关键词:
交流磁化
漏磁检测
连续油管
结构设计
摘要:
连续油管作为油气田作业中的关键设备,在修井、钻井、完井等作业中频繁经历弯曲变形、高温高压及腐蚀性环境,导致其表层易产生裂纹、腐蚀坑等缺陷,严重影响作业安全与设备寿命。目前,连续油管缺陷检测的常用技术手段存在一定局限性,如对表面条件要求高、磁化效率低等。针对这些问题,本文提出了一种基于交流磁化漏磁检测技术的C型双线圈激励结构检测装置方案,并通过理论分析和数值仿真,揭示了缺陷漏磁场的轴向单峰、径向双峰分布特征。系统研究了C型双线圈激励结构方案下激励线圈电源、结构参数以及检测线圈结构参数对缺陷信号的影响规律;基于此,通过响应面法对激励线圈(间距、长度、内外径)与检测线圈(外径、匝数)的关键参数进行了优化,最终设计出连续油管交流磁化漏磁检测装置。
本文首先基于亥姆霍兹线圈磁场叠加原理,提出了一种C型双线圈激励结构检测装置方案,相较于传统方法,该结构方案采用并列式双线圈设计,不仅有效减小了线圈尺寸,便于拆装维护,还能显著提升连续油管的磁化强度和有效磁化区域范围。建立了含周向裂纹缺陷的连续油管交流磁化漏磁数值仿真模型,通过有限元分析揭示了该激励线圈电磁场作用下连续油管缺陷漏磁场的分布规律:周向裂纹的漏磁场分量沿管柱方向呈单峰特征,径向分量则呈现出双峰型。并通过仿真对比分析发现双线圈结构较传统单线圈可有效增强磁化强度,验证了该结构方案的合理性。
为研究该检测装置中线圈结构参数和激励参数对连续管缺陷信号的影响规律,在所提C型双线圈激励结构方案的基础上,采用有限元仿真与单因素变量分析法,系统研究了激励电源参数(频率、电流幅值、相位)和线圈结构参数(线圈间距、长度、匝数、内外径间距)对缺陷信号的影响规律,得出结论:当线圈电流激励频率增至300Hz时,趋肤效应使表层磁化趋于饱和;双线圈间距为22mm(周向裂纹)和18mm(轴向裂纹)时,双线圈激励磁场叠加效应最优;随着激励线圈长度的增加,周向和轴向裂纹径向磁场信号的畸变量在逐渐减小;当激励线圈内外径间距增加时,周向和轴向裂纹径向磁场信号的畸变量也在不断增加。此外,检测线圈提离高度需控制在3mm以内,检测线圈外径为10mm时灵敏度最高,检测线圈环向阵列数量为16时可实现连续管360°全周覆盖。
基于检测装置中各影响因素的分析研究,梳理出关键影响因素及影响水平,通过响应面法对激励线圈与检测线圈结构参数进行优化设计。以激励线圈的长度、间距、内外径间距以及检测线圈的外径、匝数为关键影响因素,以缺陷特征信号参量ΔBz及径向检测电压ΔVz为响应目标,采用中心复合试验设计(CCD)生成试验方案。通过有限元仿真获取各试验组响应值,构建出二阶多项式回归模型,最终通过响应面交互作用影响分析,确定出连续油管交流磁化漏磁检测装置结构最优组合参数。针对四类连续油管典型缺陷(周向裂纹、轴向裂纹、通孔、腐蚀坑)的漏磁场检测开展对比试验研究,经对比传统单线圈结构、优化前双线圈结构及优化后双线圈结构的磁场仿真结果,发现本方案的优化装置在漏磁场的检测能力方面性能较优。本方案优化装置在检测周向裂纹时,相较于C型单激励线圈和优化前C型双激励线圈结构,ΔBz分别提升了66.67%和34.62%;检测轴向裂纹时,ΔBz分别提升47.05%和35.14%;检测通孔缺陷时,ΔBz分别提升42.50%和29.55%;检测腐蚀坑缺陷时,ΔBz分别提升58.33%和46.15%。并针对不同缺陷类型及尺寸开展了仿真试验研究,研究结果证明本结构装置在不同缺陷识别方面具有较好的适用性,在缺陷尺寸变化时,也能较好地检测并区分出来,可为连续油管的缺陷量化和尺寸识别研究奠定基础。