高温电磁探伤传感器优化设计与应用

2018-03-26任忠明邢建民

石油管材与仪器 2018年1期

关键词：金属管磁导率铁芯

任忠明，吴丹，邢建民

(1.大庆油田测试技术服务分公司黑龙江大庆 163453；2.大庆钻探工程公司测井公司黑龙江大庆 163412)

0 引言

电磁探伤测井仪采用低频涡流原理来对油管和套管进行无损检测[1]，不受井内介质、死油、水泥块及其它非金属套管附着物的影响, 克服了声波、机械井径等检测方法在这方面的不足。

电磁探伤测井仪具有较大的探测范围、较小的外径，可在油管中同时完成针对油管和套管质量状况的检测，从而避免了不必要的起下油管的作业，节约了作业成本[2]。

随着油田高温深井、深层气井等套损检测需求的增多和油田外部市场的不断开拓，对电磁探伤测井仪的耐温性能指标提出了更高的要求。当前的电磁探伤测井仪由于传感器耐温指标限制，仅能用于一般井测井；为满足研制高温电磁探伤仪器的需要，设计了高温电磁探伤传感器。

1 电磁探伤传感器工作原理

电磁探伤仪的物理基础是法拉第电磁感应定律。在一根铁芯的外骨架上，分别缠绕着发射线圈和接收线圈。探伤传感器的基本测量原理示意图如图1所示，通过一组发射线圈首先产生低频电磁激励，在周围的金属管I和II中激发出涡流信号。理论分析和计算表明，金属管I和II中涡流的流动和分布状况，如幅度、相位和方向等，受金属管本身的电磁性能及形态等因素影响，即该涡流信号包含了金属管I和II的状况信息；其次，金属管I和II中流动的涡流也会激发一个二次磁场，并在接收线圈中感应出电压信号，该感应电压信号直接与金属管的状况有关[3]。通过对这个信号的相位、幅度等信息的综合分析，最终得到井身状况等有用信息。

图1 测量原理示意图

2 高温电磁探伤传感器优化设计

电磁探伤测井仪由于传感器耐温性能低，在高温环境下，传感器产生的磁场强度弱，导致仪器灵敏度降低、分辨率减小，无法正确评价被测件的损伤程度。为了提升仪器的温度性能，扩大仪器的应用范围，需要对电磁探伤测井仪传感器的铁芯材料进行优选，对铁芯及线圈的结构及工艺进行技术改进。

2.1 传感器铁芯材料优选

一般用于加工传感器铁芯的铁磁性材料，如普通硅钢片或铁氧体等铁磁物质的磁导率，会随着温度的变化而发生改变，当温度升高时，磁导率下降，发射线圈磁通量会随之较少，降低传感器发射电磁场的范围。

磁导率μ和磁通量Φ公式为：

μ=B/H

(1)

Φ=B×S

(2)

式中，B为磁感应强度，H为磁场强度，S为接收线圈截面积。

铁磁材料磁导率的大小决定其在磁场中导通磁力线的能力，即磁感应强度的大小。当磁导率下降，激励线圈产生的磁感应强度下降，则传感器接收线圈中通过的磁通量会随之减小，由于金属管中激发的涡流信号所包含的金属管状况信息均通过接收线圈中经过的磁通量所产生的感应电动势反映出来。

因此必须优选出在高温环境下，磁导率下降幅度相对较小的铁芯材料。铁磁性物质种类较多，选取适用于铁芯加工的坡莫合金、微晶合金、电磁纯铁三种铁磁性物质类型进行了优选试验。

试验条件是在室内烘箱，温度设置在150 ℃，将坡莫合金、微晶合金、电磁纯铁三种材料铁芯分别插入传感器线圈内，通过检测电路，检测接收线圈感应电压信号，该信号间接反映铁芯的磁导率变化。试验结果见表1。

表1 三种铁芯材料在高温下检测的电压信号值

由表1可知，在150 ℃时，装有电磁纯铁与坡莫合金材料铁芯的传感器接收线圈电压信号平均降幅超过60%，绝对数值已经无法反映被测件的实际情况，装有微晶合金材料铁芯的传感器电压信号下降40%，并且其信号绝对数高于另两种材料。通过进行电路补偿，使用微晶合金材料铁芯的传感器可以适应高温下电磁检测的要求。

2.2 传感器结构和线圈绕制

由于油水井井下金属管壁会存在纵向裂缝、横向裂缝、壁厚变化等不同类型的井壁状况，为适用于检测不同内径的油管和套管的纵向裂缝、横向裂缝、壁厚变化等不同类型的井壁状况，需要不同方向和不同尺寸的传感器进行检测。

因此，电磁探伤测井仪传感器结构设计了纵向放置的长传感器A,主要用于检测内径较大的套管井壁状况；纵向放置的短传感器C，主要用于检测内径较小的油管井壁状况；横向放置的传感器B，主要用于检测横向裂缝等井壁状况。传感器结构示意图如图2所示。

传感器线圈绕制在特氟龙材料骨架上，特氟龙材料具有耐高温、抗腐蚀、膨胀率低的特点，适合于高温、高压环境下作为线圈骨架使用。

图2 传感器结构示意图

传感器线圈绕制主要从所用的绕线、传感器的绕制方式上来考虑。电磁探伤传感器采用差分自比较式的绕制方案，特点是具有良好的对称性，能够保证与电磁探伤测井的前置放大电路的配合，减少噪声，抑制温漂，同时敏感于有用信号。差分式绕制是由一对反向连接的线圈绕制在骨架上组成，当两个线圈处于相同条件时，所测的感应电压值相互抵消，线圈能感应出被测件的变化。

这对线圈分别为激励线圈和接收线圈。其绕制参数计算依据如下[5]：

激励线圈采用电流激励方式，其中心磁通密度Bx公式：

(3)

式中，μ0为空气中的磁导率；n为激励线圈匝数；l为线圈长度；im为线圈电流；a为绕线直径；d为线圈直径；D为线圈外径。

接收线圈感应电动势公式：

(4)

式中，n为接收线圈匝数；l为线圈长度;a为绕线直径；t为激励周期；d为接收线圈直径；D为接收线圈外径。

由于电磁探伤测井仪的内径和铁芯材料在空气中磁导率μ0是固定不变的，激励周期t设为400 ms，为保证激励线圈激发磁场强和接收线圈感应电动势足够大，提高传感器灵敏度，线圈的匝数n要与线径a和线圈长度l等进行最优化计算。通常激励线圈电流较大，线径采用0.56 mm漆包线，绕制800匝；接收线圈线径采用0.1 mm漆包线，绕制2 000匝。

3 电磁探伤传感器高温性能检测

在室内将传感器放入烘箱内，烘箱加温设为150 ℃，并用长高温导线引出传感器的初、次级线圈的起始端，用LRC电桥测量升温过程中传感器的初、次级线圈的电感值。检测过程中，检查了线圈骨架是否有变形、开裂，骨架接头封固胶是否有熔化等现象。当温度达到150 ℃后，保持恒温，并每隔20 min记录一次初、次级线圈的电感值，持续检测2 h。检测数据见表2、表3。