采油油管高速探伤技术

采油油管高速探伤技术的研究

摘要：采油油管连接长度约1500～7000m，管壁承压20MPa以上，管子内外壁受油、泥严重污染，各类缺陷多，危害大。超声、涡流等探伤方法不适合；水压法只能检测穿透型缺陷，且速度慢、操作复杂。根据对铁磁性油管施加稳恒磁场和缺陷使通过管壁磁通发生变化，在油管表面产生漏磁场的原理，形成的采油油管高速探伤技术及探伤仪，具有检测油管内外壁裂纹，腐蚀坑点、通孔、抽油杆对内壁磨损槽和壁厚变化等缺陷的功能。其检测速度为15～50m/min；检测灵敏度D1.0mm人工通孔；检测直经50～150mm；操作简单、运行稳定和检测可靠等。

主题词：油管； 无损检测；探伤； 缺陷； 漏磁

1　前　言

　　采油油管具有重复作业性，再用时必须进行探伤才能保证采油井的**。由于采油井油管连接长度约1500～7000m，管壁承压20MPa以上，管子内、外壁受原油污染严重，且缺陷复杂，尤其是油管内壁缺陷多、危害大，超声、涡流等探伤方法不适合；水压法只能检测穿透型缺陷，且速度慢、操作复杂。采油油管的无损探伤一直是国内外无损检测界的难题之一。
　　采油油管高速探伤技术采用漏磁法和变化磁通法相结合的探伤原理，可以高速度大批量检测油管，能探测油管内外壁及内部缺陷、壁厚变化，具有较高的检测灵敏度和可靠的重复性、稳定性。由这项技术构成的采油油管高速探伤仪可以通过计算机显示检测过程，显示伤信号数据、报警、打标记和统计。本文研究了采油油管高速探伤技术和探伤仪的组成、检测机理、特点和探伤实例。

2　油管高速探伤技术及探伤仪的组成

　　该技术由亥姆霍兹磁化器，大功率可调磁化电源，积分式磁敏探头阵列和微分式磁敏探头阵列，油管精密夹持、定位和驱动机构，多通道弱信号低噪声放大器，信号处理机构，计算机检测控制单元，缺陷定位标记驱动机构、喷标器以及检测流水线等八大部分组成，如图1所示。

　　　Fig.1　Constructionof high speed oil pipe detector

2.1　亥姆霍兹磁化器及磁化电源
　　亥姆霍兹磁化器是一对同轴直流载流线圈，其轴线中点附件的磁场强度B=0.724μ₀N1/R，式中N、R分别为线圈匝数和半径，I为磁化电流。变化磁通法和漏磁法要求亥姆霍兹磁化电源很稳定。5OOV，10A的可调式直流稳压电源采用净化的交流稳压电源和带超大容量滤波电容的整流稳压器实现，超大容量滤波电容实现原理如图2。

　　　　　　Fig.2　Principleof forming ultro- capacitance capacitor

　　超大容量电容器对电源的稳压作用类似巨型蓄水池，电网电压的瞬变干扰被吸收，而缓变干扰由净化稳压电源调整。

2.2　输送流水线和夹持定位机构
　　输送流水线上油管在通过探伤仪时，沿其轴线平稳运行是可靠检测的必要条件。带接箍的油管总是颠波运行的，管接箍与传送V形轮每撞击一次，就会形成一次强烈干扰，造成周期性误检。所以要求输入、输出传送线严格成水平直线，采用橡胶覆盖V形轮；探伤仪两端各设两道上下张合夹持定位轮，以保证油管通过检测区基本平稳、衰减周期性的撞击干扰。
2.3　干扰和噪声的消除
　　缺陷信号是随机的，撞击干扰是周期的。从频域可以根据它们的频谱分布不同衰减撞击干扰，分离出缺陷信号。一种在时域从周期干扰中分离随机缺陷信号的方法称“浮动切割电平法”
，见图3。

图3　周期性噪声的浮动电平切割法

Fig.3　Method of cut out period noise in floatinglevel

　　图中要保证浮动电平紧跟随周期撞击干扰的峰值，充电器和放电器的时间常数应合适选择。撞击干扰与变化磁通法检测的缺陷信号比宽度较小。而漏磁检测的缺陷信号宽度比撞击干扰小，这些由软件运算、分析后消除。

2.4　标记驱动器
　　标记驱动器将处理电路得到的缺陷信号或计算机检测得到的缺陷信号延时展宽，驱动打标记继电器吸合，喷打标记。

3　油管高速探伤仪的检测机理

　　亥姆霍兹磁化器在其轴线上产生均匀磁化场，当油管以衡定速度(如40m/min)穿过检测区时，通过线圈磁化场部分的油管体被匀强磁场磁化至饱和状态。由于油管为铁磁性材料，磁力线绝大部分被聚积在油管壁内。积分探头阵列为包围油管和其外围局部空间的磁敏探头阵列，以积分运算方式对各传感器信号进行处理。当油管壁变薄、油管内外壁局部被磨损、内外壁有腐蚀坑、凹坑、通孔等缺陷时，饱和磁化的油管壁在缺陷处的磁阻变大，根据磁通量连续原理，聚积在管壁的部分磁通向外扩张，积分探头阵列包围的闭合曲线内总磁通量减少；反之，当管壁变厚时，积分闭合曲线内总磁通量增加。上述变化的磁通量转化为电信号，处理后显示缺陷位置和程度。这种检测方法称谓“变化磁通探伤法”。
　　微分探头阵列是精密贴合在油管外表面的磁敏传感器群。当被饱和磁化的油管内存在细微的裂纹、折叠、撕伤和微孔等缺陷时，根据磁场边界条件的折射定律和磁屏蔽原理，缺陷对磁力线折射的结果，在油管的外表面产生泄漏磁场的空间分布。磁敏传感器拾取了这些漏磁场转化为电信号，便可以显示缺陷位置和程度。这种检测方法就是“漏磁检测法”。
　　“变化磁通法”对参数较大、变化平缓的缺陷检测效果好，而“漏磁法”对细微缺陷检测效果好。两重方法结合一起，设备体积不变，成本略增加，而总体检测效果很理想。积分传感器与油管壁不接触，微分传感器靠适中的弹性贴合油管外壁，对油管的扫查速率越高缺陷信号与噪声比越好，所以这种探伤技术和设备的检测速度很快。

4　油管高速探伤技术的特点

4.1　探伤仪体积小、重量轻、功耗低
　　探伤仪将漏磁探伤和变化磁通探伤的优点结合一起，在一付亥姆霍兹磁化器内设置两种检测探头，加上夹持定位机构，探测部分长度1.324m，宽度0.5m，中心高0.685～0.900m可以连续或分档调节；*大功耗5kW，重量1000kg；探伤仪采用合金材料精密加工、抛光处理，线条流畅、色彩和谐、操作方便；张合机构动力由气源驱动微型气缸实现，动作灵活、张驰适度。
4.2　探头寿命长、吻合调整方便
　　变化磁通检测法的积分式探头阵列严格以轴线为圆心，分布在与油管外表面贴近却不接触的圆周上，既实现了*高检测灵敏度又“永不磨损”。
　　漏磁检测法的微分探头阵列靠径向曲臂和弹簧作用与油管外表面密切贴合，这种机械式适度弹性接触使缺陷漏磁信号与传感器耦合可靠、安装方便、不会因故撞坏探头。
4.3　检测速度快、工件直经范围宽、要求低
　　输送流水线运行在15～50m/min范围内某一具体速度上，探伤仪都能正常检测。探伤仪不仅能检测常规的直径为50.8、63.5、76.2mm的新、旧油管，还能检测直经为50～150mm的各种无缝油管、焊管和铸铁管，检测油管壁厚度达25mm。基于探伤原理和探头结构，探伤仪对被测件内外表面的非磁性污染不要求严格清洗，极大地方便了用户，扩展了应用场所，减少了检测费用。
4.4　检测灵敏度高，重复性好
　　检测灵敏度不是**地以能检测多么小的缺陷来定义的。根据日本公布的漏磁探伤方法标准JIS Z2319-1991规定，检测试样的内外表面的不平度和壁厚的偏差应小于人工试样上人工刻制缺陷深度的三分之一。其外，试样以规定的速度和运行条件通过探伤仪也是研究检测灵敏度的关键。这样，考核采油油管探伤仪的外表检测灵敏度*高为N5、内壁为N10人工槽(人工加工宽度0.5mm，长度25mm，深度为壁厚5%、10%的矩形槽缺陷)。通常以人工通孔衡量灵敏度，其检测灵敏度一般应为D1.5mm人工通孔。实验证明D0.8mm通孔也可以准确检测，说明探伤仪的某些检测效果优于传统的探伤法。达到上述检测灵敏度时，试样三次通过探伤仪检测的缺陷重现率为100%，说明这种探伤仪对缺陷的检测具有很高的重复性。油管探伤还要检测表面状况较差的重复再用油管，为此探伤仪的检测灵敏度可以根据实际检测需要进行调整。
4.5　标记机构准确、灵活
　　探伤仪的标记喷打装置对准探头出口，采用及时定位打标方式，标记准确覆盖缺陷。探伤仪不配接计算机时(称探伤仪的基本配置)，也能正常检测、标记。配接计算机后(称升档配置)，显示检测过程、分析检测结果、存储检测数据、统计总体质量、驱动定位打标。这为用户根据企业经费、检测条件、人员水平和探伤要求选择不同配置创造条件。

5　检测实例

5.1　试样检测实例
　　图4为采油油管试样。表1为检测条件和检测结果(人工槽宽度为0.5mm，长度为25mm)。

　　　Fig.4　Sample and manualflaw

表1　油管探伤仪对试样的检测结果

Table 1　Results of oil pipe detector detectingsamples

表1说明高速度和饱和磁化既是变化磁通法和漏磁法的特点，也是探伤仪运行的关键条件。

5.2　现场检测实例
　　采油油管高速探伤仪1993年12月至1997年1月在孤东采油厂投入运行以来，检测了126348根油管，检测速度15m/min，检出有缺陷油管21420根，缺陷包括腐蚀坑、麻点、孔洞、工具撕伤、裂纹、抽油杆对内壁磨损槽和油管壁厚超标变化等。
　　**台油管高速探伤仪在大港南部油田修井公司投入运行，1997年6月10日至9月10日检测油管20180根，检测速度38m/min，检出有缺陷油管7138根，特别是油管内壁磨损槽、壁厚变薄、内壁腐蚀和细微裂纹等是水压试验发现不了的缺陷，都被检出