油井管漏磁檢測的復(fù)合磁化器輕量化方法

胡孝剛，王榮彪，柯新月，康宜華

(華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074)

在石油的開采過程中，油井管作為重要的部件，常受到復(fù)雜交變載荷和腐蝕介質(zhì)的共同作用而出現(xiàn)，從而帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至是人員傷亡，因此油井管的在役無損檢測顯得尤為重要[1]。漏磁檢測(MFL)是一種非破壞性檢測方法，因相對(duì)較低的成本和較快的檢測速度而被廣泛應(yīng)用于油井管的無損檢測中。待測油井管磁化至近飽和狀態(tài)后，缺陷周圍將形成漏磁場，用傳感器檢測該漏磁場就能反映和評(píng)判缺陷的狀況[2-3]。

目前，通常采用便攜式探傷儀對(duì)油井管管外進(jìn)行檢測。這類便攜式探傷儀的勵(lì)磁源可以分為2類：一類是永磁鐵，一類是電磁線圈。如馬義來等采用永磁勵(lì)磁方法，設(shè)計(jì)了一種6磁軛全覆蓋式鉆桿漏磁檢測勵(lì)磁裝置，該勵(lì)磁裝置可以用于檢測φ3 mm通孔及寬1 mm、深1.5 mm的溝槽，但其磁化強(qiáng)度無法調(diào)節(jié)，安裝拆卸時(shí)的作用力大，檢測分辨率也不高[4]；劉丹等設(shè)計(jì)的自爬式鉆桿現(xiàn)場檢測裝置和合肥中大檢測技術(shù)有限公司的ZDJC-90便攜式鉆桿檢測裝置，均采用直流線圈進(jìn)行勵(lì)磁，可以檢測寬0.5 mm、深1 mm、長15 mm的橫向裂紋及深1.5 mm的φ1.5 mm盲孔，檢測分辨率較高，但體積大、質(zhì)量達(dá)46 kg[5-6]。

現(xiàn)有的便攜式檢測裝置依然存在磁化器質(zhì)量過大或者磁化器裝拆作用力大，且磁場強(qiáng)度無法調(diào)節(jié)等問題，在實(shí)際應(yīng)用中有諸多不便。為了解決這些不足，筆者提出了永磁鐵和電磁鐵的復(fù)合勵(lì)磁方法，最終實(shí)現(xiàn)了磁化器的輕量化。

1 油井管漏磁檢測輕量化方法

1.1 常見磁化法

磁化是漏磁檢測的關(guān)鍵技術(shù)之一,目前油井管的軸向磁化方法從結(jié)構(gòu)上分，主要包括永磁鐵磁化方法、磁軛式電磁鐵磁化方法和穿過式線圈磁化方法。圖1為以上幾種磁化方法的原理示意。

圖1 常見磁化方法原理示意

3種磁化方法的主要特點(diǎn)如表1所示。

表1 3種磁化方法的特點(diǎn)

1.2 永磁鐵和電磁鐵復(fù)合磁化方法

鑒于已有的單一勵(lì)磁方式存在種種問題，提出了一種基于永磁鐵和電磁鐵的復(fù)合磁化方法：永磁勵(lì)磁磁路提供基礎(chǔ)磁場B0，電磁線圈中通入直流電得到可調(diào)磁場B1，其中B1可以通過改變勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，則油井管局部復(fù)合勵(lì)磁磁場B如式(1)所示。

B=B0+B1

(1)

復(fù)合磁化磁路主要由永磁鐵磁化磁路和電磁線圈磁化磁路復(fù)合疊加而成，復(fù)合磁化磁路示意如圖2(a)所示。為了使磁場在油井管管體局部均勻分布，復(fù)合磁化勵(lì)磁源由1個(gè)永磁勵(lì)磁源和1個(gè)電磁鐵勵(lì)磁源組成，其中電磁鐵磁化磁路呈180°分布于永磁鐵磁化磁路對(duì)側(cè)，且電磁鐵磁化磁路沿油井管管體周向間距大于永磁鐵磁化磁路的長度，整個(gè)裝置的磁化區(qū)域覆蓋油井管管體360°。圖2(b)為復(fù)合勵(lì)磁源模型，在整個(gè)復(fù)合磁化裝置中，2個(gè)勵(lì)磁源的N極和S極位于同側(cè)，所形成的磁場通過油井管管體時(shí)呈疊加狀態(tài)；否則，形成的磁場通過油井管管體時(shí)呈抵消狀態(tài)，不能激勵(lì)缺陷漏磁場。

圖2 復(fù)合磁化磁路及復(fù)合勵(lì)磁源模型

1.3 多種磁化方法的比較分析

采用有限元法對(duì)上述4種磁化方法進(jìn)行分析，并對(duì)直徑為89 mm，厚度為10 mm的油井管進(jìn)行仿真。選擇Solid96單元作為ANSYS分析的單元類型，采用RACE命令建立跑道型線圈作為電磁線圈勵(lì)磁源?？諝庀鄬?duì)磁導(dǎo)率為1.0；線圈磁軛銜鐵、線圈磁軛極板、永磁體導(dǎo)磁板、油井管為非線性材料，通過B-H曲線進(jìn)行賦值，其中銜鐵、極板、導(dǎo)磁板材料為工業(yè)純鐵；永磁勵(lì)磁源根據(jù)勵(lì)磁方向定義矯頑力方向和大小。根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的尺寸，對(duì)4種模型依次進(jìn)行建模：永磁鐵磁化器由6個(gè)磁鐵作為磁軛式磁化器，磁軛銜鐵寬為40 mm,厚為15 mm,長為110 mm，永磁鐵極板長為40 mm，寬為25 mm，高為30 mm；磁軛式電磁鐵由兩對(duì)邊磁軛式磁化器構(gòu)成，磁軛銜鐵寬為140 mm,厚為18 mm,長為135 mm，磁軛極板長為140 mm，寬為18 mm，高為90 mm，線圈匝數(shù)為900匝；由于探頭要布置于穿過式線圈內(nèi)部，因此勵(lì)磁線圈內(nèi)徑需要足夠大，取內(nèi)徑為160 mm，寬為134 mm，匝數(shù)為2 400匝，電流為7 A；復(fù)合磁化器永磁鐵厚度為30 mm，磁軛銜鐵寬為140 mm，厚為18 mm，長為135 mm，磁軛極板長為140 mm，寬為18 mm，高為90 mm，線圈匝數(shù)為800匝。幾種磁化器模型如圖3所示。

圖3 幾種磁化器模型

通過對(duì)上述有限元模型的求解，在4種磁化方法都有相似的磁化效果下，對(duì)4種磁化方式磁化器的質(zhì)量進(jìn)行比較，所得結(jié)果如表2所示?？芍跑検诫姶盆F勵(lì)磁磁化器質(zhì)量遠(yuǎn)小于磁軛式電磁鐵磁化器及穿過式線圈磁化器的質(zhì)量。與此同時(shí)，與單一的永磁鐵磁化器相比，復(fù)合磁化器采用開源式永磁鐵作為勵(lì)磁源可以有效地減小與油井管的拆裝吸力?？梢?，復(fù)合磁化器兼具了各磁化器的優(yōu)點(diǎn)，如便攜、體積和質(zhì)量小、拆裝吸力小，磁化效果良好。

表2 幾種磁化器質(zhì)量及磁感應(yīng)強(qiáng)度

2 基于有限元分析的磁化器質(zhì)量優(yōu)化

根據(jù)上述提出的復(fù)合磁化方法，設(shè)計(jì)了一種輕量化的復(fù)合磁化器。為了使該磁化器滿足磁化需求，即滿足對(duì)油井管通孔、內(nèi)盲孔等缺陷的檢測能力，需要對(duì)該磁化器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，達(dá)到輕量化要求。

復(fù)合磁化結(jié)構(gòu)中影響油井管管壁軸向磁化場分布的主要參數(shù)包括永磁體厚度t1、磁軛極板寬度w(與銜鐵寬度相等)、磁軛極板厚度t2(與銜鐵厚度相等)、安匝數(shù)NI。其中，半圓環(huán)永磁體采用外徑為166 mm,內(nèi)徑為120 mm的永磁鐵。以φ89 mm鉆桿為例，復(fù)合磁化裝置初始參數(shù)如表3所示，分別對(duì)各參數(shù)進(jìn)行控制變量仿真研究，分析其對(duì)鉆桿管壁軸向磁化場分布的影響，最終確定優(yōu)化取值，達(dá)到磁化器的輕量化要求。

表3 復(fù)合磁化裝置初始參數(shù)

對(duì)復(fù)合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)各參數(shù)(見表4)進(jìn)行設(shè)定，采用單一變量法，逐一改變影響磁化場分布的參數(shù)，獲得磁化場變化趨勢。

表4 復(fù)合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)變量參數(shù)取值

圖4(a)4(d)分別為不同t1,t2,w,NI下，油井管管壁內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度軸向分量Bz沿管道軸向分布的特征曲線；圖4(e)4(h)分別為油井管管壁磁感應(yīng)強(qiáng)度軸向分量Bz隨t1,t2,w,NI增加的變化趨勢。根據(jù)4(a)、4(e)可知，隨著t1的增加，Bz逐漸增大，之后趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)殡S著t1的增加，磁勢增強(qiáng)，管道內(nèi)部磁場強(qiáng)度增強(qiáng)，當(dāng)磁化達(dá)到飽和后，桿體內(nèi)部磁場基本不再增加。根據(jù)圖4(b)，4(f)可知，隨著t2的增加，Bz逐漸增加，之后趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)殡S著磁路磁阻的減小，在磁勢不變的情況下，管道內(nèi)部磁場強(qiáng)度增強(qiáng)，當(dāng)鋼管達(dá)到磁化飽和后，內(nèi)部磁場基本不再增加。根據(jù)圖4(c)，4(g)可知，隨著w增加，Bz逐漸增加，之后趨于穩(wěn)定,這是因?yàn)閣增加，磁路磁阻減小，在磁勢不變的情況下，管道內(nèi)部磁場強(qiáng)度增強(qiáng)，當(dāng)磁化飽和后，內(nèi)部磁場基本不再增加。根據(jù)圖4(d)，4(h)可知，隨著NI增加，Bz逐漸增加，之后趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)殡S著NI的增大，磁勢增強(qiáng)，管道內(nèi)部磁場強(qiáng)度增強(qiáng)，當(dāng)管道上部磁化飽和后，內(nèi)部磁場基本不再增加。綜合永磁體厚度t1對(duì)管壁軸向磁化場分布的影響，同時(shí)獲得合適的永磁體對(duì)油井管管體的磁吸作用，取t1=50 mm。為獲得既輕便又滿足磁化要求的優(yōu)化參數(shù)，綜合考慮，w取130 mm，t2取18 mm，NI取800×6安匝。

圖4 各影響變量對(duì)管壁軸向磁化場分布的影響

3 復(fù)合磁化器檢測能力試驗(yàn)驗(yàn)證

采用復(fù)合勵(lì)磁裝置對(duì)鉆桿漏磁檢測的磁化能力進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以管體通孔和內(nèi)盲孔模擬鉆桿缺陷，制作長度為1 600 mm的φ89 mm鉆桿樣管，上有φ1.6 mm通孔H1、φ3.0 mm深度為1.5 mm的內(nèi)盲孔H2、φ3.0 mm深度為3.0 mm的內(nèi)盲孔H3，共3處缺陷，鉆桿樣管結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 φ89 mm鉆桿樣管結(jié)構(gòu)示意

復(fù)合勵(lì)磁檢測裝置外觀如圖6所示，主要包括復(fù)合磁化器、探頭、信號(hào)采集箱、上位機(jī)等。φ89 mm鉆桿放置在V輪上，復(fù)合磁化器為開合式，可直接將探傷儀置于待測油井管表面。對(duì)電磁線圈施加直流激勵(lì)信號(hào)，在永磁鐵和電磁線圈的共同作用下，將待測油井管管體局部磁化至飽和狀態(tài)。磁化器保持不動(dòng)，勻速移動(dòng)鉆桿，漏磁探頭在油井管管體表面拾取漏磁信號(hào)。檢測過程中逐漸增大電磁線圈勵(lì)磁電流，直至出現(xiàn)明顯的檢測信號(hào)。

圖6 復(fù)合勵(lì)磁檢測裝置外觀

圖7為采用該復(fù)合勵(lì)磁檢測裝置檢測時(shí)，探頭獲得的φ1.6 mm通孔和φ3.0 mm內(nèi)盲孔的檢測信號(hào)，由圖可知，通孔及內(nèi)盲孔處有明顯的缺陷漏磁信號(hào)。結(jié)果證明，該永磁鐵與電磁鐵復(fù)合磁化裝置滿足油井管漏磁檢測勵(lì)磁的要求，在同等磁化強(qiáng)度下勵(lì)磁裝置達(dá)到了輕量化要求。

圖7 復(fù)合勵(lì)磁檢測缺陷信號(hào)

4 結(jié)語

(1) 介紹了用于油井管漏磁外檢測的幾種磁化方法，針對(duì)這幾種磁化方法存在的不足，提出永磁鐵與電磁鐵復(fù)合磁化的方法，并設(shè)計(jì)了一種永磁鐵和電磁鐵復(fù)合磁化器。該復(fù)合磁化器具有拆卸時(shí)的磁吸力小、磁化強(qiáng)度可調(diào)節(jié)、體積和質(zhì)量小等特點(diǎn)。與穿過式線圈磁化器相比，減輕了至少50%的重量。

(2) 通過ANSYS有限元軟件建立了復(fù)合勵(lì)磁磁路結(jié)構(gòu)模型，分析了各影響因素參數(shù)對(duì)油井管管體局部軸向磁化場的影響，對(duì)復(fù)合磁化器各影響因素進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，達(dá)到輕量化的要求。

(3) 該復(fù)合磁化器能夠?qū)τ途芄荏w局部進(jìn)行軸向飽和磁化，滿足油井管漏磁檢測的磁化要求。