基于SOPC 的石油S135 鉆桿漏磁自動(dòng)化檢測系統(tǒng)

范勁松，崔 躍，葉 苗，李 歡

（中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司重慶氣礦，重慶 401120）

S135鉆桿是石油、天然氣開發(fā)過程中的重要鉆井機(jī)具，可以承受巨大的壓力、扭矩和轉(zhuǎn)速，但磁性材料產(chǎn)品的各種缺陷是現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器的嚴(yán)重隱患[1-2]。漏磁檢測最初由傳統(tǒng)檢測演變而來，其原理是在材料周圍增加外來磁場，使磁力線在被檢測材料中改變磁通路徑，檢測出具有缺陷的磁性材料。當(dāng)經(jīng)過缺陷處時(shí)會(huì)產(chǎn)生缺陷漏磁場，以判斷漏磁場的存在[3]。許志浩基于有限元法檢測方鋼表面具有裂紋的漏磁場[4]。戴光等通過研究缺陷金屬表面與近表面的漏磁場，仿真分析了缺陷參數(shù)對漏磁場的影響[5]。此外，國外學(xué)者采用非接觸式的無線紅外激光方法進(jìn)行檢測，但使用此類方法檢測鉆桿漏磁時(shí)誤差較大，且檢測結(jié)果易受溫度影響[6-8]。

設(shè)計(jì)了基于SOPC 的石油S135 鉆桿漏磁自動(dòng)化檢測系統(tǒng)，采用互相關(guān)測距算法控制，并通過SOPC系統(tǒng)完成，具有精度高、能耗低的特點(diǎn)。該系統(tǒng)基于Ahera 公司的Nios II 概念，在FPGA 上搭建Nios II 雙核系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件部分由SOPC 模塊、AGC 模塊、超聲波發(fā)收模塊、功率放大模塊組成。軟件部分主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)計(jì)算模塊、顯示模塊組成。通過系統(tǒng)測試，可以精準(zhǔn)檢測石油S135 鉆桿的漏磁現(xiàn)象。該系統(tǒng)在檢測中存在的測量誤差在可接受范圍內(nèi)，在工程應(yīng)用中具有良好的效果。

1 石油S135 鉆桿漏磁檢測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 檢測方法的確定

石油S135 鉆桿漏磁檢測方法的形式較多，但每種方法均存在優(yōu)缺點(diǎn)，需要綜合考慮多種因素，如鉆桿的材質(zhì)、檢測效率、檢測精度等，因此，選擇合適的漏磁檢測方法極為重要[9]。目前，較為主流的檢測方法是采用探測鉆桿表明渦流或漏磁以及內(nèi)部缺陷的超聲波組合方法。該方法可以大幅度提高檢測的效率，但精度無法保證[10]。文中基于SOPC 方法，采用超聲波檢測法探測石油S135 鉆桿漏磁。漏磁檢測原理圖，如圖1 所示。其優(yōu)點(diǎn)如下：

1）可做到石油S135 鉆桿的內(nèi)外表面無損探傷，且從設(shè)備的角度考慮易于安裝、成本較低；

2）彌補(bǔ)了常規(guī)檢測方法的缺陷，可較為方便地維修與更換探頭；

3）采用超聲波檢測方法，可快速實(shí)現(xiàn)縱向與橫向缺陷的匹配。

圖1 鉆桿漏磁檢測原理示意圖

美國石油學(xué)會(huì)（API）于2001 年10 月制定規(guī)范[11]，按照石油鉆桿的外徑不同可以將鉆桿分為8 類，其桿體外徑介于60～170 mm 之間。8 種石油鉆桿的主要規(guī)格參數(shù)如表1 所示。

表1 常用石油S135鉆桿主要參數(shù)

1.2 漏磁場特征分析

鉆桿能否繼續(xù)使用，取決于通孔的檢測效果，在檢測期間通孔處于傳感器的不同位置。若檢測到的信號(hào)幅值一致性較高，則可以判斷鉆桿的使用效果良好[12-13]。為了達(dá)到更優(yōu)地檢測效果，對Φ為1.6 mm 通孔的漏磁場進(jìn)行分析。鐵磁材料由飽和狀態(tài)過渡到欠飽和狀態(tài)是漏磁檢測的關(guān)鍵問題，由于石油S135 鉆桿在漏磁處的磁通量下降，此處的磁阻也因此增大。周圍的磁場線發(fā)生畸變，通過傳感器采集到漏磁信號(hào)，在上位機(jī)顯示漏磁缺陷信息。由于石油S135 鉆桿在磁場飽和狀態(tài)可避免磁化強(qiáng)度的變化，研究過程中需要建立鉆桿的磁偶極子模型。假設(shè)通孔的一面為N 極，另一面為S 極，通孔半徑為R，磁場密度為σn，磁載荷微量dq可表示為：

距離向量r、磁場向量dH與磁載荷微量dq之間的關(guān)系為：

僅考慮通孔的N 極（y＜0）和α，且傳感器的提離值用h表示，磁荷微量到鉆桿漏磁表面上方任意一點(diǎn)的距離，可表示為：

假設(shè)磁場密度值為1，若距離為rn時(shí)，可推導(dǎo)出漏磁場的y、z方向分量為：

因此，石油S135 鉆桿通孔的整個(gè)缺陷漏磁場的y方向分量為：

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)

基于SOPC 的石油S135 鉆桿漏磁自動(dòng)化檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)總體框圖如圖2 所示。該系統(tǒng)由SOPC 模塊、AGC 模塊、超聲波發(fā)收模塊、功率放大模塊組成。由于超聲波在空氣中傳播時(shí)會(huì)受到氣溫的影響，因此在電路中增加溫度補(bǔ)償電路模塊。該模塊可以抑制溫度的變化感知幅度，從而提高漏磁的檢測精度。

圖2 系統(tǒng)硬件總體框圖

2.2 SOPC系統(tǒng)模塊

SOPC 模塊是石油S135 鉆桿漏磁自動(dòng)化檢測系統(tǒng)的核心部件，硬件內(nèi)部的機(jī)器語言由VerilogHDL編譯完成，并同時(shí)轉(zhuǎn)換為底層的機(jī)器語言，系統(tǒng)芯片選用Stratix Ⅱ型FPGA。SOPC 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示。數(shù)字/模擬信號(hào)模塊、溫度補(bǔ)償模塊、頻率發(fā)生器模塊分別采集數(shù)字信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)、溫度信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過處理后傳輸至測距模塊，即完成信號(hào)處理后的輸出結(jié)果。

圖3 SOPC內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.3 溫度補(bǔ)償模塊

石油S135 鉆桿漏磁采用超聲波進(jìn)行檢測，而超聲波的傳播速度受溫度影響較大，其關(guān)系可用式（7）表示：

式中，T表示石油S135 鉆桿漏磁缺陷處周圍的平均溫度。

溫度補(bǔ)償模塊可進(jìn)行溫度的采集工作，溫度補(bǔ)償會(huì)引起超聲波波速發(fā)生變化，若μ為補(bǔ)償因子，δ為擾動(dòng)因子，則其變化值可用式（8）表示：

2.4 超聲波發(fā)射、接收電路

超聲波模塊由發(fā)射、接收電路組成。其電路圖如圖4 和圖5 所示。電路中的超聲波傳感器換能器的中心頻率高于電力系統(tǒng)額定頻率，為69 kHz。SOPC 系統(tǒng)中的震蕩頻率由頻率發(fā)生器產(chǎn)生，最終轉(zhuǎn)換成電壓為200 V 的脈沖。該脈沖對換能器產(chǎn)生作用，可引起信號(hào)接收電路發(fā)生信號(hào)偏移[14-16]。超聲波接收電路由兩部分組成，分別為信號(hào)放大電路和信號(hào)濾波電路，兩者共同完成信號(hào)的接收與處理工作。由于接收電路的接收信號(hào)相對較弱，SOPC 系統(tǒng)無法精確采集。故將接收到的信號(hào)放大1 000 倍，形成正反饋?zhàn)饔茫岣邫z測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖4 超聲波發(fā)射電路

圖5 超聲波接收電路

2.5 自動(dòng)增益電路

采集到的超聲波信號(hào)幅值波動(dòng)較大，需控制其增益，采用精度高、共模抑制比高、可編程性的AD620AN 放大器。

在檢測石油S135 鉆桿是否漏磁的過程中，返回的超聲波回波信號(hào)幅值變化較大，需要對其進(jìn)行控制[17]。該控制電路采用可編程性的AD620AN 放大器抑制超聲波回路信號(hào)的幅值以提高信號(hào)的共模抑制比與精度。該電路的放大增益可表示為：

式中，rG為等效電阻，單位為kΩ。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊的軟件部分實(shí)現(xiàn)石油S135 鉆桿漏磁的模擬信號(hào)經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器操作后，得到可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。通過定義的IP內(nèi)核實(shí)現(xiàn)AD7710對模擬信號(hào)的操控，設(shè)計(jì)的核心是儲(chǔ)存實(shí)施過程中的測量信號(hào)。而在系統(tǒng)中片上存儲(chǔ)器一般被看作采集處理器，與顯示處理器共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域，成為兩者進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的中間通道。但當(dāng)兩者同時(shí)處理共享區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)紊亂，從而導(dǎo)致崩潰的局面。此時(shí)，需要使用Mutex core 控制處理器對該系統(tǒng)進(jìn)行訪問。數(shù)據(jù)計(jì)算、顯示模塊軟件流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)計(jì)算、顯示模塊軟件流程圖

數(shù)據(jù)采集模塊程序由Altera公司設(shè)計(jì)的QuartusⅡ軟件編譯完成，底層采用匯編語言完成，核心包括溫度補(bǔ)償采集與互相關(guān)法測距，另外還包括鍵盤掃描子程序。數(shù)據(jù)采集模塊的軟件部分設(shè)計(jì)均在新版本Nios II嵌入式處理器系統(tǒng)軟件開發(fā)工具Nios II SBT上完成。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)計(jì)算、顯示模塊是系統(tǒng)的另一重要組成部分。在該模塊前，首先需要建立石油S135 鉆桿的磁鏈曲線。通過擬合方式將測得的數(shù)據(jù)代入計(jì)算，最終將計(jì)算得到的結(jié)果展示在顯示系統(tǒng)上。在石油S135 鉆桿周圍用磁場監(jiān)測裝置對磁場濃度進(jìn)行測量，記錄場強(qiáng)并輸入系統(tǒng)。使用最小二乘法擬合方程，如式（10）所示。

式中，y為磁場強(qiáng)度，x為電壓值，a、b為擬合參數(shù)，可由下列方程求出：

上述最小二乘法的擬合工作均在集成開發(fā)環(huán)境中完成，采用Ahera 公司開發(fā)的Character LCD 作為Nios II 與液晶屏的Avalon 接口。

4 系統(tǒng)測試

對石油S135 鉆桿漏磁自動(dòng)化檢測系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行相關(guān)測試，利用實(shí)驗(yàn)室中的DE2.115 進(jìn)行性能測試。在DE2.115 中，植入Cyclone IV 系列的SOPC 模塊。該模塊同時(shí)具備HD44780 和LCDl602的功能，提高了系統(tǒng)測試的準(zhǔn)確性。將自動(dòng)化檢測系統(tǒng)的軟件程序拷貝到開發(fā)板，利用某地石油S135鉆桿漏磁數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并采用多組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對照。

利用前期處理的漏磁信號(hào)片段作為信號(hào)輸入，在實(shí)驗(yàn)室中模擬9 種漏磁現(xiàn)象，采集多組數(shù)據(jù)集，形成實(shí)驗(yàn)樣本庫。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得到權(quán)值與閾值，將帶識(shí)別的信息再次輸入網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)行漏磁檢測識(shí)別。實(shí)驗(yàn)中，模擬的輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)的漏磁信號(hào)片段長度為250，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為5 個(gè)，輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)為2個(gè)，共有9 種漏磁缺陷。其測試結(jié)果，如表2 所示。

表2 測試結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算分析可知，雖然該系統(tǒng)在檢測中仍存在一定程度的測量誤差。但此誤差在可接受范圍內(nèi)，在工程應(yīng)用中具有良好的效果，基本與設(shè)計(jì)的預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)誤差相符。

5 結(jié)論

針對石油鉆桿漏磁檢測精度問題，設(shè)計(jì)了基于SOPC 的石油S135 鉆桿漏磁自動(dòng)化檢測系統(tǒng)。結(jié)合該系統(tǒng)的實(shí)際要求，確定了鉆桿漏磁的檢測方案，并應(yīng)用磁場的有限元分析研究缺陷檢測方案。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與控制系統(tǒng)均通過SOPC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，充分利用了FPGA 的硬件資源。融合自動(dòng)增益電路與溫度補(bǔ)償電路，可在線升級軟件安裝包，且結(jié)構(gòu)簡單、精度較高、應(yīng)用前景廣闊。