石油鉆桿漏磁檢測技術(shù)陳先富安東石油技術(shù)（集團(tuán)）有限公司北京100102摘要：介紹采用直流局部磁化的石油鉆桿的漏磁檢測技術(shù)，進(jìn)行基本原理討論、試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析等，說明此技術(shù)在石油鉆桿和粗糙表面的管材、鋼棒等方面具有高靈敏度、檢測能力強(qiáng)和信號處理簡單等優(yōu)點(diǎn)，有較強(qiáng)的實(shí)用性。關(guān)鍵詞：石油鉆桿漏磁原理檢測技術(shù)DrillPipeMagneticLeakageInspectionTechnologyChengXianfuAntonOilfieldServices（Group）Ltd.Beijing100102Abstract:Basedonintroducingdirectcurrentpartialmagnetizationinspectiontechnology,discussingbasicmagneticleakageprincipleandanalyzinginspectiondata,thepaperilluminatestheadvantagesoftheMagneticLeakageInspectionTechnologywhichisappliedontheinspectionofdrillpipeandtubeorridwithroughsurface.Itsgoodperformancelikehighsensitive,stronginspectionpowerandsimplesignaltreatment,makesitwidelyusedinmanyfields.Keyword:drillpipe,principleofmagneticleakage,inspectiontechnology石油鉆桿在油田鉆井工程中，是地面旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)與鉆鋌、鉆頭聯(lián)接的主要部件，通過它們達(dá)到轉(zhuǎn)盤帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，大鉤帶動鉆頭升降，泥漿送到井底形成循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)鉆頭的破碎巖層并連續(xù)鉆進(jìn)。正常鉆進(jìn)時，石油鉆桿在井下要承受拉伸、壓縮、扭曲和泥漿酸化等復(fù)雜交變應(yīng)力，工作條件極為惡劣，隨著工作頻率的增大，使用時間過長，將形成疲勞裂紋，嚴(yán)重腐蝕坑等，因此，石油鉆桿能否正常、安全的工作，是油田鉆井工程能否正常進(jìn)行的關(guān)鍵之一，在鉆井工程生產(chǎn)中具有至關(guān)重要的地位。針對石油鉆桿運(yùn)用漏磁檢測技術(shù)對其進(jìn)行檢測，其方法的運(yùn)用進(jìn)行探討，為提高石油鉆桿使用效率，掌握其質(zhì)量狀況，減少鉆井事故發(fā)生，從而提高整體經(jīng)濟(jì)效益具有十分積極的意義。一、基本原理石油鉆桿漏磁檢測原理是建立在鐵磁性材料的高磁導(dǎo)率的特性基礎(chǔ)上，通過測量鐵磁性材料中由于缺陷所引起的磁導(dǎo)率變化來檢測在役石油鉆桿的狀況。石油鉆桿（鐵磁性材料）在外加磁場的作用下被磁化，當(dāng)無缺陷時，磁力線絕大部分通過鐵磁性材料，此時在材料內(nèi)部磁力線分布均勻；當(dāng)有缺陷時，由于材料中缺陷的磁導(dǎo)率比鐵磁性材料本身小，至使磁力線發(fā)生彎曲，并具有一部分磁力線泄漏出材料表面，通過檢測該泄漏磁場，就能有效地檢測出缺陷的存在，從而檢測分析石油鉆桿的疲勞損壞情況。二、磁化方法1、磁化方式選擇：常見的磁化方式有：交流磁化、直流磁化、交直流混合磁化。、交流磁化：由于“趨膚效應(yīng)”的影響，檢測深度將隨著磁化電流的頻率上升而呈指數(shù)曲線下降，并且大功率高頻交流電源較難獲得，同時考慮到石油鉆桿大多為厚壁管，有一定的檢測深度要求，因此，這種磁化方式一般場合較少使用。、直流磁化：該方式檢測深度較深，信號處理簡單，并且，大功率直流電源較容易獲得。、交直流混合磁化：這種磁化方式從原理上講，取了前兩種方式之長，即考慮了檢測深度又考慮了表面檢測靈敏度，為理想磁化方式。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于采用混合磁化方式后，造成勵磁檢測設(shè)備寵大，信號處理復(fù)雜，所以較少使用。綜上所述，石油鉆桿漏磁檢測時，由于多為厚壁管，要求有一定的檢測深度，同時管體內(nèi)外表面有氧化腐蝕存在，因此采用直流磁化方式較為適宜，本文介紹的石油鉆桿漏磁檢測方法，即采用直流磁化法。2、磁化方法選擇：磁化方法通常分為兩種，即軸向磁化和徑向磁化。它們分別適用于穿過和旋轉(zhuǎn)式檢測(目前國外已有人采用組合磁化和旋轉(zhuǎn)磁化，但都比較復(fù)雜)。這里介紹一種軸向局部磁化法。、局部磁化法：為了能清楚地說明局部磁化法原理，首先分析普通磁化方法(見圖。由于兩個磁化線圈之間存在一定距離，使得中央磁通密度較低，磁化不足，檢測結(jié)果可靠性降低。為了達(dá)到一定的可靠性，就必須加大磁化電流，確定合理的線圈距離，使兩個磁化線圈這間的鉆桿管體被充分磁化而達(dá)到磁飽和。圖2表示局部磁化法等效磁路磁力線分布情況。通過對磁場進(jìn)行引導(dǎo)，將磁極引向中央使兩個檢測勵磁線圈的距離相對縮短，其結(jié)果就是使中央磁通密度明顯增加。因此，只需使用較小的檢測勵磁電流，就能將被檢石油鉆桿管體局部磁化并達(dá)到飽和，從而有效地提高了檢測結(jié)果的可靠性。由于降低了檢測磁化電流，使得勵磁電電源也較為簡單。SBOSBO圖1普通磁化方法磁力線分布SNSN圖4局部磁化法等效磁化線分布圖圖2局部磁化法等效磁力線分布圖、普通磁化方式和局部磁化方式磁通密度對比:①精通磁化方式：如圖3等效磁路。L-磁極間距r-磁極半徑L-磁極間距r-磁極半徑巾-磁通圖3磁化系統(tǒng)等效磁路1-勵磁線圈2-導(dǎo)磁套3-檢測線圈4-試樣5-磁力線圖4局部磁化方式的結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)實(shí)際情況，在普通磁化方式中取L=0.2(m)(磁化線圈間距)r=0.02(m)①=15x10-4(Wb)則有效截面積S則有效截面積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)(取測量線組寬度，即在線圈有效磁化區(qū)內(nèi))r=0.02(m)①=15x10-4(wb)則有效截面積S2

=1.96x10-2Cm2)因此，B2=7.7x10-1CWb/m2所以兩種方法的中心磁通密度比：B/B=23（倍）21可見，采用局部磁化法后，在同樣磁通條件下，中央磁通密度將提高23倍，有效地提高了磁化程度，提高了檢測結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。圖4表示實(shí)用的局部磁化方式的結(jié)構(gòu)示意圖，這種磁化方式消除了由于石油鉆桿管體中磁疇排列不均勻造成的局部磁性而引起的噪聲。三、信號處理方法1、直流磁化電源：輸出直流電流到檢測探頭的勵磁線圈，以產(chǎn)生直流磁場。對被檢石油鉆桿管體進(jìn)行磁化，使其達(dá)到磁和。該電源輸出必須可調(diào)，根據(jù)不同的規(guī)格選擇最佳磁化點(diǎn)。2、檢測探頭：由檢測勵磁圈和差動測量圈組成。用于進(jìn)行：電磁 電轉(zhuǎn)換，檢測石油鉆桿管體中是否缺陷存在。3、 前置放大器：由于漏磁檢測探頭的測量線圈輸出零電勢極小，一般只有1—3mV。因此，必須對該微弱信號進(jìn)行幅度放大，以便后級電路能對該信號進(jìn)行各種處理。4、 濾波器：由于前置放大器的輸出信號中既包含有缺陷信號，也含有其它噪聲信號，如跳動、偏心、導(dǎo)電率變化、管徑變化及壁厚變化等，通過濾波器，將其中的缺陷信號選出，其它噪聲號盡可能濾掉。5、 缺陷閘門：該電路作用時將濾波輸出的信號再進(jìn)行處理，當(dāng)有缺陷時，閘門打開；無缺陷時，閘門關(guān)閉，以提高信噪化。1-直流磁化電源2-1-直流磁化電源2-探頭3-前置放大器4-濾波器5-缺陷閘門圖5直流磁化漏磁探傷框圖（通道部分）因此，如圖5，整個信號處理過程中，由于沒有高頻信號存在，整個信號處理過程極其簡單，這樣有利于提高儀器的穩(wěn)定性和可靠性，并將儀器體積縮小，便于現(xiàn)場應(yīng)用。四、實(shí)驗(yàn)介紹及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析1、磁化電流大小與靈敏度關(guān)系：（1）、條件:美國OEM公司ARTIS-3型油田專用管材檢測設(shè)備，電流0—20A可調(diào)；①127mm檢測探頭1套；①127mm標(biāo)定管1付；①127mm石油鉆桿。2）、試驗(yàn)結(jié)果（見表1）：安 匝 數(shù)32538 27115 21692 1084681345一5423.93618.4丨2711.51924.7一橫向缺陷*——10—— 10-12152020141024U.25XX5通孔 (K0~5 1515.25324211縱向缺陷 1.525X1A5內(nèi)壁橫向缺陷0.3殲X4「33 3.2-35 4-4534282*橫務(wù)缺陷和縱向缺陷尺寸表示：深X寬x長（mm）3）、測試數(shù)據(jù)分析：隨著磁化程度不同，檢測靈敏度也不同。因此磁化電流必須可調(diào)，以選擇最佳磁化點(diǎn)。2、被檢管外徑變化與靈敏度關(guān)系：（1）、條件：美國OEM公司ARTIS-3型油田專用管材檢測設(shè)備；①88.9mm、①127mm檢測探頭各1套；①60.3mm、①73mm、①88.9mm、①127mm、①139.7mm標(biāo)定管各1付；①60.3mm、?127mm、①139.7mm石油鉆桿各一批。表2）：鉆桿管體外徑e60.37388.9127139.7探頭零電勢（MV）1.211.41.31.4標(biāo)準(zhǔn)缺陷e1.61.61.61.61.6信噪比1817.8171615.6①73mm、①88.9mm、2）、試驗(yàn)結(jié)果表2被撿石油鉆桿管體外徑與靈敏度關(guān)系（安匝數(shù)：6000）（3）、數(shù)據(jù)分析：當(dāng)被檢石油鉆桿管體外徑變化時，即使在相同當(dāng)量缺陷條件下，其信噪聲比變化也較小，并且檢測探頭幾乎沒有零電勢存在?？梢姰?dāng)我們對不同外徑石油鉆桿采用相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)時，則靈敏度幾乎不受管體外徑影響，從而可以看出，這種方法是滿足于石油鉆桿的檢測要求的。3、檢測靈敏度與同心度關(guān)系：（1） 、條件：美國OEM公司ARTIS-3型油田專用管材檢測設(shè)備，電流0—20A可調(diào)；①88.9mm檢測探頭1套；①88.9mm標(biāo)定管1付；①88.9mm石油鉆桿。（2） 、試驗(yàn)結(jié)果（見表3，動態(tài)60m/min）：缺陷位置（*）060120180240300信噪比66.26.56.46.265.8（3）、數(shù)據(jù)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，這種檢測方法對同心度要求較低，能滿足油田現(xiàn)場的要求，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。五、終述從漏磁檢測實(shí)驗(yàn)，證明該方法能方便地用于石油鉆桿的檢測，并且，該方法具有結(jié)構(gòu)簡單、信號處理方便、檢測能力強(qiáng)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，特別是具有定位性、客觀性和可記錄性，不僅適用于石油鉆桿的檢測，還適用于粗糙表面的管材、鋼棒等，同時，對漏磁檢測設(shè)備檢測探頭和磁化工藝有較高要求，需要進(jìn)一步研究提高，以更好體現(xiàn)漏磁檢測技術(shù)具有的高靈敏度和優(yōu)良準(zhǔn)確率的優(yōu)越性。參考文獻(xiàn)：1、李家偉陳積懋主編《無損檢測手冊》北京：機(jī)械工業(yè)出版社2002.12、康宜華等《鋼絲繩斷絲漏磁場的漏磁檢測原理》北京：機(jī)械工業(yè)出版社1993.43、 孫永蓀《國外漏磁探傷現(xiàn)狀》無損檢測1986.8Reference：LiJiawei,ChenJiEditor,ManualforNon-destructiveI