卢明峰 矫永平 刘金世

(中国石油大学物理科学与技术学院 山东东营)

抽油杆外穿过式涡流探头的设计制作＊

卢明峰 矫永平 刘金世

(中国石油大学物理科学与技术学院 山东东营)

抽油杆在采油过程中发生断裂会造成很大的经济损失。发生断裂的主要原因是抽油杆表面的裂纹源在周期性载荷作用下由表及里地扩展。文章介绍一种自主设计的外穿过式涡流探头,此类探头可以准确、迅速地检测出抽油杆的裂纹源,与目前常用的漏磁检测探头和点式涡流探头相比,该探头简单、易制作,适合抽油杆的在线检测。

抽油杆;涡流检测;点式探头;外穿过式探头;在线检测

0 引 言

抽油杆在工作中承受拉-拉周期性的交变载荷,长期使用,表面的裂纹会由表及里地扩展,导致抽油杆断裂,这将给油田造成很大的经济损失[1]。抽油杆在制造、运输、安装、使用过程中,由于各种原因会产生表面裂纹,如何有效地检测出这些裂纹,减少问题抽油杆下井,是一个很重要的问题。

本文检测的抽油杆是胜利油田某机械厂生产的20CrMo钢D级CYG16抽油杆。杆体直径Φ22 mm,杆头及接箍直径约为杆体直径的2倍,约Φ41 mm。两端杆头是经锻压处理而成,易出现疲劳裂纹。杆体较长,在制造、运输、安装时容易产生表面裂纹。抽油杆的表面裂纹呈椭圆状。此外,在外界腐蚀作用下,抽油杆表面会形成众多的腐蚀坑。

1 目前检测抽油杆的常用方法

目前油田用于检测抽油杆裂纹的方法有目测法、漏磁检测法、点式涡流探头检测法等。目测法用肉眼进行观察,不仅效率低而且漏检率大,实际中只是用它做一些初步的检测。

漏磁检测法是利用抽油杆被磁化后,其表面和近表面缺陷在抽油杆表面形成漏磁场,通过检测漏磁场以发现缺陷的无损检测技术。井口式抽油杆裂纹在线检测仪,其探伤传感器的组合式探头具有自动张合、浮动和随动功能,能够满足抽油杆在线检测对探伤传感器的要求[2]。但是通过井口上提的抽油杆存在运动中晃动、不对中等问题,这会通过提离效应影响到漏磁检测的效果。另外抽油杆表面众多的腐蚀坑会影响漏磁场的分布,这也会影响漏磁检测的效果。由于传感器紧贴抽油杆表面,传感器的使用寿命会大大减少。这些都是漏磁法用于检测抽油杆的不足之处。

点式涡流探头检测方法是利用涡流检测原理检测抽油杆的,它用于在线检测抽油杆的装置外形与上面漏磁检测装置大体相同。它的不足之处与漏磁法类似,此外,它对连续变化的抽油杆缺陷不敏感[3]。我们制作了一些点式探头,用于检测抽油杆[4]。试验表明点式探头可以明显的检测出抽油杆的裂纹,但是抽油杆的晃动和腐蚀坑也会产生明显的噪声信号,因此点式探头检测法的检测效果并不是特别好。

本文介绍的自主设计的外穿过式涡流探头,很好地解决了抽油杆晃动,表面腐蚀坑等问题,检测过程噪声信号很小。配合爱德森(厦门)电子有限公司生产的智能八通道涡流检测仪(编号EEC-51),可以准确、迅速地检测出抽油杆的表面裂纹源。

2 外穿过式涡流探头的结构和检测原理

2.1 探头结构

自主设计的涡流检测探头为外穿过自比较差动式探头,其结构如图1所示。线圈绕在自制的骨架上,骨架用不同口径的有机塑料管制作而成。设计所用到的A、B、C三类口径的探头,骨架分别为外径Φ50 mm(内径Φ45 mm)、外径Φ60 mm(内径Φ50 mm)、外径Φ70 mm(内径Φ60 mm),它们都可以使抽油杆无摩擦地通过。线圈是用不同直径的漆包线绕制而成。两个差动线圈的电阻、电感等参数应基本相等。它们的空载阻抗差值须控制在5‰以内,否则会影响检测信号。

图1 探头结构示意图

2.2 检测原理

外穿过式涡流探头检测是建立在电磁感应原理基础之上的一种无损检测方法。检测时,将抽油杆穿过探头,由探头线圈建立起的交变磁场会与抽油杆发生电磁感应,在抽油杆表面感应出涡流。感生出的涡流宛若多层密叠在一起的线圈中流过的电流,因此可以把抽油杆看作与检测线圈相互作用的次级线圈。涡流的大小、相位、路径与抽油杆的材料及形状等有关,而涡流产生的感应磁场会反馈作用于探头线圈,从而引起线圈的阻抗变化。类比电感耦合电路的情形,通过分析线圈的阻抗变化就可以判断工件状况了。

3 探头检测效果分析

3.1 仪器的信号处理过程

检测中,智能八通道涡流检测仪(编号EEC-51)向探头的2个线圈提供相同的多频交流电信号。由于2个线圈的阻抗不可能完全相等,涡流仪采用平衡电路消除2个线圈之间的信号差,使输出信号接近于零。如果缺陷出现在1个线圈的下面,就会产生1个很小的不平衡信号,这个信号被放大,然后经过相敏检波和滤波后变成一个包含有线圈阻抗变化的相位和幅度特征的直流信号。这个信号实时显示在阻抗平面图和时基扫描图上。信号可以分解成X和Y两个相互垂直的分量,并且能够同时旋转,这样就能选择任意的参考相位,对信号进行相位和幅度的分析了[5]。

3.2 探头的性能测试

为测试探头的检测性能,在抽油杆上用电火花切割机切出一系列宽0.2 mm,深3 mm的裂纹。图2是仪器的阻抗平面图,图中将人为制造的大的噪声信号与裂纹信号同时显示,X轴是噪声信号,Y轴是裂纹信号,两种信号通过调节相位可以明显的分离开。通过设置阻抗平面图的界面,可以使噪声信号不报警,只有裂纹信号才报警。本文中提到的检测相位都是指使裂纹信号集中显示在Y轴上的相位,这样显示信号可以增加探头的灵敏度。从图2中能看出裂纹信号可以非常清晰地显示出来。

图2 阻抗扫描图

由于腐蚀坑的随机性,在两个线圈下面产生的信号强度和波形具有相似性,因此两个线圈输出信号相抵之后可以大大减小干扰,突出了裂纹信号,提高了信噪比。由抽油杆的晃动、表面磁导率的飘动等引起的噪声信号可以通过调节相位,使噪声信号集中在X轴上显示。这就解决了漏磁检测和点式探头检测所面临的问题。

试验表明,配合智能八通道涡流检测仪(编号EEC-51),自制的外穿过式探头可以准确、迅速地检测出抽油杆的表面裂纹。

3.3 不同结构探头的测试结果分析

1)同一个探头的检测相位,随着检测频率的增加而减小。不同的探头,相同的检测频率,检测相位随着匝数、层数、口径的增加而减小,如图3所示。这个规律可以指导我们迅速找到合适的频率和相位。抽油杆裂纹产生的信号,同抽油杆摆动等产生的信号不同,彼此间的相位有较大的角度差。因此,对于抽油杆中的裂纹,只要适当地选择检测频率和相位就能够有效地检测出来。

2)口径、层数相同的探头,随着线圈匝数的增加,检测裂纹的信噪比增大了,也就是检测的灵敏度提高了。这很容易解释,线圈匝数越多,线圈包围的电磁场就越强,裂纹的反馈信号就越大,这样检测信号的幅值就越大了。但并不是线圈匝数越多越好,匝数越多,线圈越宽,盲区就越大,这样就增大了漏检率。随着线圈匝数的增加,探头的有效检测频率范围变小且趋向于低频,最佳检测频率也相应的变小了,如图4所示。

3)口径、单层匝数相同的探头,随着线圈层数的增加,检测裂纹的信噪比增大了。探头检测频率的变化趋势与增加匝数时的规律类似。探头线圈层数超过四层,其有效检测频率范围就会显著变小,最佳检测频率会很小,这样就会大大限制检测的速度。因此要适当选择线圈的匝数和层数,以便减小盲区,提高检测灵敏度和速度。

图4 不同匝数探头检测频率与信噪比关系

4)层数、匝数相同的探头,随着口径的增加,检测裂纹的信噪比减小了,有效检测频率范围也减小了,但是最佳检测频率保持不变,如图5所示。因此在保证抽油杆能顺利通过探头的前提下,尽量减小探头的口径。

图5 不同口径探头检测频率与信噪比关系

4 结束语

外穿过式涡流探头在抽油杆裂纹检测方面有诸多优势:1)无需耦合剂,不接触抽油杆,这使探头免于磨损,提高了使用寿命,检测对抽油杆表面的清洁度要求也不高;2)可以灵敏地检测出抽油杆的表面裂纹,信噪比可达30以上,裂纹信号在一定范围内有良好的线性显示;3)检测速度高,可以通过调整探头的参数和检测频率、相位等来满足检测需要;4)可以准确地分辨出裂纹信号和由于抽油杆晃动、腐蚀坑等产生的噪音信号,这是较漏磁检测和点式涡流检测的优势之处。

外穿过式涡流检测探头制作简单,仪器操作方便,自动化程度高。将探头安装在井口台架上,配置相应的检测仪器,可以实现对抽油杆的在线检测。这样可以提高抽油杆的检测效率,及时发现问题抽油杆,消除隐患,减少损失,降低采油成本。

[1] 姚红星,柳春图.抽油杆裂纹扩展的实验研究和剩余疲劳寿命的预测[J].机械强度,2007,29(5)

[2] 金建华,康宜华,王俊峰,等.抽油杆裂纹在线定量检测原理与仪器[J].石油矿场机械,1999,28(3)

[3] 杨建华,刘鸿方,芦素萍,等.抽油杆井口探伤检测装置及应用[J].石油仪器,2001,15(5)

[4] 廉纪祥,沈 跃.抽油杆差动式涡流检测探头的研制[J].无损探伤,2007,31(6)

[5] 林俊明.钢管涡流检测技术和EEC数字式探伤仪简介[J].无损检测,1995,17(10)

Lu Mingfeng,Jiao Yongping and Liu Jinshi.Development of the exteriorly-thru-type eddy current probe in testing sucker rod.PI,2010,24(3):12～14

The sucker rod is the main loading component of the oil extraction system in oil fields.If it breaks in the process of production,great losses will 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 paper introduces a kind of self-designed exteriorly-thru-type eddy current probe.The probe can conveniently detect the crack source of the sucker rod,and it is simple in manufacturing process.Compared with point-type eddy current probe and magnetic flux leakage probe,it is suitable for the on-line detection.

sucker rod;eddy current testing;exteriorly-thru-type probe;on line detection

TE3

B

1004-9134(2010)03-0012-03

国家级大学生创新性实验计划项目(081042519)专利已受理,申请号200920282077.7

卢明峰,男,1988年生,本科生,现就读于中国石油大学物理科学与技术学院。邮编:257061

2009-08-31 编辑:高红霞)

·仪器设备·