外穿過式渦流探頭在抽油桿缺陷檢測中的應用

盧明峰,蘇作飛,劉金世

(中國石油大學物理科學與技術學院,山東東營257061)

外穿過式渦流探頭在抽油桿缺陷檢測中的應用

盧明峰,蘇作飛,劉金世

(中國石油大學物理科學與技術學院,山東東營257061)

抽油桿在采油過程中發生斷裂會造成很大的經濟損失。發生斷裂的主要原因是抽油桿表面的裂紋源在周期性載荷作用下由表及里地擴展。介紹1種自主設計的外穿過式渦流探頭,此類探頭可以準確、迅速地檢測出導致抽油桿斷裂的裂紋源,適合抽油桿的在線檢測。

抽油桿;渦流檢測;外穿過式探頭;在線檢測

Abstract:The sucker rod is the main loaded component of the oil extraction system in the oil field.If it was broken in the process of production,great losses would be incurred in the suspended operation.The main reason for the break is the crack source in the surface of the sucker rod will spread from surface to interior under the periodic load.This article introduces a kind of selfdesigned exteriorly-thru-type eddy current probe which can detect the crack source that can lead to the break of the sucker rod,precisely and rapidly,and so,it is suitable for the on-line detection.

Key words:sucker rod;eddy current testing;exteriorly-thru-type probe;on–line detection

抽油桿在工作中承受拉—拉周期性的交變載荷,長期使用后,表面的裂紋會由表及里地擴展,導致抽油桿斷裂,這將給油田造成很大的經濟損失[1-2]。如何有效地檢測出這些裂紋,減少問題抽油桿下井,是一個很重要的問題。本文介紹的外穿過式渦流探頭,配合愛德森(廈門)電子有限公司生產的智能八通道渦流檢測儀(編號 EEC-51),可以準確、迅速地檢測出抽油桿的表面裂紋源,避免造成經濟損失。

1 渦流檢測的基本原理

渦流檢測是建立在電磁感應原理基礎之上的一種無損檢測方法,適用于導電材料。進行渦流檢測時,把工件靠近通有交流電的線圈,由線圈建立起的交變磁場會與工件發生電磁感應,在工件表面感應出渦流。渦流的大小、相位、路徑與工件的材料及形狀等有關,而渦流產生的感應磁場會反饋作用于線圈,從而引起線圈的阻抗變化。渦流檢測正是通過分析線圈的阻抗變化來判斷工件狀況的。

渦流在抽油桿缺陷檢測方面有諸多優勢。①無需耦合劑,不接觸抽油桿,這使探頭免于磨損,提高了使用壽命,檢測對抽油桿表面的清潔度要求也不高;②渦流檢測可以靈敏地檢測出抽油桿的表面缺陷,缺陷信號在一定范圍內有良好的線性顯示;③檢測速度高,可以通過調整探頭的參數和檢測頻率相位等來滿足檢測需要。這些優勢使渦流檢測成為抽油桿檢測中重要的檢測方法。

2 待檢抽油桿的特點

本文檢測的抽油桿是勝利油田某機械廠生產的CYG16型抽油桿,材料為20CrMo,鋼級為D級,外形如圖1。桿體直徑?22 mm,桿頭直徑約為桿體直徑的2倍,約?41 mm。兩端桿頭是經鍛壓處理而成,易出現疲勞裂紋,缺陷信號集中在A處附近。桿體較長,在制造、運輸、安裝時也容易產生表面裂紋。抽油桿的表面裂紋呈橢圓狀。此外,在外界腐蝕作用下,抽油桿表面會形成眾多的腐蝕坑[3-4]。

圖1 抽油桿結構示意

3 外穿過式渦流探頭的結構

3.1 檢測原理

忽略線圈間的電容,線圈的復阻抗表示為Z=R+jωL。對于兩個耦合的線圈若在原邊線圈1中通交流電,副邊線圈2的感應電流會影響原邊線圈的電流和電壓關系。這種影響可以用副邊線圈中的阻抗通過互感折合到原邊線圈電路來體現。此時,原邊線圈的阻抗發生變化,其變化量用折合阻抗ZZ=RZ+XZ來表示,且有

式中,Xm=為副邊線圈的阻抗;折合阻抗與原邊線圈本身的阻抗之和稱為視在阻抗,表示為ZS=RS+XS,且有RS=RZ+R1,為原邊線圈的阻抗。

由此,可以認為原邊電路中電流和電壓的變化是由電路中視在阻抗的變化引起的。由原邊電路中的阻抗變化就可以知道副邊線圈的效應,以此來計算副邊電路中阻抗的變化。

渦流檢測中,在載流線圈的作用下,抽油桿中感生的渦流宛若多層密疊在一起的線圈中流過的電流,因此可以把抽油桿看作與檢測線圈相互作用的次級線圈。根據電路原理,渦流檢測類似于電感耦合電路的情形,線圈耦合的理論即可類似地應用于渦流檢測中,對檢測線圈阻抗進行分析[5],得到與裂紋有關的電信號。

3.2 探頭結構

本文設計的渦流檢測探頭為外穿過自比較差動式探頭,其結構如圖2。線圈繞在自制的骨架上,骨架外徑 ?55 mm,壁厚 3 mm,內徑 ?44 mm,可使抽油桿無摩擦地通過。線圈是用不同直徑的漆包線繞制而成,不同直徑的漆包線有效檢測裂紋的深度不同。差動線圈的每個線圈的電阻、電感等參數應基本相等。2個線圈之間的空載阻抗誤差需控制在5‰以內,否則對檢測信號有影響。

圖2 探頭結構示意

4 檢測效果分析

4.1 檢測方法

檢測中,智能八通道渦流檢測儀(編號EEC-51)向2個線圈提供相同的交流電信號。因為2個線圈的阻抗不可能完全相等,渦流儀采用平衡電路消除2個線圈之間的信號差,使輸出信號接近于零。如果缺陷出現在1個線圈的下面,就會產生1個很小的不平衡信號,這個信號被放大,然后經過相敏檢波和濾波后變成一個包含有線圈阻抗變化的相位和幅度特征的直流信號。這個信號實時顯示在阻抗平面圖和時基掃描圖上。信號可以分解成x和y兩個相互垂直的分量,并且能夠同時旋轉,這樣就能選擇任意的參考相位,對信號進行相位和幅度的分析了。

4.2 探頭的性能測試

為測試探頭的檢測能力,在抽油桿上用電火花切割機切出寬0.2 mm,深3 mm(裂紋1)和寬0.2 mm,深2 mm(裂紋2)的2類裂紋。圖3是裂紋1反復通過探頭時的阻抗平面圖,圖中把人為制造的大的噪聲信號和裂紋信號同時顯示,x軸是噪聲信號,y軸是裂紋信號,兩種信號通過調節相位可以明顯的分離開。通過設置阻抗平面圖的界面,可以使噪聲信號不報警,只有在有裂紋時才報警。圖4是時基掃描圖。檢測中若是噪聲很小,可以選擇適當的參考相位,使裂紋信號集中顯示在y軸上,增加靈敏度。從圖3～4中都可以看到裂紋信號可以非常清晰地顯示出來。

圖3 阻抗平面圖信號

由于腐蝕坑的隨機性,在兩個線圈下面產生的信號強度和波形具有相似性,因此兩個線圈輸出信號相抵之后可以大大減小干擾,突出了裂紋信號,提高了信噪比。由抽油桿的擺動、表面磁導率的飄動等引起的噪聲信號可以通過調節相位,使噪聲信號集中在x軸上顯示。

圖4 時基掃描圖信號

試驗表明,配合智能八通道渦流檢測儀(編號EEC-51),自制的外穿過式探頭可以準確、迅速地檢測出抽油桿的表面裂紋。

4.3 不同結構探頭的測試結果及分析

表1是不同匝數探頭的檢測數據,探頭都是由單層線圈繞制而成。探頭1、2、3分別為50匝、100匝、150 匝。

表2是不同層數探頭的檢測數據,探頭每層都是100匝,探頭2、4、5分別為單層、雙層、三層。試驗中的噪聲信號隨匝數的增加而略有變化,為凸顯裂紋信號的變化規律,用裂紋信號的幅值替換信噪比來總結規律。

表1 不同匝數探頭的檢測數據

表2 不同層數探頭的檢測數據

a) 對于層數相同的線圈,隨著線圈匝數的增加,檢測裂紋的信噪比增大了,也就是檢測的靈敏度提高了。這是因為線圈匝數越多,線圈包圍的電磁場就越強,裂紋的反饋信號就越大,檢測信號的幅值就越大。但并不是線圈匝數越多越好,匝數越多,線圈越寬,盲區就越大,這樣就增大了漏檢率。

b) 對于層數相同的線圈,隨著線圈匝數的增加,探頭的有效檢測頻率范圍變小且趨向于低頻,最佳檢測頻率也相應的變小,如圖5。同一個探頭中,使裂紋信號集中顯示在y軸的相位,隨著檢測頻率的增加而減小。不同的探頭,相同的檢測頻率,這個相位隨著匝數的增加而減小,如圖6。這些規律可以幫助迅速找到合適的頻率和相位。

圖5 不同匝數探頭檢測頻率與信噪比關系

c) 增加線圈的層數,缺陷的信號幅值盡管增大了,但信噪比卻下降了。探頭的有效檢測頻率和y軸顯示相位的變化趨勢與增加線圈匝數時的規律相似,如圖7～8。若是線圈層數過多,最佳檢測頻率會很小,就會大大限制檢測的速度。因此要適當選擇線圈的匝數和層數,以便減小盲區,提高檢測靈敏度和速度。

圖6 不同匝數探頭檢測頻率與相位關系

圖7 不同層數探頭檢測頻率與幅值關系

d) 抽油桿裂紋產生的信號,同抽油桿擺動等產生的信號不同,彼此間的相位有較大的角度差。因此,對于抽油桿中的裂紋,只要適當地選擇工作頻率就能夠有效地檢測出來。若是檢測頻率過大,檢測裂紋的幅值會顯著降低,同時抽油桿擺動等的影響會增大。

圖8 不同層數探頭檢測頻率與相位關系

5 結論

渦流檢測因其檢測信號明顯、速度快、無需耦合劑等優點,在抽油桿檢測中應用廣泛。研制的外穿過式渦流探頭可以準確地檢測出抽油桿表面的裂紋,信噪比可達30以上。探頭的檢測范圍大,可以很好地滿足抽油桿的檢測要求。此類探頭較目前油田檢測抽油桿常用的點式探頭,有制作簡單、單通道、非接觸等特點[6-7]。將探頭安裝在井口臺架上,配置相應的檢測儀器,可以實現對抽油桿的在線檢測,提高抽油桿的檢測效率,及時發現問題抽油桿,消除隱患,減少損失,降低采油成本。

[1] 李 其,魏嘉荃,鐘伯明,等.抽油桿剩余壽命的研究[J].大慶石油學院學報,1994,18(4):53-56.

[2] 姚紅星,柳春圖.抽油桿裂紋擴展的實驗研究和剩余疲勞壽命的預測[J].機械強度,2007,29(5):865-869.

[3] 沈 躍,劉金世,儲 浚.用雙通道渦流儀對抽油桿進行無損探傷[J].油氣田地面工程,1999,18(3):60-61.

[4] 廉紀祥,沈 躍.抽油桿差動式渦流檢測探頭的研制[J].無損探傷,2007,31(6):30-32.

[5] 任吉林,林俊明.電磁無損檢測[M].北京:科學出版社,2008.

[6] 祖世強,梁會珍,顧慶東等.抽油桿渦流檢測裝置及應用[J].石油礦場機械,2001,30(增刊):85-87.

[7] 司海濤,劉 波.管道漏磁檢測中缺陷尺寸對漏磁信號的影響[J].石油礦場機械,2008,37(9):18-20.

Application of Exteriorly-Thu-Type Eddy Current Probe in Testing Sucker Rod

LU Ming-feng,SU Zuo-fei,LIU Jin-shi
(College ofPhysics Science and Technology,China University of Petroleum,Dongying 257061,China)

TE937

A

1001-3482(2010)02-0068-05

2009-08-20

國家級大學生創新性實驗計劃項目(081042519)

盧明峰(1988-),男,就讀于中國石油大學物理科學與技術學院,E-mail:lu.mfeng@153.com。