024U.25XX5通孔 (K0~5 1515.25324211纵向缺陷 1.525X1A5内壁横向缺陷0.3歼X4「33 3.2-35 4-4534282*横务缺陷和纵向缺陷尺寸表示：深X宽x长（mm）3）、测试数据分析：随着磁化程度不同，检测灵敏度也不同。因此磁化电流必须可调，以选择最佳磁化点。2、被检管外径变化与灵敏度关系：（1）、条件：美国OEM公司ARTIS-3型油田专用管材检测设备；①88.9mm、①127mm检测探头各1套；①60.3mm、①73mm、①88.9mm、①127mm、①139.7mm标定管各1付；①60.3mm、⑪127mm、①139.7mm石油钻杆各一批。表2）：钻杆管体外径e60.37388.9127139.7探头零电势（MV）1.211.41.31.4标准缺陷e1.61.61.61.61.6信噪比1817.8171615.6①73mm、①88.9mm、2）、试验结果表2被捡石油钻杆管体外径与灵敏度关系（安匝数：6000）（3）、数据分析：当被检石油钻杆管体外径变化时，即使在相同当量缺陷条件下，其信噪声比变化也较小，并且检测探头几乎没有零电势存在。可见当我们对不同外径石油钻杆采用相应的检测标准时，则灵敏度几乎不受管体外径影响，从而可以看出，这种方法是满足于石油钻杆的检测要求的。3、检测灵敏度与同心度关系：（1） 、条件：美国OEM公司ARTIS-3型油田专用管材检测设备，电流0—20A可调；①88.9mm检测探头1套；①88.9mm标定管1付；①88.9mm石油钻杆。（2） 、试验结果（见表3，动态60m/min）：缺陷位置（*）060120180240300信噪比66.26.56.46.265.8（3）、数据分析：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，这种检测方法对同心度要求较低，能满足油田现场的要求，具有较强的实用性。五、终述从漏磁检测实验，证明该方法能方便地用于石油钻杆的检测，并且，该方法具有结构简单、信号处理方便、检测能力强、灵敏度高等优点，特别是具有定位性、客观性和可记录性，不仅适用于石油钻杆的检测，还适用于粗糙表面的管材、钢棒等，同时，对漏磁检测设备检测探头和磁化工艺有较高要求，需要进一步研究提高，以更好体现漏磁检测技术具有的高灵敏度和优良准确率的优越性。参考文献：1、李家伟陈积懋主编《无损检测手册》北京：机械工业出版社2002.12、康宜华等《钢丝绳断丝漏磁场的漏磁检测原理》北京：机械工业出版社1993.43、 孙永荪《国外漏磁探伤现状》无损检测1986.8Reference：LiJiawei,ChenJiEditor,ManualforNon-destructiveI