鉆桿內(nèi)壁腐蝕的交直流復(fù)合磁化漏磁檢測(cè)方法

王榮彪 康宜華, 鄧永樂 王碧瑤 汪圣涵 唐 健

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

2. 華工制造裝備數(shù)字化國(guó)家工程中心有限公司，武漢，430074

0 引言

鉆桿是石油鉆井設(shè)備的重要組成部分，在鉆井工作過程中受循環(huán)彎矩載荷、交變應(yīng)力和內(nèi)部鉆井液的腐蝕，在鉆桿的桿體和加厚帶內(nèi)壁容易出現(xiàn)腐蝕。內(nèi)壁的腐蝕會(huì)造成鉆桿壁厚減薄，是導(dǎo)致鉆桿穿孔和斷裂的重要因素[1]。鉆桿的斷裂會(huì)使礦井承受巨大的損失，因此，對(duì)鉆桿內(nèi)壁腐蝕的檢測(cè)需求較迫切。

鉆桿內(nèi)腐蝕為體積型缺陷，常用的檢測(cè)方法通過測(cè)量鉆桿壁厚的方式對(duì)鉆桿內(nèi)壁腐蝕進(jìn)行檢測(cè)，主要的測(cè)量壁厚方法有射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、電磁超聲檢測(cè)、脈沖渦流檢測(cè)和漏磁檢測(cè)。射線檢測(cè)方法可以精確測(cè)量鉆桿壁厚，但是該方法檢測(cè)成本高，且對(duì)人體有損傷[2]。超聲探頭可以對(duì)鉆桿進(jìn)行測(cè)厚[3]，但是只能對(duì)單點(diǎn)測(cè)厚。為了彌補(bǔ)超聲探頭的這一缺點(diǎn)，有學(xué)者提出利用超聲相控陣技術(shù)檢測(cè)鉆桿的內(nèi)壁腐蝕，有足夠的檢測(cè)靈敏度和分辨力[4]。但超聲檢測(cè)需要耦合劑，且待檢測(cè)工件表面不能有油漆，需要提前對(duì)表面進(jìn)行處理。電磁超聲壁厚檢測(cè)方法解決了常規(guī)超聲需要耦合劑的問題，并且對(duì)待檢測(cè)材料表面狀況要求也較低，但是該檢測(cè)方法換能效率較低[5]。脈沖渦流檢測(cè)方法可以在較大提離值下實(shí)現(xiàn)壁厚減薄的檢測(cè)，但是由于探頭尺寸較大，不利于小面積腐蝕的檢出，不適合曲率較大鉆桿的檢測(cè)[6-7]。漏磁檢測(cè)中磁通檢測(cè)方法可以評(píng)估油管的相對(duì)剩余壁厚[8-10]，且不受油污等其他非鐵磁性材料的影響，該方法一般采用霍爾元件作為檢測(cè)元件[11-13]，但霍爾元件受外界環(huán)境(如溫度)影響較大，且鉆桿檢測(cè)環(huán)境一般較為惡劣，檢測(cè)誤差較大。同時(shí)，為了避免強(qiáng)磁場(chǎng)造成的霍爾元件量程與靈敏度間的矛盾，基于交流直流復(fù)合激勵(lì)，本文提出了一種陣列探頭檢測(cè)鉆桿內(nèi)壁腐蝕的方法，以陣列感應(yīng)線圈作為檢測(cè)元件，放置于鉆桿外壁，通過檢測(cè)交流磁場(chǎng)的變化評(píng)價(jià)內(nèi)部腐蝕和壁厚減薄的狀況。

1 檢測(cè)原理及方法

1.1 檢測(cè)原理

本文提出的檢測(cè)方法的原理如圖1所示。鐵磁性材料被外界直流磁場(chǎng)磁化后，磁場(chǎng)主要分布在鐵磁性材料內(nèi)部，內(nèi)部的磁通量為Φ，如圖1a所示。當(dāng)鐵磁性材料中出現(xiàn)壁厚減薄時(shí)，根據(jù)磁路理論，有

Φ=Φ1+Φ2

(1)

式中，Φ1為鋼板壁厚減薄上方磁通量；Φ2為泄漏到空氣中的磁通量。

(a) 直流磁化下內(nèi)部磁通分布

由于鐵磁性材料的高磁導(dǎo)率特性，大部分的磁通量仍然集中在鋼板內(nèi)，只有極少數(shù)的磁通泄漏到空氣中，故有

Φ≈Φ1

(2)

在壁厚減薄區(qū)域，鐵磁性材料面積減小，由式(2)可知，磁通量變化很小，導(dǎo)致在壁厚減小位置處磁通量密度增大。根據(jù)鐵磁性材料的磁特性曲線(圖2)，在外加磁場(chǎng)強(qiáng)度H大于磁導(dǎo)率最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1區(qū)域，隨著磁通量密度B的增大，材料的相對(duì)磁導(dǎo)率減小，根據(jù)磁路歐姆定律，磁阻與材料磁導(dǎo)率成反比，所以圖1b中，壁厚減薄處的磁阻由于相對(duì)磁導(dǎo)率μ的減小而增大，即

R2>R1

式中，R2為鋼板壁厚減薄上方磁阻；R1為鋼板壁厚正常區(qū)域磁阻。

圖2 鐵磁性材料磁特性曲線

施加的交流磁場(chǎng)因?yàn)楸诤駵p薄處磁阻的增大，相比壁厚正常處，有更多的交流磁場(chǎng)泄漏到空氣中，通過檢測(cè)泄漏到空氣中的交變漏磁場(chǎng)BAMF實(shí)現(xiàn)壁厚減薄的檢測(cè)。

1.2 檢測(cè)方法

根據(jù)該檢測(cè)原理，本文提出了一種陣列式靜態(tài)檢測(cè)鉆桿內(nèi)壁腐蝕的檢測(cè)方法，如圖3所示。鉆桿被直流磁化到近飽和狀態(tài)時(shí)，在壁厚減薄區(qū)域磁通量的增大導(dǎo)致磁阻增大，因此，施加的材料表面交流磁場(chǎng)相比壁厚正常區(qū)域會(huì)更多地泄漏到空氣中，陣列的檢測(cè)線圈檢測(cè)到交流磁場(chǎng)的變化，檢測(cè)線圈信號(hào)傳輸?shù)椒糯箅娐分?，再?jīng)過采集卡的模電轉(zhuǎn)換，最終在計(jì)算機(jī)中顯示處理后的壁厚減薄信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆桿內(nèi)部壁厚減薄的檢測(cè)。

圖3 檢測(cè)方法示意圖

2 仿真分析

為了對(duì)該檢測(cè)原理進(jìn)行驗(yàn)證，利用JMAG仿真軟件建立了圖4所示的二維旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱仿真模型。磁化線圈2000匝，通以偏置的交流電流。鉆桿被軸向磁化，鉆桿內(nèi)壁設(shè)置寬度10 mm、深2 mm的壁厚減薄區(qū)域。鉆桿上方的空氣層用于提取磁場(chǎng)信號(hào)。

圖4 二維仿真模型

首先分析直流磁化下鋼管被磁化到近飽和狀態(tài)下壁厚減薄上方的相對(duì)磁導(dǎo)率分布，結(jié)果如圖5所示，此時(shí)磁化電流為9 A，可以看到壁厚減薄上方相對(duì)磁導(dǎo)率與周圍有一定差異。為了更加直觀地觀察壁厚減薄上方相對(duì)磁導(dǎo)率與正常區(qū)域的差異，取壁厚減薄上方由a(35 mm,35 mm),b(40 mm,35 mm),c(40 mm,65 mm),d(35 mm,65 mm)4個(gè)點(diǎn)圍成的區(qū)域A的相對(duì)磁導(dǎo)率分布。再在同樣參數(shù)下仿真無壁厚減薄模型，同樣取A區(qū)域位置相對(duì)磁導(dǎo)率分布，結(jié)果如圖6所示，可以看到整個(gè)壁厚減薄區(qū)域相對(duì)磁導(dǎo)率與無壁厚減薄區(qū)域相對(duì)磁導(dǎo)率有較大差異。

圖5 相對(duì)磁導(dǎo)率分布

圖6 有、無壁厚減薄下磁導(dǎo)率分布

然后在直流磁化的基礎(chǔ)上疊加頻率500 Hz、幅值0.5 A的交流磁化電流，由于檢測(cè)線圈檢測(cè)到的是磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化率，分別提取壁厚減薄上方和壁厚正常區(qū)域上方Y(jié)方向磁場(chǎng)變化率，如圖7所示，可以看到壁厚減薄區(qū)域上方磁場(chǎng)變化率大于無缺陷上方磁場(chǎng)變化率，故能利用軸向?yàn)閅方向的線圈檢測(cè)鉆桿內(nèi)壁的壁厚減薄。

圖7 有、無壁厚減薄下磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)該檢測(cè)方法進(jìn)行驗(yàn)證，搭建了圖8所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，直流磁化電源提供磁化電流給2000匝的直流磁化線圈，將鉆桿直流磁化，鉆桿直徑127 mm，壁厚8.5 mm。鉆桿從中間剖開后，在內(nèi)壁刻有不同深度的平底孔用作模擬鉆桿的內(nèi)壁腐蝕，如圖9所示，再將剖開的兩半焊接在一起形成完整的鉆桿。交流磁化線圈在變頻交流磁化電源提供的交變磁化電流下，在鉆桿表面的施加交變磁場(chǎng)。兩個(gè)檢測(cè)線圈水平放置，一個(gè)放置在平底孔上方，一個(gè)放置在無平底孔上方，分別連接放大板的兩個(gè)通道，信號(hào)經(jīng)過采集卡的采集顯示在計(jì)算機(jī)上。

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖9 樣管

首先將一個(gè)線圈放在直徑3.2 mm、深度0.8 mm的平底孔上方，另一個(gè)線圈放在無平底孔上方，交流磁化電流設(shè)置為0.5 A，頻率500 Hz，直流磁化電流不斷增大，將平底孔上方線圈信號(hào)峰值與無平底孔上方線圈信號(hào)峰值相減，該差值隨直流磁化電流的變化趨勢(shì)如圖10所示，發(fā)現(xiàn)磁化電流為6 A時(shí)該差值最大。

圖10 電壓差值隨磁化電流變化曲線

然后在直流磁化電流6 A條件下，分別將傳感器移至直徑3.2 mm，深度分別為0.8 mm、1.6 mm、 2.4 mm和3.2 mm的平底孔上方，深度0.8 mm有、無內(nèi)盲孔上方感應(yīng)線圈電壓如圖11所示，可以看到兩者的電壓有一定的差值。不同深度內(nèi)盲孔電壓差值如圖12所示，發(fā)現(xiàn)電壓差值隨內(nèi)盲孔深度的增大而不斷增大。

圖11 深度0.8 mm有、無內(nèi)盲孔上方感應(yīng)線圈電壓對(duì)比

圖12 電壓差值隨內(nèi)盲孔深度變化趨勢(shì)

4 討論

從前面的仿真和實(shí)驗(yàn)可以看到，利用該檢測(cè)方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)壁壁厚減薄的檢測(cè)。該方法可以利用測(cè)量磁場(chǎng)變化量的傳感器(如線圈)在靜態(tài)下檢測(cè)內(nèi)壁壁厚減薄，彌補(bǔ)了線圈在直流激勵(lì)、靜態(tài)下無法檢測(cè)零件壁厚減薄的不足。同時(shí)，線圈相對(duì)于絕對(duì)量測(cè)量檢測(cè)元件(如霍爾元件)價(jià)格更低，其形狀可以針對(duì)檢測(cè)物體任意定制。另外，該方法還可以利用柔性印刷線圈，由于其柔性特性，能適應(yīng)不同規(guī)格，還可以對(duì)管道彎頭等有不規(guī)則曲面的構(gòu)件在靜態(tài)下進(jìn)行檢測(cè)，且性能受環(huán)境影響相對(duì)較小。

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如圖10所示，平底孔上方線圈信號(hào)與無平底孔上方線圈信號(hào)差值并不是與直流磁化電流大小成正比，而是先增加后減小，在電流6 A時(shí)達(dá)到最大。根據(jù)前文檢測(cè)原理，壁厚減薄處的磁通密度增大造成磁阻上升，從而使更多的交流磁場(chǎng)泄漏到空氣中，因此，壁厚減薄處的磁阻與正常區(qū)域的磁阻差別是影響泄漏到空氣中交流磁場(chǎng)的關(guān)鍵因素。所以，利用第2節(jié)仿真模型，僅改變磁化電流，將磁化電流以1 A為間隔，從1 A增加到15 A。計(jì)算不同磁化電流下，壁厚減薄上方相對(duì)磁導(dǎo)率與壁厚正常區(qū)域的差值，結(jié)果如圖13所示?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著磁化電流的增大，相對(duì)磁導(dǎo)率的差值也呈先增大后減小的趨勢(shì)[14]，磁化電流較大時(shí)，由于鐵磁性材料本身的磁導(dǎo)率較低(圖2)，造成壁厚減薄區(qū)域和正常區(qū)域磁導(dǎo)率差距減小，從而造成泄漏的交流磁場(chǎng)減小，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)相同。

圖13 相對(duì)磁導(dǎo)率差值隨磁化電流變化曲線

由于該方法在檢測(cè)實(shí)施過程中需對(duì)比壁厚減薄區(qū)域和非減薄區(qū)域，故只能檢測(cè)鉆桿內(nèi)部的局部腐蝕的相對(duì)變化量，而非絕對(duì)值。

5 結(jié)論

(1)本文基于磁路理論，針對(duì)鉆桿的內(nèi)壁腐蝕，提出一種基于復(fù)合磁化的漏磁檢測(cè)方法，該方法可利用感應(yīng)線圈在靜態(tài)或低速下，通過檢測(cè)外表面的交流漏磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)壁腐蝕的檢測(cè)。

(2)通過有限元仿真分析了壁厚減薄上方的磁導(dǎo)率分布情況，并與壁厚正常區(qū)域進(jìn)行了對(duì)比；得到了復(fù)合磁化下壁厚減薄上方磁場(chǎng)變化率，發(fā)現(xiàn)壁厚減薄上方的磁場(chǎng)變化率大于正常壁厚上方的磁場(chǎng)變化率。

(3)進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)，加工內(nèi)盲孔模擬實(shí)際過程中的內(nèi)壁腐蝕，發(fā)現(xiàn)隨著內(nèi)盲孔深度的增大，信號(hào)差值增大，從而驗(yàn)證了該方法的可行性。