基于磁敏探頭的油管材質(zhì)識(shí)別

馬 娟,樊建春,張來(lái)斌,欒 明

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)電工程學(xué)院油氣安全工程技術(shù)研究中心,北京 102249)

在檢泵周期內(nèi),對(duì)再用油管清洗、維修時(shí),由于區(qū)分其材質(zhì)的標(biāo)記磨損或丟失,容易造成不同材質(zhì)油管的混雜,很難辨識(shí)材質(zhì)。常用的憑借人工經(jīng)驗(yàn)和殘留標(biāo)記辨別油管材質(zhì)的方法辨別率低,且耗費(fèi)人力。當(dāng)人工經(jīng)驗(yàn)無(wú)法辨別時(shí),只能將高級(jí)別性能優(yōu)良的N80等油管降級(jí)為J55使用;當(dāng)?shù)图?jí)別的油管被誤辨別為高級(jí)別的油管時(shí),將為今后埋下巨大的安全隱患。國(guó)內(nèi)的油管用量極大,長(zhǎng)期的循環(huán)降級(jí)處理,將造成極大的資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失[1]?？v觀國(guó)內(nèi)外所采用的材質(zhì)識(shí)別方法,有硬度法[2]、金相法、化學(xué)分析法、電火花法和鐵譜法等。這些方法都無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)大批量、準(zhǔn)確、快速的無(wú)損識(shí)別需求。渦流檢測(cè)是一種成熟的無(wú)損檢測(cè)方法[3],由于其對(duì)材質(zhì)的敏感性,近年來(lái)越來(lái)越多地用于快速材質(zhì)分選[4-6]。當(dāng)激勵(lì)頻率越高,產(chǎn)生的渦流信號(hào)透入油管深度越小,信號(hào)受到油管表面因素影響越大,故要求在較低頻率下進(jìn)行材質(zhì)識(shí)別。但是目前基于渦流的材質(zhì)分選研究主要采用鐵磁線圈傳感器,其信噪比隨工作頻率的降低而減小,或隨著線圈截面尺寸的減小迅速降低。因此,這類傳感器在低頻高分辨率應(yīng)用場(chǎng)合的檢測(cè)效果變得很差。筆者采用的磁敏傳感器在低頻檢測(cè)時(shí)具有良好的響應(yīng)能力,不受頻率制約,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕巧。以下采用磁敏探頭,對(duì)油田大量使用的J55和N 80型油管開展材質(zhì)識(shí)別試驗(yàn),希望為目前的油管分類難題提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 渦流材質(zhì)識(shí)別原理

1.1 金相分析

J55材質(zhì)油管中Mn含量較N80少;J55油管中含有 N80沒(méi)有的Ni和Cu元素;N 80油管中含有J55中沒(méi)有的V。金相分析是金屬材料試驗(yàn)研究的重要手段之一,通過(guò)試樣的截取、鑲嵌、研磨和浸蝕四個(gè)步驟,制備J55和N 80油管的金相試樣。金相試樣通過(guò)100倍顯微鏡放大,如圖1可以看出,J55和N80油管的微觀組織差別很大。微觀組織不同,對(duì)于渦流信號(hào)的影響也會(huì)存在差別。

1.2 渦流材質(zhì)識(shí)別原理

將按一定頻率變化的激勵(lì)電流施加于鄰近金屬上,致使線圈產(chǎn)生作用于金屬表面的電磁場(chǎng),從而在金屬表層內(nèi)產(chǎn)生渦流。渦流又產(chǎn)生反向磁場(chǎng),作用于靠近金屬表面的磁敏傳感器上,如圖2。

圖2 材質(zhì)識(shí)別原理圖

渦流的大小與金屬的磁導(dǎo)率、電阻率、厚度、金屬板與線圈距離、激勵(lì)電流和角頻率等參數(shù)有關(guān)。油管的磁導(dǎo)率較大(一般在102～104數(shù)量級(jí)),故磁效應(yīng)對(duì)渦流信號(hào)的影響比電導(dǎo)率效應(yīng)要大得多。且不同材質(zhì)油管的磁導(dǎo)率不同,當(dāng)固定厚度、距離、激勵(lì)電流和角頻率等參數(shù)的情況下,磁敏元件測(cè)得的磁場(chǎng)變化主要取決于磁導(dǎo)率。由此可快速辨識(shí)油管材質(zhì)。

2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)材質(zhì)識(shí)別的需要,設(shè)計(jì)了圖3所示的油管材質(zhì)識(shí)別裝置框架圖。系統(tǒng)分四部分組成：①激勵(lì)裝置,對(duì)油管提供正弦激勵(lì)。②數(shù)據(jù)采集模塊,通過(guò)磁敏傳感器和采集卡,采集并傳輸油管表面的渦流信號(hào),并轉(zhuǎn)化為電壓值。③PLC控制模塊,通過(guò)步進(jìn)電機(jī)和升降導(dǎo)軌,準(zhǔn)確控制傳感器的測(cè)量位置。④計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊,通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件接收和處理數(shù)據(jù),進(jìn)行材質(zhì)識(shí)別。

圖3 試驗(yàn)裝置框架圖

3 室內(nèi)試驗(yàn)研究

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

激勵(lì)頻率的選擇是渦流檢測(cè)的關(guān)鍵。為了找到區(qū)分J55和N80油管的探頭最佳放置位置和最佳激勵(lì)頻率,分別設(shè)計(jì)了檢測(cè)位置選擇試驗(yàn)和激勵(lì)頻率選擇試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)的總體框架見圖4。

圖4 試驗(yàn)總體方案

3.2 探頭位置選擇試驗(yàn)

因?yàn)橛凸芏祟^的剩余磁場(chǎng)明顯高于管體中央,且中央部位基本為零,所以選擇管體中央放置探頭,以減小剩余磁場(chǎng)對(duì)磁敏探頭的影響。為了找到放置探頭的最佳角度,保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,進(jìn)行了兩組對(duì)比試驗(yàn)：①將探頭旋轉(zhuǎn)了180°進(jìn)行比較(圖5中T0是探頭垂直油管放置,其余則是依次旋轉(zhuǎn)45°所得曲線)。②相同油管,連續(xù)時(shí)間重復(fù)測(cè)量,如圖6。

3.2.1 試樣設(shè)計(jì)

試樣規(guī)格為長(zhǎng)0.5 m,直徑φ73 mm J55油管。要求油管表面無(wú)明顯可剝落銹蝕層。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

(1)旋轉(zhuǎn)探頭,可以得到如圖5所示的結(jié)果,旋轉(zhuǎn)曲線出現(xiàn)了交叉,說(shuō)明在此頻段的激勵(lì)頻率和響應(yīng)電壓的線性關(guān)系不穩(wěn)定。

(2)垂直放置探頭,數(shù)據(jù)具有較好的穩(wěn)定性,如圖6。由于受到噪聲、溫度、冶金因素和周圍不穩(wěn)定磁場(chǎng)的影響,數(shù)值在一定的范圍內(nèi)具有一定波動(dòng)。

3.3 激勵(lì)頻率選擇試驗(yàn)

激勵(lì)頻率和渦流透入金屬的深度之間的關(guān)系如式(1)[7]：

式中 δ——透入深度,mm;

σ——管材材料的電導(dǎo)率,m/Ω?mm3;

μr——管材材料的相對(duì)磁導(dǎo)率,H/m;

f——激勵(lì)頻率,Hz。

激勵(lì)頻率f越大時(shí),透入深度δ越小,油管表面情況對(duì)結(jié)果影響越大;f較小時(shí),δ較大,在穿透深度小于油管厚度時(shí),能更多地反映油管內(nèi)部材質(zhì)的信息。渦流檢測(cè)要求不超過(guò)36.8%的透入深度,結(jié)合油管壁厚得出,激勵(lì)頻率的透入深度大約不能超過(guò)2～2.5 mm,且弱磁場(chǎng)下,一般鋼件在50,100,500和1 000 H z頻率時(shí),其有效透入深度分別為3,2,0.17和0.15 mm左右。所以激勵(lì)頻率選擇試驗(yàn)的范圍選擇在100～1 700 H z。

3.3.1 試樣設(shè)計(jì)

試樣規(guī)格為長(zhǎng)0.5 m,直徑為 φ73 mm的J55和N80油管。要求油管表面無(wú)明顯可剝落銹蝕層。

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

在5 V激勵(lì)電壓,100～1 700 H z激勵(lì)頻率下,試驗(yàn)得出激勵(lì)頻率和響應(yīng)電壓的關(guān)系。圖7中J代表J55油管,N代表N80油管。

(1)在1 400～1 700 H z時(shí),如圖7(a),響應(yīng)電壓幾乎不隨激勵(lì)頻率的變化而變化。即探頭處的磁場(chǎng)強(qiáng)度不變,說(shuō)明渦流信號(hào)透入油管傳播很少,基本在油管近表面。在此頻段,透入深度很小,應(yīng)減小激勵(lì)頻率。

(2)激勵(lì)頻率＜300 H z時(shí),如圖7(b),響應(yīng)電壓較大,且曲線梯度較大;激勵(lì)頻率＞300 H z,響應(yīng)電壓值太小,易受噪聲影響。為了減小噪聲影響,增大透入深度δ,激勵(lì)頻率應(yīng)＜300 H z。

(3)激勵(lì)頻率在100～260 H z范圍內(nèi)時(shí),激勵(lì)頻率和響應(yīng)電壓顯示出較好的線性關(guān)系,且J55和N80的響應(yīng)電壓值區(qū)分明顯,如圖7(c)所示。

3.3.3 試驗(yàn)分析

由于J55和N 80的化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝的差異,導(dǎo)致了磁導(dǎo)率的差別,對(duì)渦流信號(hào)的影響不同,所以磁敏探頭采集的響應(yīng)電壓信號(hào)不同。檢測(cè)結(jié)果顯示：磁敏探頭采集的N80的響應(yīng)電壓曲線位于J55曲線之上。

從以上試驗(yàn)得出,在100～260 H z的激勵(lì)頻率范圍內(nèi),選取合適的激勵(lì)頻率即可區(qū)分J55和N80兩種油管。選取150 H z激勵(lì)頻率時(shí),5 V激勵(lì)電壓時(shí)響應(yīng)電壓值在磁敏探頭的最佳測(cè)量范圍內(nèi),且J55和N80兩種油管的區(qū)分效果良好。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

對(duì)已知材質(zhì)的J55和N 80油管,在5 V的激勵(lì)電壓,150 H z的激勵(lì)頻率下,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),以確定73和89 mm兩種直徑油管響應(yīng)電壓的分界值。

4.1 試驗(yàn)對(duì)象

第一組試驗(yàn)對(duì)象為直徑73 mm的J55和N80油管各90根。

第二組試驗(yàn)對(duì)象為直徑89 mm的J55和N80油管各93根。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

(1)如圖8所示,J55和N80油管在保持其它條件相同時(shí),所測(cè)得的電壓信號(hào)差別明顯,且除個(gè)別混疊值外,J55油管的電壓值小于N80油管的值。

(2)由圖8(a)可知,對(duì)直徑為73 mm的J55和N80的油管,易混疊區(qū)域?yàn)?.85～3.9 V,對(duì)此區(qū)域的值,結(jié)合模糊識(shí)別方法進(jìn)行識(shí)別,J55和N80油管各有2根誤判,區(qū)分度達(dá)到97.8%。

(3)由圖8(b)可知,對(duì)直徑為89mm的J55和N80油管,易混疊區(qū)域?yàn)?.7～3.8 V,對(duì)此區(qū)域的值,結(jié)合模糊識(shí)別方法進(jìn)行識(shí)別,J55油管有3根誤判,區(qū)分度達(dá)到98.3%。

5 結(jié)論

通過(guò)渦流方法識(shí)別J55和N80油管材質(zhì),試驗(yàn)可得出如下結(jié)論：

(1)在合適激勵(lì)頻率下,J55和N 80兩種油管的渦流信號(hào)有明顯區(qū)別,驗(yàn)證了渦流方法可用于油管的材質(zhì)識(shí)別。

(2)在150H z激勵(lì)頻率下,渦流方法區(qū)分J55和N80兩種油管效果較好,兩種材質(zhì)油管的識(shí)別準(zhǔn)確率高于97%。

(3)響應(yīng)電壓大小受到提離、磁敏探頭方向以及激勵(lì)頻率等因素的影響,要很好地區(qū)分不同材質(zhì),對(duì)于此三個(gè)因素的控制尤其重要。

(4)冶金因素的不穩(wěn)定性,也會(huì)使J55和N80兩種油管在區(qū)分時(shí)產(chǎn)生混疊區(qū)域。即使是相同的材質(zhì),由于其冶金條件的差別,也會(huì)對(duì)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。要進(jìn)一步提高識(shí)別的準(zhǔn)確率,仍需要進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

以上研究為多種相近的導(dǎo)磁材料識(shí)別提供了一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

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