石油套管漏磁檢測標(biāo)準(zhǔn)影響因素研究

徐金龍 曹 標(biāo) 華 斌 馮浚漢

(1.湛江出入境檢驗(yàn)檢疫局 廣東湛江 524022；2.廣東出入境檢驗(yàn)檢疫局)

1 前言

石油套管在鉆井過程中不僅要承受拉伸、扭曲、壓彎等多種應(yīng)力作用，還受到泥漿的沖刷和腐蝕，服役條件十分惡劣。若管材本身存在缺陷，就可能使管柱強(qiáng)度明顯降低，甚至出現(xiàn)斷裂、穿孔，造成鉆井事故，給油田帶來經(jīng)濟(jì)損失。因此，在套管下井之前利用無損探傷技術(shù)將管材上的缺陷準(zhǔn)確檢測尤為重要。

套管無損檢測主要檢測方法有超聲波探傷、渦流探傷、漏磁探傷等。油套管的缺陷形式存在著多樣性，一般分類為：橫向缺陷，指沿油套管周向上的損傷，主要包括管壁的腐蝕、裂紋、孔洞等；縱向缺陷，指與油套管軸線方向平行缺陷，其主要包括縱向裂紋、折疊、偏磨和劈縫等。油套管內(nèi)、外壁均有可能存在缺陷，如何將其全部檢測出來，是各種檢測方法首先考慮的問題。超聲波、漏磁、渦流和磁粉檢測方法只能檢測鋼管的表面和近表面缺陷，且磁粉探傷方法只能靠人眼觀察，效率低，無法定量；漏磁檢驗(yàn)方法存在管端各有一段不可探測區(qū)[1]。丁勁鋒[2-3]利用漏磁檢測方法很好的對油套管螺紋區(qū)進(jìn)行缺陷的檢測。渦流探傷的質(zhì)量不能滿足這一要求；若將探傷效率和成本綜合考慮，超聲波探傷也難達(dá)到其要求。因而，漏磁檢測方法越來越多地被用于油套管缺陷的檢測。

2 漏磁檢測基本原理

石油套管漏磁檢測原理是建立在鐵磁性材料高磁導(dǎo)率的特性基礎(chǔ)上，通過測量鐵磁性材料中由于缺陷所引起的磁導(dǎo)率變化來檢測在役石油套管的狀況，石油套管在外加磁場的作用下被磁化，當(dāng)無缺陷時(shí)，磁力線絕大部分通過鐵磁性材料，此時(shí)在材料內(nèi)部磁力線分布均勻；當(dāng)有缺陷時(shí)，由于材料中缺陷的磁導(dǎo)率比鐵磁性材料本身小，致使磁力線發(fā)生彎曲，并具有一部分磁力線泄露出材料表面，通過檢測該泄露磁場，就能有效的檢測出缺陷的存在。

依據(jù)GB/T12606-1999鋼管漏磁探傷方法，在實(shí)施磁性檢測方法時(shí)，針對被檢測缺陷的特征，選擇不同的檢測方式和結(jié)構(gòu)。對于橫向缺陷，采用沿管軸線方向磁化并沿管圓周布置磁測量元件的檢測方法。檢測過程中油套管穿過探靴，沿軸向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對缺陷部位的掃描和探測，稱為橫向檢測法。對縱向缺陷，磁化磁場應(yīng)該沿著油套管的圓周，而檢測元件沿油套管的軸向布置。檢測過程中油套管做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，沿油套管周向掃描并探測缺陷，為縱向檢測法。因此，要實(shí)現(xiàn)油套管不同方向缺陷的檢測，不可避免地需要兩種類型的探靴：橫向檢測探靴和縱向檢測探靴，如圖1、圖2。

圖1 縱向檢測（周向磁化）

圖2 橫向檢測（軸向磁化）

3 漏磁檢測的方法標(biāo)準(zhǔn)

檢驗(yàn)檢疫系統(tǒng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“SN/T0820-2011進(jìn)出口石油套管、油管檢測規(guī)程對石油套管”在無損檢測處要求用超聲波、滲透、磁粉檢測方式進(jìn)行檢測。在檢驗(yàn)檢疫系統(tǒng)因漏磁檢測使用成本高，相對來講通過超聲波、滲透、磁粉檢測3種檢測方式的結(jié)合也可以滿足石油套管的進(jìn)口檢測要求，故該行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)沒有要求利用漏磁檢測方法。目前湛江口岸對進(jìn)出口石油套管采用監(jiān)管及查驗(yàn)方式。

GB/T 12606-1999標(biāo)準(zhǔn)包含了石油套管縱橫向漏磁檢測內(nèi)容，基本涵蓋了ISO 9402和ISO 9598兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容。并增加了探傷原理介紹。ASTM E570-2009標(biāo)準(zhǔn)對鋼管漏磁檢測的偏心影響和內(nèi)外缺陷的檢測描述比國標(biāo)和ISO 標(biāo)準(zhǔn)更加完備。ISO 10893-3-2011標(biāo)準(zhǔn)涵蓋無縫和帶焊縫鋼管自動(dòng)漏磁檢測內(nèi)容。規(guī)定了可接受驗(yàn)收的四個(gè)等級，其等級規(guī)定相對API 5CT來講范圍更寬，等級要求多了F5等級。

API 5CT對套管無損檢測部分漏磁檢測四類鋼級檢測標(biāo)準(zhǔn)及驗(yàn)收等級進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定：（1）N80Q、M65、L80和R95：鋼級套管和油管的全管體、全長無損檢驗(yàn)按ISO 9402 或ASTM E570規(guī)定的漏磁檢驗(yàn)；按驗(yàn)收等級L4 檢驗(yàn)內(nèi)、外表面上的縱向缺欠。（2）符合A.10 SR16的P110鋼級：套管和油管的全管體、全長無損檢驗(yàn)按ISO 9402或ASTM E570（縱向）和ISO 9598或ASTM E570（橫向）規(guī)定的漏磁檢驗(yàn)；按驗(yàn)收等級L4 檢驗(yàn)內(nèi)、外表面上的縱向和橫向缺欠。（3）P110鋼級和符合A.10 SR16和A.3 SR2的P110鋼級：套管和油管的全管體、全長無損檢驗(yàn)按ISO 9402 或ASTM E570（縱向）和ISO 9598或ASTM E570（橫向）規(guī)定的漏磁檢驗(yàn)；按驗(yàn)收等級L2 檢驗(yàn)內(nèi)、外表面上的縱向和橫向缺欠。（4） C90、T95、C110和Q125 鋼級：套管和油管的全管體、全長無損檢驗(yàn)按ISO 9402或ASTM E570（縱向）和ISO 9598或ASTM E570（橫向）規(guī)定的漏磁檢驗(yàn)，按驗(yàn)收等級L2檢驗(yàn)管子外表面上的缺欠。

4 自動(dòng)漏磁檢測的影響因素及相應(yīng)措施

以國內(nèi)某大型鋼管廠漏磁自動(dòng)檢測設(shè)備為例，介紹漏磁檢測的影響因素及應(yīng)對措施[4]。

4.1 旋轉(zhuǎn)探頭轉(zhuǎn)速與管速的匹配影響及應(yīng)對措施

4.1.1 匹配影響

探傷設(shè)備采用感應(yīng)線圈作為傳感器檢測漏磁場，根據(jù)法拉第定律，當(dāng)線圈與磁場相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為：

ε=NBLv

式中：N為線圈匝數(shù)；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；L為線圈長度；v為相對速度。

由此可知，采用感應(yīng)線圈時(shí)，檢測的電動(dòng)勢

大小與線圈砸數(shù)、線圈長度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、線圈與工件的相對運(yùn)動(dòng)速度成正比。為保證有足夠的靈敏度將磁化電流調(diào)整到足夠大(橫向磁化電流>4 A，縱向磁化電流>10 A)，使工件被飽和磁化，形成漏磁場。v理論上講應(yīng)該是越大越好,但由于縱向檢測采用旋轉(zhuǎn)法，存在轉(zhuǎn)速與管速的匹配問題，易造成漏檢。

設(shè)工件前進(jìn)速度為v，探頭的有效長度為L，探頭轉(zhuǎn)速為n，則探頭旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為t1=60/n，工件前進(jìn)L所用的時(shí)間為t2=L/(1000 v)，當(dāng)t1=t2，即v=(Ln)/(60×1000 時(shí)，可以保證100%全掃描。當(dāng)t1>t2，即v > (Ln)/(60×1000) 時(shí)，旋轉(zhuǎn)探頭不能保證對被檢工件表面100%掃描,易造成漏檢。當(dāng)t1

4.1.2 應(yīng)對措施

（1）調(diào)整磁化電流，使套管被飽和磁化；

（2）尋求最佳的轉(zhuǎn)速、管速匹配，在保證套管表面被110%檢測的同時(shí)，提高檢測效率。GB/T 12606標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要有不低于10%的覆蓋率，建議使用套管表面檢測覆蓋率為110%的轉(zhuǎn)速與管速匹配。

4.2 探頭提離距離影響及應(yīng)對措施

4.2.1 影響

探頭是漏磁探傷的關(guān)鍵部件，常用的有感應(yīng)線圈和霍爾元件等。國內(nèi)及進(jìn)口的漏磁儀器多是采用感應(yīng)線圈的漏磁探傷設(shè)備[1]。為檢測漏磁場，探頭必須與套管表面相對運(yùn)動(dòng)，而且該設(shè)備為提高檢測靈敏度采用探頭與套管表面摩擦接觸，隨著檢測數(shù)量的增多，探頭保護(hù)層磨損變薄，使感應(yīng)線圈與套管表面提離距離減小。而漏磁感應(yīng)強(qiáng)度與探頭提離距離成反比，距離減小，漏磁感應(yīng)強(qiáng)度增大。

4.2.2 應(yīng)對措施

在檢測過程中應(yīng)定期檢查探頭磨損狀況，并按照操作規(guī)程校驗(yàn)系統(tǒng)探傷靈敏度。

4.3 同軸度影響及應(yīng)對措施

4.3.1 影響

同軸度對探傷結(jié)果也有較大影響。要求設(shè)備的傳送裝置、夾緊裝置、檢測裝置的中心線與鋼管軸線在一條直線上。在旋轉(zhuǎn)探頭檢測時(shí)，因同軸度不一致，可導(dǎo)致對同一缺陷,漏磁場的大小有差異，易造成漏檢和誤檢，見圖3。

4.3.2 應(yīng)對措施

定期檢查調(diào)整同軸度、探頭。調(diào)整縱向磁極使其兩端在同一水平面上，并使兩端距套管中心距離相同,調(diào)整橫向探頭使與套管距離相同,減少同軸度對檢測效果的影響；根據(jù)電腦顯示的各探頭靈敏度情況適當(dāng)增加或減少系統(tǒng)增益以保證探頭具有合適的靈敏度。

圖3 同軸度對旋轉(zhuǎn)磁極的影響

4.4 樣管與缺陷影響及應(yīng)對措施

4.4.1 影響

按照API 5CT 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，漏磁探傷采用人工樣管當(dāng)量對比法，即在樣管內(nèi)、外壁刻制矩形槽，用該樣管調(diào)整儀器的探傷靈敏度，并設(shè)定儀器的報(bào)警門限值。以該靈敏度為基準(zhǔn)，對套管進(jìn)行探傷，若缺陷波高超過設(shè)定的門限值，為超標(biāo)管，低于門限值，則為合格管。人工樣管與缺陷的影響如下：

（1）樣管刻痕，為與鋼管表面垂直的理想缺陷，未考慮實(shí)際缺陷與磁場的影響；

（2)樣管外壁刻痕在多次使用后,會(huì)產(chǎn)生磨損，刻痕寬度增大，深度減小，漏磁場強(qiáng)度降低；

（3）缺陷寬度對漏磁場的影響，在一定寬度范圍內(nèi)，寬度增加，漏磁感應(yīng)強(qiáng)度也增加，超過一定范圍,漏磁感應(yīng)強(qiáng)度降低。故缺陷深寬比在一定值范圍內(nèi)，檢測效果佳；

（4）缺陷深度對漏磁場的影響，表面缺陷越深，漏磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，為近似線性關(guān)系；

（5）缺陷傾角對漏磁場的影響，缺陷垂直于鋼管表面時(shí)，漏磁場最強(qiáng)，也最容易被檢出，隨著缺陷與鋼管表面傾角增大,漏磁場逐漸降低直至消失。

4.4.2 應(yīng)對措施

嚴(yán)格按照API 標(biāo)準(zhǔn)制作外壁N5內(nèi)壁N10的刻槽樣管,且要根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際制作不同管徑的樣管。GB/T12606針對刻槽樣管內(nèi)外壁槽深根據(jù)不同等級而分類，一般因內(nèi)壁信號弱而增加內(nèi)壁刻槽深度。漏磁設(shè)備校準(zhǔn)應(yīng)按ASTM E543進(jìn)行。

4.5 磁極氣隙影響及應(yīng)對措施

4.5.1 影響

不同類型石油套管外徑為114.3-508mm，管徑差較大。磁極氣隙是磁極與套管外表面之間的間隙，如圖4。由于磁極位置不變，管徑越大，氣隙越小，套管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度就越大，反之就越小。

4.5.2 應(yīng)對措施

為了消除這些影響，在探小徑管時(shí)，就必須在磁極兩側(cè)增加墊鐵，使磁極氣隙保持定值。

圖4 磁極氣隙影響

4.6 信號傳輸系統(tǒng)影響及應(yīng)對措施

4.6.1 影響

4.6.1.1 前置放大器線性

放大是信號處理的首要工序，前置放大器線性漂移，將導(dǎo)致最終信號失真，使缺陷的幅值信息缺乏可信性。

4.6.1.2 濾波電路

濾波電路的作用是過濾噪聲信號,因此，頻率選擇至關(guān)重要,頻率選擇過低將使部分高頻噪聲通過，信噪比降低，易造成誤判。頻率選擇過高將使檢測信號被濾掉,易造成漏檢。因此根據(jù)實(shí)際情況選擇恰當(dāng)?shù)念l率是非常必要的。

4.6.2 應(yīng)對措施

根據(jù)鋼管表面的實(shí)際狀況，調(diào)整濾波頻率。對表面較平滑涂層均勻銹跡較少的套管可用較高濾波頻率，對表面粗糙涂層不均銹跡較多的套管則要減小漏磁探傷機(jī)靈敏度校驗(yàn)程序中的“頻率”值，抑制噪聲信號，提高信噪比，減弱套管表面涂層對探傷結(jié)果的影響。

4.7 設(shè)備校核影響及應(yīng)對措施

4.7.1 影響

在生產(chǎn)檢測的校核中，校準(zhǔn)沒達(dá)到要求（沒有按照同一外徑，同一壁厚、同一牌號），即使按允許的系統(tǒng)漂移增加3dB的探傷靈敏度檢測鋼管也不能保證得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

4.7.2 應(yīng)對措施

設(shè)備校核應(yīng)在相同外徑、相同壁厚和相同牌號（鋼級）鋼管的生產(chǎn)檢測期間，以使用樣管通過探傷設(shè)備的方式定期進(jìn)行。按照國標(biāo)一般是4h校核1次。

5 討論

漏磁探傷雖然是一種速度快,自動(dòng)化程度高的探傷方法，但由于石油套管無損檢測用一種檢測手段很難對其進(jìn)行全面的檢測，需要綜合至少一種以上的無損檢測手段，況其對管端檢測會(huì)有一定的檢測盲區(qū)，檢測后需要對被檢試件進(jìn)行退磁處理。漏磁檢測因其設(shè)備成本較高，使其僅僅局限在石油生產(chǎn)企業(yè)的初步檢測階段，故針對石油套管漏磁檢測的研發(fā)尚有待進(jìn)一步開發(fā)，石油套管漏磁檢測裝置研發(fā)便攜式及小型化的趨勢將有助于降低漏磁裝置的成本，增加漏磁檢測裝置推廣力度，將有助于石油套管漏磁檢測在多種場合使用。

6 結(jié)論

認(rèn)識石油套管漏磁探傷的影響因素并有針對性的實(shí)施措施將使誤差減少到最少，可保證漏磁探傷的準(zhǔn)確率，提高檢測結(jié)論的客觀性和準(zhǔn)確性。在套管生產(chǎn)的初期就可以控制產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)，石油套管漏磁檢測方法的優(yōu)化及研究還有待進(jìn)一步開發(fā)[5-10]，從而使石油套管漏磁檢測更加準(zhǔn)確、高效。

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