抽油杆的涡流探伤.PDF

第21卷第11期
元损检赟
Vol 21 No 11
1999年11月
NDT
199
试验研究
抽油杄的涡流探伤
沈跃
(石油大学应用物理弇,山东东营257062)
摘要介绍双过涡沆榢伤仪鉏成的抽油杄无伤统,枢据抽油检测的特殊性在榢
伤象统中引入一个特殊的接口设备,用于完成检別棵头的悠号分配、预处理及亲統控钊。
主返词抽油杆流检验裂纹榢头
EDDY CURRENT TESTING OF SUCKER RODS
(University of Petroleum)
Astraet An eddy current testing system for inspecting sucker rads is introduced. A special interface device
for pre-processing of the signals from inspection probes and for system control has been made
eywords Sucker rod Eddy current inspection Crack Probe
抽油杆断裂事故在油田生产过程中经常发生,桥、干扰制、信号的隔离传輪及系统控制能力。接
断杆停井给井下作业带来的经济损失是巨大的。有ロ中阻抗测量电桥采用对地悬浮结构,利用
关抽油杄断發机理的研究表明,抽油杄断裂是其表阻抗衰减网络达到各搡头桥路的相互隔离,见附图。
面裂纹的萌生所至,其自然裂纹主要由锻造及热处图中线框为任一搡头桥路的具体结构,电阻R1,
理引起,在周期性的应力作用下,这些微裂纹不断生R2,R1R4和k组成电桥静臂,R3Ra,R和探头线
长,当裂纹尺寸扩展到某一临界值时将发生杆的断圏1,Ia组成电桥动臂,R;和Ro为隔离电阻,虚线
裂。涡流检?法具有检湖速度快、灵度高及便框外的电感ム和L用于消除包括工频50Hz在内的
于实现自动控制等特点,尤其适用亍抽油杆的表面低频千扰。在励磁电压源驱动多个电桥槽况下,
裂纹检测。
隔离电阻的作用是抑制各个捡测电桥之间的交叉于
扰,由于各电桥静态参數相互对应,通过对两个相邻
1抽油涡流探伤系统
电桥形成的阻抗网络进行分析,电桥之同的隔离度
抽油杆的表面较为粗糙,检测面呈圆弧状,裂纹可定义如下
检深度要求0.3mm以上,在线检测給要多个检
隔离度=min(20gIK,'20lgiK
测探头沿抽油杆表面圆周方向均匀排布,同时长距
201g1kv 20gkv)(1)
离励磁驱动,对抽油杆进行轴向扫查。考虑到常用的
涡流探伤仪均为双通道式,因此,必须在涡流仪前部
设计一个接口仪器,用于完成探头信号的分配、预处
R1(R3
理及系统控铏
1.1信号捡测与系统控割接口
R, Ra Rna
由双通道涡流探伤仪组成的拙油杄无损探伤系
统采用共享方式分时工作,多个检测探头共享探伤
RNII RA
仪的一个倌号处理通道,对称环抱抽溜杄,对抽菑杄
的整个圆周表面进行同时检测。信号检测与系统控
出至
放大器
制接口将探头倌预处理后传送鈴涡流探伤仪进行
自动分析,该接口具备高频电流驱动、平衡式阻抗电
附图悬浮绪构砠抗测量电桥
500
C1995-2004 Tsinghua Tong/ang Plica Disc Co., Lld. Ali rights resered
沈兵:抽油杆的涡流探伤
K,=2(R+Z,T[(R+Z)+(R+2(2)経前置放大和带通滤波后送入由单片机控制的模拟
Z1(R+Z2)
信号选择器,按预定程序选择的相应探头信号经缓
K
2[(R+Z1)+(R+2)
(3)冲隔离后输人给双通道涡流探伤仪进行处理。由
PIC58BS単片机和光电耦合器构成的1/O控制器,
Kv2(R+21)+(R+215(4)用于探伤仪的自动信号平衡、报警装置控制、抽油杆
扫查驱动装置的启动及运行状态监测。
K
Z2(R+Z1)
.=2(R+Z2?L(R+Z1)+(R+z1(5)1.2检測探头
式中Kv,一一相邻电桥动臂的变化对电桥动臂的
抽油杆在制造过程中,其表面在常压下冷却收
缔会产生皱折,形成许多不规则的凹坑,这些凹坑在
影
Kv,一相邻电桥静臂的变化对电桥动們的检测过程中会形成大量随机出现的毛刺状干扰倍
号,造成测量信噪比下降。抽油杄两端的接箍在锻造
影响
K,一一相邻电桥动悖的变化对电桥静的和热处理过程中会使周固材质的物理性质发生变
化,从而引起测量信号的漂移。为了减小上述影响,
影响
检测探头采用自比较式结构,同时,为了保证檢测灵
Kv,一相邻电桥静臂的变化对电桥静慣的敏度和高信噪比,磁心端面设计成与抽油杆圆周表
影响
面相同或相近的弧面。为防止磁心与抽油杆表面产
Z1--电桥动等效阻抗
生接触層损,在探头两侧嵌入金刚石复合片支撑。探
Z2一电桥静等效阻抗
头的两个线圈在交变磁场下会形成一个弱交变的磁
R一一隔离电阻
路,设其互感为M,则耦合系数为
由各式可知,在没有隔离电阻的情况下,即R=
一2
0时,Kv(i=1,2,3,4)仅仅是电桥动、静阻抗的
比值关系,在Z1Z2处于最佳组合Z1=Z2条件下,
隔离度不会超过20g4=12dB;如果隔离度太小,则式中
2一单个线圈电感量,H
I一一炳线圈申联后的总电感量,H
相邻电桥的相互干扰将导致各电桥无法达到静态平
L1+L2+2M
衡。在隔离电阻不为零条件下,如果R>Z1,Z2,则隔
两线圈呈中等程度电磁棚合,有一·定的潘磁通
离度将会极大地提高,从而大大减小电桥之间的交
其中部分漏磁通作用于抽油杆表面产生涡流磁
叉千扰,通过合理选定R的阻值及调整电桥参数可
场。当励磁频率提髙时,由于磁场的收缩作用,造成
使各个检测电桥之间有较大的隔离度(一般要求空气磁略的边缘效应减小,漏磁通减弱,此时漏磁通
40dB以上)。加入隔离电阻后,电桥输出端与电位地
的最大值为
之间呈悬浮状态,极易引入工频干扰,由于乙,L'的
11十
电感量较小(L='<100mhH),因此,L,'与各检测
FN 2N
电桥静形成的虚拟电桥可以消除工频50iz在各式中Un一-励磁电压最大值
电桥静臂上产生的干扰信号。通常将电桥调整为近
Im-一线圈励磁电流最大值
平衡状态,使信号处理系统偏离噪声区。当多个检测
N一线圈匝数
探头通过同一对电魏芯线进行长距离电流驱动时,
f一磁频率
由于电缆芯线存在电阻和分布电抗,高频电流通过
由于探头线圈的电流受线径限制,所以Um不
时会产生信号衰减,其衰减量与电缆电参数、传输距能加得很高。同时,频率提高后金属的集肤效应会使
离和梲测探头阻抗有关,这一部分损耗被折合进阻电磁透入深度减小,因此,在兼顾探头的定向性和透
抗电桥的动臂,考虑到电桥臂的两个桥臂新增阻入深度的情况下,将励磁频率定为50kHz。探头架用
抗不可能完全一致,可以调整精密电位器R。,利用于固定检测探头,分为两层,每层放置四个探头,层
R1,R,R的电阻网络使两桥