MTC鋼絲繩電腦探傷儀在油田的應(yīng)用

聶炳林

中國石化海上石油工程技術(shù)檢驗(yàn)中心（山東東營257001）

MTC鋼絲繩電腦探傷儀在油田的應(yīng)用

聶炳林

中國石化海上石油工程技術(shù)檢驗(yàn)中心（山東東營257001）

鋼絲繩在油氣田勘開發(fā)中對安全有直接影響，根據(jù)漏磁檢測原理，研制了MTC鋼絲繩檢測儀器，通過測定金屬面積損失和局部缺陷，能夠?qū)崿F(xiàn)對鋼絲繩斷絲、磨損等缺陷的定性、定量檢測，并能夠?qū)θ毕葸M(jìn)行定位，為鋼絲繩的壽命評估提供了依據(jù)。

鋼絲繩探傷漏磁

1 問題的提出

鋼絲繩在油氣田勘探開發(fā)中應(yīng)用非常廣泛，如在鉆、修井機(jī)、油井抽油、撈砂、頓鉆和清屑等方面都大量使用。鋼絲繩在工作過程中，會發(fā)生疲勞、銹蝕、磨損、斷絲等現(xiàn)象，從而影響到設(shè)備和系統(tǒng)的安全運(yùn)行和人員的生命安全。近年來，隨著我國深井和超深井鉆探開采工作的不斷發(fā)展，鉆井鋼絲繩的使用條件更加惡劣，發(fā)生了許多鋼絲繩斷裂事故，損失慘重，因此進(jìn)行鋼絲繩剩余強(qiáng)度定量評定方法及檢測方法的研究具有重要意義。

傳統(tǒng)的鋼絲繩檢測方法是人工目視檢查。這一方法由專職檢測人員定期對使用中的鋼絲繩進(jìn)行觀察。采用卡尺測量繩徑，手摸或肉眼尋找缺陷。顯然，人工目視檢查只能發(fā)現(xiàn)鋼絲繩中露在外部的缺陷(如斷絲)，而對內(nèi)部的斷絲、銹蝕等缺陷則無能為力。且人工檢查速度較慢，受人為因素影響較大，檢查結(jié)果可靠性差。

目前，鋼絲繩判廢切除主要是依據(jù)API RP 9B規(guī)則《油田用鋼絲繩的使用、維護(hù)推薦做法》，該規(guī)則根據(jù)鋼絲繩的使用工作量評定鋼絲繩的壽命，即以鋼絲繩承受的載荷與工作行程作為鋼絲繩報(bào)廢切除的依據(jù)，這是一種經(jīng)驗(yàn)的定性的方法，對具體工況下鋼絲繩的損傷和壽命無法較準(zhǔn)確地評定：要么對鋼絲繩壽命消耗估計(jì)過少，導(dǎo)致鋼絲繩斷裂；要么對鋼絲繩壽命消耗估計(jì)過多，造成過早切除浪費(fèi)。因此，對鋼絲繩進(jìn)行安全性定量評定是十分必要的。

2 MTC鋼絲繩檢測原理

2.1 組成

電腦探傷儀系統(tǒng)的組成如圖1。主要由檢測傳感器、脈沖編碼器、信號處理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、鋼絲繩定量分析軟件及聲光報(bào)警輔助功能裝置構(gòu)成[1,2]。傳感器將鋼絲繩缺陷所形成的漏磁場信號轉(zhuǎn)化為微弱的電信號;信號處理系統(tǒng)將獲得的電信號經(jīng)放大、濾波、調(diào)理后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并送到計(jì)算機(jī)的并行口;脈沖編碼器發(fā)出脈沖控制計(jì)算機(jī)對并行口數(shù)據(jù)采樣;鋼絲繩定量分析軟件對采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示，并在檢測到缺陷時(shí)觸發(fā)聲光報(bào)警輔助功能裝置工作[3]。

2.2 檢測原理

鋼絲繩表面及內(nèi)部斷絲和因磨損、疲勞、變形等引起的鋼絲繩橫截面中金屬截面積變化從而導(dǎo)致磁場發(fā)生變化，鋼絲繩檢測裝置是一種利用磁性檢測原理定量檢測漏磁場進(jìn)行缺陷判斷的無損檢測儀器。

磁性檢測原理是，在磁場的作用下，鋼絲繩上的物理缺陷(如斷絲、銹蝕、磨損等)影響鋼絲繩的磁場分布，利用磁敏檢測元件(如霍爾元件、感應(yīng)線圈、磁敏二極管、三極管等)檢測磁場的變化特征，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，通過電信號的變化表征鋼絲繩的物理缺陷[3]。

圖2為鋼絲繩磁性檢測原理示意圖，磁鐵、銜鐵、磁鐵與鋼絲繩間空氣隙和鋼絲繩構(gòu)成勵磁回路。磁鐵將鋼絲繩磁化至飽和狀態(tài)，當(dāng)磁化區(qū)域內(nèi)的鋼絲繩上存在物理缺陷時(shí)，鋼絲繩上的磁場分布就會變化，磁場分布的變化因缺陷的性質(zhì)不同而不同。若缺陷為斷絲，在斷絲處由于空氣隙的磁阻遠(yuǎn)大于鋼絲繩磁阻，部分磁力線會泄漏到鋼絲繩外從而形成漏磁場；若缺陷為銹蝕或磨損，鋼絲繩的金屬截面積發(fā)生變化，而使磁路的主磁通發(fā)生變化。通過布置在鋼絲繩磁化段中部均勻磁場區(qū)域的磁敏檢測元件檢測鋼絲繩磁場分布的變化，可以獲得包含鋼絲繩物理缺陷特征的信號，對信號進(jìn)行處理、分析可以實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的定量檢測。因此根據(jù)鋼絲繩的結(jié)構(gòu)和缺陷特征，研究出鋼絲繩檢測的兩種方法：

2.2.1 金屬橫截面積損失檢測（LMA）

其原理是主磁通測定法，即利用強(qiáng)磁場作為勵磁源，將處于兩磁極間的一段鋼絲繩磁化到飽和。根據(jù)磁學(xué)的有關(guān)理論，鐵磁材料在磁飽和情況下，材料內(nèi)的磁通量與金屬橫截面積的大小成正比，故由傳感器所測出的磁通量的變化，即為鋼絲繩金屬橫截面積的變化。

2.2.2 局部損傷檢測（LF）

局部損傷主要是指斷絲、銹蝕坑、變形等所引起的鋼絲繩局部物理狀態(tài)的退化。智能鋼絲繩探傷儀采用漏磁檢測的原理檢測鋼絲繩中此類損傷。

將上述兩路檢測信號（LMA）和（LF）以及距離信號分別送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，檢測信號經(jīng)放大、濾波等處理后有計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集和判別，得出檢測結(jié)果，檢測結(jié)果可顯示、儲存和打印。

鋼絲繩運(yùn)行的位置有光電編碼器編碼后進(jìn)入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對位置編碼器發(fā)出脈沖信號計(jì)數(shù)，通過邏輯運(yùn)算后得到精確的位置。

2.3 設(shè)備技術(shù)性能[1]

采用不同的探頭規(guī)格，可以檢測的鋼絲繩范圍為Ф5～85mm。

檢測繩長：≥10 000m，距離分辨率：0.02m。檢測繩速：0.3～3.5m/s。

LMA測量誤差：±0.1%（LMA量程為20%），分辨率：0.01%。

LMA檢測靈敏度：缺陷寬度≥10mm。

LMA定量分析：缺陷寬度≥50mm，銹蝕、磨損金屬橫截面積>1%。

LF檢測靈敏度：銹蝕、斷絲、變形、松股。工作溫度：-20℃～40℃。電源：內(nèi)置電池供電

3 鋼絲繩檢測處理系統(tǒng)

3.1 鋼絲繩檢測典型波形

3.1.1 單端缺口LF、LMA信號波形（圖3）

3.1.2 小斷口LF、LMA信號波形（圖4）

3.2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

被測鋼絲繩全程測錄完畢后，由計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確反映出被測鋼絲繩全程的損傷點(diǎn)數(shù)目及位置坐標(biāo)，同時(shí)在位置坐標(biāo)點(diǎn)上定量反應(yīng)損傷當(dāng)量?？刂铺幚硐到y(tǒng)按被測鋼絲繩檢測依據(jù)（或標(biāo)準(zhǔn)）中損傷量的大小，與其損傷當(dāng)量相對應(yīng)進(jìn)行分析處理，作出該鋼絲繩在某位置磨損、銹蝕、截面變形、斷絲等的損傷判斷結(jié)論。其次，控制處理系統(tǒng)對被測鋼絲繩損傷點(diǎn)的損傷程度進(jìn)行全面評價(jià)，見損傷度類別評價(jià)表1。

表1 鋼絲繩局部缺陷統(tǒng)計(jì)表(損傷類別評價(jià))

4 鋼絲繩現(xiàn)場應(yīng)用

使用鋼絲繩檢測設(shè)備，我們檢測了大量的淺（灘）海油氣勘探用鋼絲繩，以海洋鉆井公司KD26平臺一小型吊機(jī)用鋼絲繩為例，鋼絲繩型號為8X(19)（1+9+9）線接觸(纖維芯，通過檢測得到圖5波形：

檢測結(jié)果分析如下：

（1）檢測鋼絲繩長度：128.88 m。

（2）鋼絲繩外層繩股承載鋼絲總數(shù)：114根。

（3）鋼絲繩金屬斷面積減少最大差值：2.37%，位置：119.30m，未超過允許的最大值（10%）。6d（63mm）內(nèi)最大斷絲數(shù)：4根，位置：121.40 m，已超過允許的最大值：2根。30d（315mm）內(nèi)最大斷絲數(shù)：4根，位置：121.40 m，已超過允許的最大值：4根。

（4）局部缺陷詳見表2。

鋼絲繩6d內(nèi)斷絲數(shù)，30d內(nèi)斷絲數(shù)均已超出GB/T 5972-2006中的要求。

（5）該鋼絲繩應(yīng)報(bào)廢。

表2 鋼絲繩局部缺陷統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)束語

MTC鋼絲繩電腦探傷儀可以對鋼絲繩表面的磨損、銹蝕、截面變形、斷絲等缺陷和損傷給出定性及定量的檢測結(jié)果，尤其是精確的定量檢測數(shù)據(jù)。檢測方法簡介、分辨率強(qiáng)、靈敏度高、抗干擾強(qiáng)、易于操作，適合現(xiàn)場檢測。由于檢測結(jié)果直觀明了，可以定量給出鋼絲繩的損傷結(jié)果，準(zhǔn)確判斷鋼絲繩的壽命及強(qiáng)度，比以往的檢測方法精確度更高，可靠性更強(qiáng)，手段更先進(jìn)，對于淺（灘）海的鋼絲繩的出廠檢驗(yàn)、定期檢驗(yàn)、驗(yàn)收檢驗(yàn)等均有應(yīng)用價(jià)值。

[1]謝三洋，武新軍，康宜華.鉆井鋼絲繩檢測方法與裝置的研究[J].石油礦場機(jī)械,2006,35(4):73-75.

[2]王云霞.MTC-B型鋼絲繩驗(yàn)繩探傷裝置的研制[J].煤礦機(jī)械，2003(7)：71-72.

[3]安紅艷，羅云東.鋼絲繩無損檢測技術(shù)的應(yīng)用與開發(fā)[J].寶鋼技術(shù)，2000(5)：48-51.

Wire ropes have direct influence on the safety in the oil and gas exploration and development.According to the principle of magnetic flux leakage inspection,MTC wire rope detector has been developed.By determining the losses of metal area and local defects,the detectors can have both qualitative and quantitative detection on the defects like the broken wire,the wearing and damage.Meanwhile,the detector can also locate the position of defects and provide some basis for the evaluation on the service life of wire ropes.

wire rope;detecting the wound;magnetic flux leakage

2010-08-08▎

聶炳林（1972-），男，高級工程師，現(xiàn)主要從事海上油田專業(yè)設(shè)備檢驗(yàn)檢測工作和產(chǎn)品認(rèn)可工作。